紫外像增強器的調(diào)制傳遞函數(shù)測試系統(tǒng)設計

蘇天寧，劉峰閣，王 強，朱榮勝，楊慧卿，成 帥，姬 明

紫外像增強器的調(diào)制傳遞函數(shù)測試系統(tǒng)設計

蘇天寧，劉峰閣，王 強，朱榮勝，楊慧卿，成 帥，姬 明

（北方夜視技術股份有限公司，云南 昆明 650217）

紫外像增強器是紫外成像系統(tǒng)的核心器件，其成像質量決定了對紫外光學信號的探測和成像能力。調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）反映了系統(tǒng)對圖像不同頻率信息的傳遞能力，是像質評定的一種客觀指標。本文基于狹縫成像和傅里葉分析的調(diào)制傳遞函數(shù)測試原理，設計了一套紫外像增強器的調(diào)制傳遞函數(shù)測試系統(tǒng)。然后對3支紫外像增強器進行了調(diào)制傳遞函數(shù)測試實驗，得到3支紫外像增強器的MTF曲線截止頻率均在32～34lp/mm之間，并根據(jù)MTF曲線對3支紫外像增強器成像質量進行對比分析。最后經(jīng)過重復測試得到幾個重要頻率點MTF測試值的標準差均低于0.02。

紫外像增強器；調(diào)制傳遞函數(shù)；成像質量；截止頻率；測試標準差

0 引言

紫外探測和成像技術在電暈檢測、紫外制導、紫外告警等領域發(fā)揮著重要作用[1]，其中紫外像增強器由于其具有高增益、低暗計數(shù)等優(yōu)點，是在紫外微弱信號探測與成像領域應用最廣的一種紫外真空器件。紫外像增強器一方面可用于對微弱紫外光學信號的探測，另一方面也用于與CCD、CMOS耦合成紫外成像器件[2-3]，因此對紫外像增強器的成像質量研究十分有意義。調(diào)制傳遞函數(shù)MTF（modulation transfer function）作為一種客觀和全面的光學系統(tǒng)成像質量評價標準，因此可以用調(diào)制傳遞函數(shù)來評價紫外像增強器的成像質量。目前國內(nèi)對于微光像增強器的MTF測試系統(tǒng)研究較多，清華大學朱宏權等人構建了一套基于狹縫法測像增強器MTF的裝置[4]，南京理工大學的黃賢斌和倪進園等人構建了一套微光像增強器自動對焦的MTF測試系統(tǒng)[5-6]，北京理工大學陶禹等人研究了高性能近貼式像增強器MTF的測試原理和方法[7]，但對于紫外像增強器的MTF測試系統(tǒng)研究鮮有報道。

本文設計了一種紫外像增強器的調(diào)制傳遞函數(shù)測試系統(tǒng)，搭建了紫外成像系統(tǒng)，采用極細的狹縫作為成像靶標，利用CMOS采集和傳輸紫外像增強器熒光屏上的可見光圖像，通過軟件算法對圖像處理運算獲得調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。通過對3支紫外像增強器進行測試得到調(diào)制傳遞函數(shù)曲線并計算測試重復性，證明了測試系統(tǒng)的準確性和穩(wěn)定性，為提升紫外像增強器的成像質量提供了理論依據(jù)和實驗支撐。

1 MTF測試原理

光學傳遞函數(shù)為像面和物面圖像頻譜的比值，調(diào)制傳遞函數(shù)就是光學傳遞函數(shù)的幅值部分。根據(jù)光學系統(tǒng)的線性不變性，像面圖像的一維分布￠(￠)可以看作是物面上圖像的一維分布()與線擴散函數(shù)（line spread function）LSF()的卷積[4-7]：

￠(￠)＝()*LSF() (1)

將其代入到光學傳遞函數(shù)的公式中化簡可得到：

因此，調(diào)制傳遞函數(shù)可以由線擴散函數(shù)傅里葉變換后的幅值計算得到。目前通常是利用極細的狹縫進行成像，由圖像采集設備如CCD和CMOS等獲得狹縫像的亮度分布即是線擴散函數(shù)，再進一步離散傅里葉變換后進行幅值歸一化得到調(diào)制傳遞函數(shù)。

根據(jù)測試原理得到測試紫外像增強器調(diào)制傳遞函數(shù)的流程如圖1所示，根據(jù)此測試流程搭建紫外像增強器的調(diào)制傳遞函數(shù)測試系統(tǒng)，主要包括紫外成像系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)。

2 測試系統(tǒng)

基于上述測試原理，我們設計和搭建了一套紫外像增強器的MTF測試系統(tǒng)，其結構示意圖如圖2所示。

1）光源：采用氘燈作為光源，其裝配有紫外波段透過率高的優(yōu)質透紫石英雙透鏡，光譜范圍在200～400nm。照度均勻，輸出穩(wěn)定，并且是非相干的。可以通過調(diào)節(jié)光源輸出口的透鏡位置，控制輸出光斑的大小從而調(diào)節(jié)輸出紫外光的輻射照度。

2）毛玻璃和衰減片：采用石英材質的毛玻璃，是為了讓紫外光源更加均勻，并在一定程度上減弱光照。紫外衰減片采用的是中性衰減片，起到減弱紫外輻射照度作用，根據(jù)實際照度需求采用不同透過率的紫外衰減片組合。

3）紫外衰減片：由于254nm是我國紫外波段標定的波長，因此采用中心波長為254nm，半波帶寬為15nm的干涉型紫外濾光片。它的峰值透射率為23.0%，截止帶的透射率為0.1%。能夠得到窄帶寬的紫外光。

圖1 紫外像增強器的MTF測試流程

圖2 紫外像增強器的MTF測試系統(tǒng)

4）狹縫靶標：狹縫靶標采用寬度為10μm的狹縫。根據(jù)狹縫的MTF公式：

式中：為狹縫寬度；為頻率。計算得到在10lp/mm、20lp/mm、30lp/mm的MTF值分別為0.984、0.936、0.859，根據(jù)MTF的級聯(lián)性狹縫寬度對測試的結果影響較小。

同時根據(jù)單縫衍射艾里斑的角度公式：

式中：為入射光的波長，目前研究的日盲紫外波段主要為240～280nm，為狹縫寬度。狹縫越窄，紫外成像時造成的衍射現(xiàn)象越明顯，會造成成像質量變差，MTF曲線下降。因此采用的狹縫寬度不能過寬或過窄，如果狹縫寬度過大，會放大狹縫自身MTF對系統(tǒng)的影響，如果狹縫寬度過小，將導致衍射現(xiàn)象發(fā)生，影響測試結果。

5）雙分離透鏡：紫外成像時由于透鏡材料的限制，是無法像可見光成像那樣保證成像的保真度，像差是影響成像質量的主要因素[8]。目前，紫外成像多采用反射系統(tǒng)減少像差的影響，本實驗的折射系統(tǒng)中像差影響相對較大。可以采用正負透鏡組成雙分離透鏡結構，通過正負透鏡之間成像減少球差、色差等像差的影響，保證紫外成像系統(tǒng)的分辨特性。

6）紫外像增強器：紫外光通過狹縫靶標照射到光陰極面上發(fā)生光電轉換，目前常用的紫外陰極材料有CsTe、RbTe等，它們的量子效率可達20%。電子在紫外像增強器內(nèi)部通過微通道板增強后轟擊熒光屏，轉換生成可見光圖像。

7）顯微物鏡和成像鏡筒：將熒光屏上的可見光圖像成像到相機的光敏面上。為了滿足采樣要求，成像時采用10倍的物鏡對狹縫圖像進行放大。

8）CMOS：CMOS作為現(xiàn)在常用的成像器件，完成接收圖像后的采樣量化。本實驗采用的CMOS像元尺寸是0.011mm，數(shù)字輸出是8bit，并且具有良好的低照度特性。

9）計算機和軟件：完成圖像采集和數(shù)據(jù)處理，得到LSF曲線和MTF曲線。

3 實驗結果與分析

實驗中采用了國內(nèi)生產(chǎn)的3支編號分別為512374049、517333211和517323220的日盲紫外像增強器，如圖3所示。后續(xù)分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示這3支像管。

實驗過程中先在靶標成像系統(tǒng)中放入石英毛玻璃、透過率1%的衰減片、254nm的濾光片和狹縫靶標。將CMOS接上5V的電壓并通過USB數(shù)據(jù)傳輸線接到計算機，打開氘燈光源預熱。將紫外像增強器接至3V的電源，并將測試系統(tǒng)做好環(huán)境密閉工作。此時用光功率計測得入射紫外光功率約為2.0×10－10W/cm2，對焦后3支像管得到的狹縫圖像如圖4所示。

將3支像管的狹縫圖像分別進行灰度值計算、降噪處理和曲線平滑后，得到的LSF曲線如圖5所示。

圖3 紫外像增強器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ

圖4 紫外像增強器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ得到的狹縫圖像

圖5 紫外像增強器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ測試得到的LSF曲線

為了使得到的MTF曲線更準確，同時也為了驗證測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，分別對每支像管進行4次測試，得到像管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的MTF曲線分別如圖6、圖7、圖8所示。

由測試曲線可以得到3支像增強器的MTF曲線截止頻率，即MTF值為0.03對應的頻率值分別為32.93lp/mm、32.10lp/mm、33.41lp/mm。極限分辨力反映的是器件對圖像細節(jié)的分辨能力[9]，這3支像增強器在西安國防一級計量站通過USAF1951靶成像目視探測的方法測試得到的極限分辨率分別為32lp/mm、32lp/mm、34lp/mm，可以看出截止頻率和極限分辨率非常接近，測試結果比較準確。

根據(jù)4次測試的曲線計算3支像管在2.5lp/mm、7.5lp/mm、15.0lp/mm、25.0lp/mm、30.0lp/mm這幾個重要頻率點MTF平均值如表1所示。

圖6 紫外像增強器Ⅰ重復測試得到的4條MTF曲線

圖7 紫外像增強器Ⅱ重復測試得到的4條MTF曲線

圖8 紫外像增強器Ⅲ重復測試得到的4條MTF曲線

表1 重要頻率點測試得到的MTF平均值

通過對比，可以看出3支像管在高頻分段的MTF值比較接近，即對細節(jié)的分辨能力基本相同。但是在中低頻段，即對圖像的輪廓和層次傳遞上，像管Ⅲ的性能要明顯優(yōu)于像管Ⅰ和像管Ⅱ，而像管Ⅰ要略微優(yōu)于像管Ⅱ。

測試重復性采用多次測試數(shù)據(jù)的標準差作為評價標準，如公式(5)所示：

表2 重要頻率點測試得到的MTF標準差

由表格數(shù)據(jù)可以看出，3支像管在幾個重要頻率點的測試標準差均低于0.02，大部分數(shù)據(jù)是低于0.01的，測試系統(tǒng)誤差較少，測試重復性較好。

4 結論

本文針對紫外像增強器的成像質量評價搭建了一套紫外像增強器的調(diào)制傳遞函數(shù)測試系統(tǒng)。介紹了測試原理和測試裝置，并在此系統(tǒng)上對3支紫外像增強器進行了實驗，得到的MTF曲線截止頻率與測試得到的極限分辨力十分接近，并且根據(jù)MTF曲線分析對比了3支像管的成像性能。最后根據(jù)重復性測試計算得到3支像管在關鍵頻率點的MTF測試標準差均低于0.02，證明測試系統(tǒng)準確性和穩(wěn)定性較好。

[1] 王顥, 王璐子, 倪進園, 等. 日盲紫外波段電暈成像特性的仿真研究[J]. 紅外技術, 2019, 41(11): 1057-1064.

WANG Hao, WANG Luzi, NI Jinyuan, et al. Research on simulation of corona imaging at solar-blind ultraviolet band[J]., 2019, 41(11): 1057-1064.

[2] 權利, 王穎, 龍維剛, 等. 紫外圖像傳感器技術研究進展[J]. 半導體光電, 2013, 34(4): 537-541.

QUAN Li, WANG Ying, LONG Weigang, et al. Advances in UV image sensor technology[J]., 2013, 34(4): 537-541.

[3] 崔穆涵. 日盲紫外像增強器與ICCD的參量測試與輻射標定[D]. 北京: 中國科學院研究生院, 2016.

CUI Muhan. Parametric Test and Radiometric Calibration of the Solar-Blind UV Image Intensifier and Intensified CCD[D]. Beijing: Graduate School of Chinese Academy of Sciences, 2016.

[4] 朱宏權. 微通道板像增強器的調(diào)制傳遞函數(shù)的測量與研究[J]. 光子學報, 2007, 36(11): 1983-1986.

ZHU Hongquan. Measurement and research on modulation transfer function of microchannel plate image intensifier [J]., 2007, 36(11): 1983-1986.

[5] 黃賢斌. 微光像增強器調(diào)制傳遞函數(shù)測試技術研究[D]. 南京: 南京理工大學, 2017

HUANG Xianbin. Research on Testing Technology of Modulation Transfer Function of Low Light Level Image Intensifier[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2017.

[6] 倪進園, 王璐子, 王顥, 等. 微光像增強器的MTF測試技術研究[J]. 紅外技術, 2019, 41(12): 1161-1166.

NI Jinyuan, WANG Luzi, WANG Hao, et al. Research on measurement technology of the MTF of low-light level image intensifiers[J]., 2019, 41(12): 1161-1166.

[7] 陶禹, 金偉其, 王瑤, 等. 高性能近貼式像增強器的調(diào)制傳遞函數(shù)分析[J]. 光子學報, 2016, 45(6): 168-173.

TAO Yu, JIN Weiqi, WANG Yao, et al. The MTF analysis of high performance proximity image intensifier[J],, 2016, 45(6): 168-173.

[8] 何麗鵬, 林峰. 紫外工業(yè)檢測光學系統(tǒng)設計及公差分析[J]. 激光與光電子學進展, 2018, 55(10): 294-298.

HE Lipeng, LIN Feng. Design and tolerance analysis of UV industrial inspection optical system[J]., 2018, 55(10): 294-298.

[9] 賀英萍, 李敏, 尹雷, 等. 紫外像增強器分辨力和視場質量測試技術研究[J]. 應用光學, 2012, 33(2): 337-341.

HE Yingping, LI Min, YIN Lei, et al. Resolution and FOV quality of UV image intensifier[J]., 2012, 33(2): 337-341.

Design of Modulation Transfer Function Test System for Ultraviolet Image Intensifiers

SU Tianning，LIU Fengge，WANG Qiang，ZHU Rongsheng，YANG Huiqing，CHENG Shuai，JI Ming

(North Night Vision Technology Co.Ltd, Kunming 650217, China)

The ultraviolet (UV) image intensifier is the core device of an UV imaging system. Its imaging quality determines its ability to detect and image UV optical signals. The modulation transfer function (MTF) represents the system's ability to transfer information at different frequencies and is an objective indicator of image quality assessment. Based on the MTF test principle of slit imaging and the Fourier analysis method, a set of MTF test systems for UV image intensifiers is established in this study. MTF test experiments were performed on three UV image intensifiers. The MTF curve cutoff frequencies of the three UV image intensifiers were between 32 and 34 lp/mm, and the imaging quality of the three UV image intensifiers was compared based on the MTF curves. Finally, the standard deviations of the MTF values of several important frequency points obtained from repeated tests were lower than 0.02.

UV image intensifier, modulation transfer function, imaging quality, cut-off frequency, test standard deviation

TN144

A

1001-8891(2022)05-0469-06

2020-11-12；

2021-02-27.

蘇天寧（1984-），男，工程師，主要研究方向：非標專用設備設計開發(fā)、制造。E-mail：79564875@qq.com。

劉峰閣（1985-），男，工程師，主要研究方向：非標專用設備設計開發(fā)、制造。E-mail：344581813@qq.com。