像增強器亮度增益檢測技術研究

劉 彬， 胡文剛， 伍錫山， 索文凱

(陸軍工程大學石家莊校區 電子與光學工程系， 河北 石家莊 050003)

0 引 言

像增強器是夜視技術的重要組成部分， 夜視器材性能和價格很大一部分是取決于像增強器的性能和價格. 高性能的像增強器是夜視設備優良與否的決定性因素. 作為衡量增強器的重要尺度， 亮度增益對成像有重大影響. 亮度增益是用于描述像管性能的重要參數， 并且與入射圖像的照度有關[1]. 亮度增益在像增強器出廠時已經標定好， 為了可以在使用過程中檢測亮度增益是否出現較大的變化， 我們需要一個系統對其進行檢測. 現在大部分檢測系統在實驗室和生產廠家， 南京理工大學曾制作了一個亮度增益檢測系統， 可以較好地實現亮度增益的檢測， 北方夜視等像管生產廠家也有自己的檢測設備[2-4]. 我們設計一個體積相對較小、 便于移動的微光像增強器檢測系統， 利用像增強檢測系統對亮度增益測量進行檢驗. 使用像增強器檢測系統對XX1470型像管進行分析測量， 檢驗像增強器監測系統對亮度增益測量的準確性和一致性， 同時對亮度增益檢測進行理論分析.

1 亮度增益測試理論

增益是電子學的一個概念， 廣義上來說， 是一個系統輸出信號與輸入信號的比率. 像增強器的亮度增益通用的定義為：像增強器在標準光源照射下， 熒光屏上的光出射度與入射到陰極面上的照度之比[5-7]. 即

式中：GL為亮度增益；M為熒光屏上的光出射度；EV為陰極面上的照度.

熒光屏上光出射度在測量時用亮度差來表示， 亮度增益的數學表達式為

式中：GL為亮度增益；L1為有光輸入時， 熒光屏上的法向亮度；L2為無光輸入時， 熒光屏上的法向亮度；EV為陰極面上的照度.

根據上面的原理設計像增強器檢測系統， 其原理如圖 1 所示， 光源發出的光經衰減后通過被測像管， 信號采集單元分別采集有光照條件下和無光照條件下測試器件的輸出光亮度， 將采集到的信號和陰極面上的照度信號一起送到信息處理單元[8]， 經過處理便可得到被測像增強器的亮度增益.

圖 1 像增強器檢測系統原理框圖Fig.1 Block diagram of the image intensifier detection system

如圖 1， 本次實驗所用的測量儀器為微光像增強器檢測系統， 主要由微光目標發生器、 像增強器夾具、 信號采集單元、 信息處理單元、 顯示單元5部分組成. 該系統可以實現對多種型號的像增強器亮度增益的檢測. 微光目標發生器采用LED光源經衰減片衰減， 再經過可調節衰減器， 將入射光調到合適的照度. 此次實驗， 照度調節有3個檔位， 分別是衰減度T=1,T=10%,T=1%， 信號采集由光電倍增管完成[9,10]. 像增強器夾具主要是用來固定像增強器.
圖 2 是系統實物圖的俯視圖.

圖 2 像增強器檢測系統實物圖Fig.2 Image intensifier detection system physical map

2 試驗和結果

我們進行了3組實驗， 分別是測量儀器開機后進行1 h的連續測量， 對像增強器維護0.5 h后進行10次測量和不同照度下的測量， 目的是檢驗所設計的系統對亮度增益測量結果的準確性及穩定性.

第1組實驗是進行連續測量， 時間間隔3 min， 測量時間持續1 h. 測量結果如圖 3 所示， 其中*線是實際測量的數據， 并直接相連， 直線線條是對測量結果進行歸一化處理后的結果.
圖 4 是系統正在進行亮度增益測量的工作界面.

圖 3 亮度增益測量結果Fig.3 Brightness gain measurement results

第2組實驗是對像增強器維護0.5 h后進行的測量. 測量結果如表 1 所示.

表 1 像管3次測量結果Tab.1 Three measurements of the image tube

圖 4 亮度增益檢測Fig.4 Brightness gain detection

第3組實驗是對不同照度條件下測量亮度增益. 測量結果如表 2 所示.

表 2 不同照度下亮度增益測量結果Tab.2 Luminance gain measurement results under different illumination

實驗中像增強器正常工作所需的2.65 V直流電壓由設計的直流穩壓電路提供. 光源開關控制是通過繼電器完成的， 進行亮度的測量時， 有光入射時的照度和無光入射時的照度都由CCD進行采集， 然后通過信號處理模塊進行處理， 最終結果將在嵌入式顯示屏上顯示.

照度的衰減通過固定衰減片和可變衰減共同實現. 固定衰減是在光源出射孔放置3個中性衰減片， 衰減率為1%. 可變衰減是通過一個轉輪控制來實現的， 在轉輪控制的一端有3個孔的圓盤， 在其中兩個孔安裝上衰減片， 規格分別是T=10%和T=1%， 剩下的一個為空， 相當于光沒有進行衰減直接照射.

3 分析與討論

實驗中， 由圖 1 可以看出， 亮度增益測量結果隨時間的變化而變化， 大體趨勢是前15 min為上升， 亮度增益逐漸增大. 15 min， 亮度增益測量結果基本穩定. 30 min 后， 結果更加平穩.

像增強器實現圖像增強是通過光電轉換、 能量增強以及發光顯示3個過程完成的. 利用外光電效應， 像增強器即像管的陰極將輸入的輻射信息轉換為電子信息， 這些輻射信息以量子形態入射進入光電發射體， 從而激發光電發射體內的電子， 形成的光電子流密度越大， 入射輻射通量密度越大， 兩者之間成正比， 只有處于飽和狀態下才成立. 在光電轉換過程中， 形成的光電子流一開始并未達到飽和， 這需要一個過程. 發光顯示一般是通過熒光屏來實現的， 我們所使用的熒光屏一般是由利用晶態磷光體特性制成的， 晶態磷光體受到電子轟擊會發光， 在這個發光過程中受激電子不是全部發射出去， 有一部分被局部能級俘獲， 這樣就會產生發光延遲， 因此造成熒光屏發光強度增長過程會有滯后， 不能立即達到額定值. 簡單來說， 像增強器是一個真空光電器件， 其工作過程與電子受激輻射有關， 使電子受激輻射達到一個比較穩定的狀態， 需要一定時間.

實驗2也驗證了這個問題， 對像增強器進行30 min的通電維護后， 像增強器基本達到了穩定的工作狀態， 對其進行的亮度增益測量結果也比較穩定.

實驗3表明了光的照度和亮度增益有關， 亮度增益測量一般都是在10-5lx下進行的. 在照度發生變化時， 亮度增益也隨之變化. 我們測量在10-4lx下沒有顯示結果， 主要是在設計中我們設置了測量限制， 所以在10-4lx下沒有測量結果. 在10-6lx下， 亮度增益明顯變小， 說明入射照度小， 亮度增益也隨之變小.

4 結束語

綜上所述， 所研制的像增強器亮度增益測試系統能夠較為準確地測量像增強器的亮度增益， 重復測量結果一致性比較好， 能夠滿足裝備日常檢測和維護. 在進行亮度增益測試時， 對不經常使用的像增強器進行測量時， 進行0.5 h的通電維護后再進行測量， 既可以使測量結果更為精確， 又使像增強器保持良好的工作狀態. 我們在設計中使用的LED光源既可以方便更換， 同時可以減少長時間使用造成光源色溫升高帶來的影響.