像增強器在高速圖像采集中的應用分析*

牛 瀅，趙冬娥* ，王占選

(1．中北大學電子測試技術重點實驗室，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，太原030051)

NIU Ying1，2，ZHAO Dong’e1，2* ，WANGZhanxuan1，2

(1．National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China;2．Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

在研究高速運動的過程中，高速攝影是一種有效的記錄測試方法，并且在國防科技研究領域，爆炸、燃燒、穿甲、彈道、飛行姿態等研究中都獲得了廣泛應用［1］。為了能保證目標圖像的清晰度，拍攝時，高速相機需要在極短的時間內完成曝光。但是通常情況下，因外界環境光通量較少無法滿足這個要求，因此高速成像系統需要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，同時為解決常規成像方法成本高、獲取的圖像效果欠佳以及攜帶不夠方便等問題，前人提出了解決方案，即通過在相機前增加像增強器的方法來代替輔助照明光源。但由于像增強器工作條件的改變會直接影響系統的工作情況，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，在已搭建好的高速圖像采集系統的基礎上，對影響像增強器工作的可能因素進行了研究與分析。

1 像增強器工作原理及特性

1．1 工作原理

像增強器是微光探測器的一種，屬于探測二維弱光圖像的光電器件［2］，由安裝在高真空管殼內的光電陰極﹑電子光學系統和熒光屏三部分組成。像增強器整個工作過程描述為以下3部分［3］，如圖1所示。

1．1．1 光子—電子轉換

在微弱光照射下，光敏材料制成的光電陰極，發生光電效應逸出光電子，將輸入的低能輻射圖像轉變為電子圖像。

圖1 像增強器的工作原理

1．1．2 電子加速和聚焦

電子光學系統主要有:電磁復合系統和靜電系統。其中，電磁復合系統靠電場的加速和磁場的聚焦作用，靜電系統靠靜電場的加速和聚焦作用。通過電子光學系統后，光電陰極逸出的光電子將被加速聚焦到熒光屏上［4］。

1．1．3 電子—光子轉換

高速電子轟擊熒光屏后，光電子的動能通過熒光屏上的發光材料轉換成光能，完成了電子—光子的轉換，從而最初微弱的光信號變為較強的可見光信號。

1．2 像增強器的輸入輸出特性

像增強器的輸入輸出特性如圖2所示，隨著入射照度的變化，其輸出亮度也在變化［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，入射照度小于A點時輸出亮度很小且變化很小;入射照度高于D點時輸出亮度趨于飽和，再無明顯變化;入射照度在A和D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。

圖2 像增強器輸入和輸出關系曲線

2 高速圖像采集系統

實驗中所用的9350EOS－3－PRO三代像增強器的接口是佳能EF卡口［6］，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以便正常工作，為像增強器配備了供電模塊，并利用solidworks自行制作了佳能－尼康轉接口模塊。

表1 卡口參數表

接口轉換模塊與像增強器連接圖如圖3(a)，高速圖像采集系統實物圖如圖3(b)所示: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，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，多次反復試驗，直到獲取清晰圖像。

圖3 像增強器接口轉換模塊與系統連接圖

3 影響像增強器工作的可能因素分析

3．1 電壓對像增強器的影響

由于1362CMOS高速相機本身不可給像增強器供電，則必須外接電源為其供電，這樣就需要測試不同電壓對像增強器拍攝圖像有無影響。圖4為直流可調穩壓電源的原理圖，利用它來為像增強器兩端供電。圖4中U0為直流可調電源，D為4．5 V穩壓管，U為像增強器供電觸點間電壓即 A、B兩端電壓［7］。

圖4 直流可調穩壓電源

像增強器正常工作電壓4．2 V，工作電流25 mA，通過直流可調電源調節像增強器兩端電壓U，分別拍攝在不同電壓下(2．9 V到4．2 V增加)，通過像增強器拍攝圖像。在室內照度為4．85 lx，相機光圈4，幅率110 frame/s，進行拍攝，選取積分時間9 000 μs一組數據進行處理［8］，如表2所示。

表2 電壓－平均灰度關系表

對表2中數據進行可視化，得到關系曲線圖如圖5所示，平均灰度變化平緩，差異不大，可見，電壓U在2．98 V～4．22 V變化對圖像的平均灰度影響很小，圖6和圖7分別是U為2．98 V和4．22 V時的灰度直方圖，其中橫軸表示灰度值，縱軸表示頻率。

圖5 電壓－平均灰度關系曲線

圖6 U=2．98 V的灰度直方圖

圖7 U=2．98 V的灰度直方圖

3．2 照度對像增強器的影響

在黑暗環境下利用添加像增強器的攝像模塊拍攝同一靜物，照度計測量環境照度，在不同的積分時間下拍攝圖像，對圖像進行處理，得到灰度均值，結果如表3所示。

對表3中數據進行可視化，得到關系曲線圖如圖9所示，可見平均灰度在照度位于0．10 lx處出現了明顯的增長，在照度大于0．10 lx后，各條曲線變化趨勢較平緩，平均灰度差異不大。另外，隨著積分時間的增長，平均灰度明顯增大，是由積分時間越長，電荷積累時間越長造成的。

圖8 照度－積分時間－平均灰度關系曲線

表3 照度－積分時間－平均灰度關系表

4 結論

本文在利用9350EOS－3－PRO三代像增強器和MC1362高速相機搭建的高速圖像采集系統的實驗平臺基礎上，提出了兩個可能影響像增強器工作的外部因素:電壓及照度，并針對這兩個方面進行了實驗和分析。結果表明，電壓在2．98 V～4．22 V之間變化時，對圖像的平均灰度影響很小，也就是在這個電壓區間像增強器能夠正常工作。同時，通過實驗數據可發現，基于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。該結論可為今后的進一步研究提供理論依據。

［1］ 楊成祥，郭世明，何承基．數字式相機在靶場中的測試研究［J］．探測與控制學報，2003，25(2):9 －11．

［2］ 白雪松．微光像增強器高速脈沖門控電源技術的研究［D］．長春:長春理工大學，2009．

［3］ 王勇．微光像增強器的分辨率研究［D］．南京:南京理工大學，2011．

［4］ 王國政，李野，高延軍，等．硅微通道板像增強器的研究［J］．電子器件，2008，31(1):308 －311．

［5］ 拜曉峰，蘇俊宏，石峰，等．照度對測量三代微光像增強器MTF的影響分析［J］．應用光學，2010，31(2):297－300．

［6］ AstroScope Night Vision Module for Canon EOS dSLR Cameras．EC －NV_CanonSLR －v09［Z］．2010:9－10．

［7］ 王翠珍，唐金元．可調直流穩壓電源電路的設計［J］．中國測試技術，2006，32(5):113 －115．

［8］ 張德豐．MATLAB數值分析［M］．北京:機械工業出版社，2012:97－105．