劉 彬， 胡文剛， 伍錫山， 索文凱

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 電子與光學(xué)工程系， 河北 石家莊 050003)

0 引 言

像增強(qiáng)器是夜視技術(shù)的重要組成部分， 夜視器材性能和價(jià)格很大一部分是取決于像增強(qiáng)器的性能和價(jià)格. 高性能的像增強(qiáng)器是夜視設(shè)備優(yōu)良與否的決定性因素. 作為衡量增強(qiáng)器的重要尺度， 亮度增益對(duì)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(shù)， 并且與入射圖像的照度有關(guān)[1]. 亮度增益在像增強(qiáng)器出廠時(shí)已經(jīng)標(biāo)定好， 為了可以在使用過(guò)程中檢測(cè)亮度增益是否出現(xiàn)較大的變化， 我們需要一個(gè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè). 現(xiàn)在大部分檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)廠家， 南京理工大學(xué)曾制作了一個(gè)亮度增益檢測(cè)系統(tǒng)， 可以較好地實(shí)現(xiàn)亮度增益的檢測(cè)， 北方夜視等像管生產(chǎn)廠家也有自己的檢測(cè)設(shè)備[2-4]. 我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)體積相對(duì)較小、 便于移動(dòng)的微光像增強(qiáng)器檢測(cè)系統(tǒng)， 利用像增強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)亮度增益測(cè)量進(jìn)行檢驗(yàn). 使用像增強(qiáng)器檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)XX1470型像管進(jìn)行分析測(cè)量， 檢驗(yàn)像增強(qiáng)器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)亮度增益測(cè)量的準(zhǔn)確性和一致性， 同時(shí)對(duì)亮度增益檢測(cè)進(jìn)行理論分析.

1 亮度增益測(cè)試?yán)碚?/h2>

增益是電子學(xué)的一個(gè)概念， 廣義上來(lái)說(shuō)， 是一個(gè)系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比率. 像增強(qiáng)器的亮度增益通用的定義為：像增強(qiáng)器在標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量時(shí)用亮度差來(lái)表示， 亮度增益的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

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

根據(jù)上面的原理設(shè)計(jì)像增強(qiáng)器檢測(cè)系統(tǒng)， 其原理如圖 1 所示， 光源發(fā)出的光經(jīng)衰減后通過(guò)被測(cè)像管， 信號(hào)采集單元分別采集有光照條件下和無(wú)光照條件下測(cè)試器件的輸出光亮度， 將采集到的信號(hào)和陰極面上的照度信號(hào)一起送到信息處理單元[8]， 經(jīng)過(guò)處理便可得到被測(cè)像增強(qiáng)器的亮度增益.

圖 1 像增強(qiáng)器檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the image intensifier detection system

如圖 1， 本次實(shí)驗(yàn)所用的測(cè)量?jī)x器為微光像增強(qiáng)器檢測(cè)系統(tǒng)， 主要由微光目標(biāo)發(fā)生器、 像增強(qiáng)器夾具、 信號(hào)采集單元、 信息處理單元、 顯示單元5部分組成. 該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種型號(hào)的像增強(qiáng)器亮度增益的檢測(cè). 微光目標(biāo)發(fā)生器采用LED光源經(jīng)衰減片衰減， 再經(jīng)過(guò)可調(diào)節(jié)衰減器， 將入射光調(diào)到合適的照度. 此次實(shí)驗(yàn)， 照度調(diào)節(jié)有3個(gè)檔位， 分別是衰減度T=1,T=10%,T=1%， 信號(hào)采集由光電倍增管完成[9,10]. 像增強(qiáng)器夾具主要是用來(lái)固定像增強(qiáng)器.
圖 2 是系統(tǒng)實(shí)物圖的俯視圖.

圖 2 像增強(qiáng)器檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.2 Image intensifier detection system physical map

2 試驗(yàn)和結(jié)果

我們進(jìn)行了3組實(shí)驗(yàn)， 分別是測(cè)量?jī)x器開(kāi)機(jī)后進(jìn)行1 h的連續(xù)測(cè)量， 對(duì)像增強(qiáng)器維護(hù)0.5 h后進(jìn)行10次測(cè)量和不同照度下的測(cè)量， 目的是檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)亮度增益測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性.

第1組實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行連續(xù)測(cè)量， 時(shí)間間隔3 min， 測(cè)量時(shí)間持續(xù)1 h. 測(cè)量結(jié)果如圖 3 所示， 其中*線是實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)， 并直接相連， 直線線條是對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行歸一化處理后的結(jié)果.
圖 4 是系統(tǒng)正在進(jìn)行亮度增益測(cè)量的工作界面.

圖 3 亮度增益測(cè)量結(jié)果Fig.3 Brightness gain measurement results

第2組實(shí)驗(yàn)是對(duì)像增強(qiáng)器維護(hù)0.5 h后進(jìn)行的測(cè)量. 測(cè)量結(jié)果如表 1 所示.

表 1 像管3次測(cè)量結(jié)果Tab.1 Three measurements of the image tube

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

第3組實(shí)驗(yàn)是對(duì)不同照度條件下測(cè)量亮度增益. 測(cè)量結(jié)果如表 2 所示.

表 2 不同照度下亮度增益測(cè)量結(jié)果Tab.2 Luminance gain measurement results under different illumination

實(shí)驗(yàn)中像增強(qiáng)器正常工作所需的2.65 V直流電壓由設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電路提供. 光源開(kāi)關(guān)控制是通過(guò)繼電器完成的， 進(jìn)行亮度的測(cè)量時(shí)， 有光入射時(shí)的照度和無(wú)光入射時(shí)的照度都由CCD進(jìn)行采集， 然后通過(guò)信號(hào)處理模塊進(jìn)行處理， 最終結(jié)果將在嵌入式顯示屏上顯示.

照度的衰減通過(guò)固定衰減片和可變衰減共同實(shí)現(xiàn). 固定衰減是在光源出射孔放置3個(gè)中性衰減片， 衰減率為1%. 可變衰減是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)輪控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 在轉(zhuǎn)輪控制的一端有3個(gè)孔的圓盤(pán)， 在其中兩個(gè)孔安裝上衰減片， 規(guī)格分別是T=10%和T=1%， 剩下的一個(gè)為空， 相當(dāng)于光沒(méi)有進(jìn)行衰減直接照射.

3 分析與討論

實(shí)驗(yàn)中， 由圖 1 可以看出， 亮度增益測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間的變化而變化， 大體趨勢(shì)是前15 min為上升， 亮度增益逐漸增大. 15 min， 亮度增益測(cè)量結(jié)果基本穩(wěn)定. 30 min 后， 結(jié)果更加平穩(wěn).

像增強(qiáng)器實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、 能量增強(qiáng)以及發(fā)光顯示3個(gè)過(guò)程完成的. 利用外光電效應(yīng)， 像增強(qiáng)器即像管的陰極將輸入的輻射信息轉(zhuǎn)換為電子信息， 這些輻射信息以量子形態(tài)入射進(jìn)入光電發(fā)射體， 從而激發(fā)光電發(fā)射體內(nèi)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(tài)下才成立. 在光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中， 形成的光電子流一開(kāi)始并未達(dá)到飽和， 這需要一個(gè)過(guò)程. 發(fā)光顯示一般是通過(guò)熒光屏來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 我們所使用的熒光屏一般是由利用晶態(tài)磷光體特性制成的， 晶態(tài)磷光體受到電子轟擊會(huì)發(fā)光， 在這個(gè)發(fā)光過(guò)程中受激電子不是全部發(fā)射出去， 有一部分被局部能級(jí)俘獲， 這樣就會(huì)產(chǎn)生發(fā)光延遲， 因此造成熒光屏發(fā)光強(qiáng)度增長(zhǎng)過(guò)程會(huì)有滯后， 不能立即達(dá)到額定值. 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)， 像增強(qiáng)器是一個(gè)真空光電器件， 其工作過(guò)程與電子受激輻射有關(guān)， 使電子受激輻射達(dá)到一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)， 需要一定時(shí)間.

實(shí)驗(yàn)2也驗(yàn)證了這個(gè)問(wèn)題， 對(duì)像增強(qiáng)器進(jìn)行30 min的通電維護(hù)后， 像增強(qiáng)器基本達(dá)到了穩(wěn)定的工作狀態(tài)， 對(duì)其進(jìn)行的亮度增益測(cè)量結(jié)果也比較穩(wěn)定.

實(shí)驗(yàn)3表明了光的照度和亮度增益有關(guān)， 亮度增益測(cè)量一般都是在10-5lx下進(jìn)行的. 在照度發(fā)生變化時(shí)， 亮度增益也隨之變化. 我們測(cè)量在10-4lx下沒(méi)有顯示結(jié)果， 主要是在設(shè)計(jì)中我們?cè)O(shè)置了測(cè)量限制， 所以在10-4lx下沒(méi)有測(cè)量結(jié)果. 在10-6lx下， 亮度增益明顯變小， 說(shuō)明入射照度小， 亮度增益也隨之變小.

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述， 所研制的像增強(qiáng)器亮度增益測(cè)試系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)量像增強(qiáng)器的亮度增益， 重復(fù)測(cè)量結(jié)果一致性比較好， 能夠滿足裝備日常檢測(cè)和維護(hù). 在進(jìn)行亮度增益測(cè)試時(shí)， 對(duì)不經(jīng)常使用的像增強(qiáng)器進(jìn)行測(cè)量時(shí)， 進(jìn)行0.5 h的通電維護(hù)后再進(jìn)行測(cè)量， 既可以使測(cè)量結(jié)果更為精確， 又使像增強(qiáng)器保持良好的工作狀態(tài). 我們?cè)谠O(shè)計(jì)中使用的LED光源既可以方便更換， 同時(shí)可以減少長(zhǎng)時(shí)間使用造成光源色溫升高帶來(lái)的影響.