基于三代像增強器的高速圖像采集方法

王占選，趙冬娥，劉 吉，于 爽，王 磊

（1.中北大學電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

在國防科技研究領域，爆炸、燃燒、穿甲、彈道、飛行姿態等研究都離不開高速攝影［1］。要想準確采集清晰、無拖尾的目標圖像，高速相機的圖像傳感器需要在極短的時間內（通常在微秒級別）積累足夠數量的光電荷完成曝光，而外界環境光照無法滿足對光通量的要求，一直以來高速成像系統都是通過添加輔助照明光源進行圖像的采集。由于對光源脈沖寬度和光強等參數的特殊要求，常規成像方法存在成本高、通過輔助照明獲取的圖像效果欠佳以及在戶外使用不夠方便等問題。為此，本文以9350EOS-3-PRO 三代像增強器和MC1362 高速相機為實驗平臺，提出了利用像增強器進行高速圖像采集的方法。

1 圖像增強原理及其輸入輸出特性

三代像增強器［2-4］是一種可以將微弱的光圖像增強的光電器件，由高真空管內的光電陰極、微通道板（MCP）和熒光屏三部分組成，其工作原理如圖1所示。由光敏材料制作的光電陰極在微弱光照射下產生光電效應逸出光電子，用于將外界輸入的低能量輻射圖像信息轉變成與之對應的電子密度分布圖像輸出；微通道板是像增強的核心器件，用于將輸入的電子數量成千上萬倍的增加，由雙MCP 組成的像增強核心單元由于強大的電子倍增能力容易產生飽和從而降低了增強器的動態范圍；由MCP 輸出的倍增電子在幾千伏的電勢場中加速轟擊綠色熒光屏，產生熒光輸出，從而實現電子圖像到光子圖像的轉變。

圖1 像增強器的工作原理Fig.1 The working principle of image intensifier

通常情況下，三代像增強器的輸入輸出特性如圖2所示，其輸出亮度隨入射照度的變化而變化［5］。A、D 兩點的橫坐標分別對應像增強器入射照度的兩個臨界值Es和Em，入射照度小于Es時熒光屏輸出亮度很小；入射照度高于Em時輸出亮度產生飽和；入射照度在Em和Es之間時像增強器近似處于線性工作狀態。由圖2可知，B、C 兩點的位置靠近工作臨界點，像增強器輸出信號容易產生截止失真或者飽和失真，入射照度是影響像增強器改善成像效果的關鍵因素。

2 接口轉換模塊

實驗中所用的9350EOS-3-PRO 三代像增強器的接口是佳能EF 卡口，而MC1362高速相機是尼康F卡口，參數見表1。為了使像增強器與高速相機能夠連接工作以便后續分析，首先需要對其接口轉換模塊進行設計，重點要解決兩個問題：一是像增強器供電模塊的設計，二是轉接口的制作和像增強器的調焦。

圖2 像增強器輸入和輸出關系曲線Fig.2 Vs.input and output of image intensifier

表1 卡口參數表Tab.1 parameters of EF and F bayonets

2.1 供電模塊設計

實驗所用的像增強器與EF卡口佳能單反相機匹配工作時可由相機對其直接供電，但MC1362高速相機本身沒有供電觸點與其連接，需要專門設計像增強器的供電模塊。

通過查閱佳能EOS 5D 單反相機與其鏡頭連接的八個觸點的功能可得，像增強器的供電觸點和接地觸點分別為①和②，如圖3所示。為了獲知像增強器正常工作時需要的電壓，將開槽以后的近射環連接至佳能相機，兩個觸點通過導線引出，在正常拍攝狀態下用萬用表測得的像增強器工作時的電壓為4.2V。

圖3 像增強器的供電觸點Fig.3 Power contacts of image intensifier

供電模塊原理圖如圖4所示。電源由4節1.2 V 電池容量為800mAh的鎳氫電池串聯組成，整個裝置配有電源充電插頭、開關和指示燈。兩個鍺二極管串聯用于產生0.6V 的壓降通過供電觸點給像增強器提供4.2V 的供電電壓。

圖4 供電模塊原理圖Fig.4 The principle of the power supply module

2.2 轉接口設計

通過調研發現市面上沒有佳能-尼康轉接口，該接口利用solidworks自行設計制作。最終，將接口轉換模塊與像增強器連接到一塊的實物圖以及高速圖像采集系統實物圖分別見圖5（a）和圖5（b）：①佳能-尼康轉接口，②像增強器供電模塊，③像增強器，④1362高速相機，⑤鏡頭。由表1可知F卡口的法蘭距（卡口到相機成像傳感器的焦平面之間的距離）比EF卡口的長2.36mm，同時由于自行加工的轉接口有一定厚度，這會造成像增強器的成像平面位于1362高速相機的COMS 圖像傳感器平面的前方，如果不進行處理系統會因為焦距不匹配無法獲得清晰圖像。像增強器本身沒有焦距調節裝置，最終通過釋放像增強器上的透鏡組螺紋鎖緊頂絲來微調其內部透鏡組位置，利用高速圖像采集系統實際取景，多次反復試驗，直到獲取清晰圖像。

圖5 像增強器接口轉換模塊與系統連接圖Fig.5 The connection between image intensifier interface converter module and system

3 可行性驗證與分析

3.1 像增強器的光譜響應

像增強器熒光屏上有一種綠色熒光物質，圖像采集系統通過其拍攝得到的是一幅幅綠色照片。為了驗證其光譜響應特性是否與高速相機匹配，實驗中利用Ocean Optics USB4000微型光纖光譜儀進行像增強器成像的光譜分析，實驗裝置如圖6所示。

圖6 像增強器的光譜分析Fig.6 The spectral analysis of image intensifier

為了避免外界環境光的干擾，將整個裝置置于黑色絨布內進行，利用中心波長668nm 的紅光LED 作為測試光源照射已上電的像增強器，通過光譜儀測得像增強器輸出端的的光譜圖像如圖7 所示，中心波長變為543.98nm，屬于綠光范圍。利用日光燈作為測試光源重新進行測試，像增強器添加前后的光譜圖像的中心波長分別為545.11nm、543.98nm。由此可知，光源通過像增強器以后輸出的光譜成分主要集中在中心波長543.98nm附近。

圖7 紅光LED 透過像增強器輸出的光譜圖像Fig.7 Spectral image of red LED through the image intensifier

實驗所用的MC1362 高速相機的光譜響應曲線如圖8所示，由圖可知該款高速相機對中心波長為543.98nm 附近的入射光有著很高的響應靈敏度，從光譜響應方面考慮像增強器可以與高速相機匹配工作。

3.2 采集系統的亮度增益

亮度增益反映了像增強器對于輸入光信號的放大能力［5-6］，是衡量高速相機和像增強器匹配工作時采集系統對目標識別能力的重要參數。利用如圖5（b）所示的添加像增強器后的高速圖像采集系統在夜晚黑暗環境下對目標進行拍攝，用閃光燈的恒發光模式調節環境亮度（為了使照度在較低范圍內微調，閃光燈的出光面用黑色尼龍布遮擋），用照度計對環境亮度進行測量，通過調節高速相機的積分時間拍攝多組圖像，利用Matlab對目標圖像進行處理得出其平均灰度值。最終，對實驗數據進行匯總整理得出采集系統的照度（環境亮度）-曝光時間（積分時間）-平均灰度三者的關系曲線如圖9所示（抽取低照度環境下工作時三者的關系曲線，較高照度環境下工作時由于其圖像平均灰度值已不隨照度變化而變化，故在曲線中省略）。

通過三者的關系曲線可知，三代像增強器應用于高速圖像采集時只有在低照度（約0.12lx）范圍內才能夠明顯改善成像效果，但在較高照度環境下工作時采集系統容易發生飽和，隨著照度的增加對成像效果的改善程度逐漸減小，甚至產生圖像模糊。

圖8 MC1362高速相機光譜響應Fig.8 Spectral response of MC1362high speed camera

圖9 照度-積分時間-平均灰度關系曲線Fig.9 Curves of illumination-integration time-average gray

4 結論

本文提出了利用像增強器進行高速圖像采集的方法。該方法以9350EOS-3-PRO 三代像增強器和MC1362高速相機為實驗平臺，設計了二者之間的接口轉換模塊使之能夠很好地匹配連接，從光譜響應和亮度增益兩個方面對圖像采集系統進行實驗和分析。結果表明，基于三代像增強器的高速圖像采集系統只有在低照度環境下能夠改善成像效果，但在較高照度環境下容易產生飽和，其工作狀態受到環境照度的很大制約。四代像增強器通過自動脈沖門控電源技術彌補了三代像增強器無法工作于較高照度環境的不足，上限可達1 000lx，有望在高速攝影領域得到較好應用，有待進一步驗證。

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