像增强器在高速图像采集中的应用分析*

牛 滢，赵冬娥* ，王占选

(1．中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051;2．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，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)

在研究高速运动的过程中，高速摄影是一种有效的记录测试方法，并且在国防科技研究领域，爆炸、燃烧、穿甲、弹道、飞行姿态等研究中都获得了广泛应用［1］。为了能保证目标图像的清晰度，拍摄时，高速相机需要在极短的时间内完成曝光。但是通常情况下，因外界环境光通量较少无法满足这个要求，因此高速成像系统需要通过添加辅助照明光源进行图像的采集。由于对光源脉冲宽度和光强等参数的特殊要求，同时为解决常规成像方法成本高、获取的图像效果欠佳以及携带不够方便等问题，前人提出了解决方案，即通过在相机前增加像增强器的方法来代替辅助照明光源。但由于像增强器工作条件的改变会直接影响系统的工作情况，为此，本文以9350EOS－3－PRO三代像增强器和MC1362高速相机为实验平台，在已搭建好的高速图像采集系统的基础上，对影响像增强器工作的可能因素进行了研究与分析。

1 像增强器工作原理及特性

1．1 工作原理

像增强器是微光探测器的一种，属于探测二维弱光图像的光电器件［2］，由安装在高真空管壳内的光电阴极﹑电子光学系统和荧光屏三部分组成。像增强器整个工作过程描述为以下3部分［3］，如图1所示。

1．1．1 光子—电子转换

在微弱光照射下，光敏材料制成的光电阴极，发生光电效应逸出光电子，将输入的低能辐射图像转变为电子图像。

图1 像增强器的工作原理

1．1．2 电子加速和聚焦

电子光学系统主要有:电磁复合系统和静电系统。其中，电磁复合系统靠电场的加速和磁场的聚焦作用，静电系统靠静电场的加速和聚焦作用。通过电子光学系统后，光电阴极逸出的光电子将被加速聚焦到荧光屏上［4］。

1．1．3 电子—光子转换

高速电子轰击荧光屏后，光电子的动能通过荧光屏上的发光材料转换成光能，完成了电子—光子的转换，从而最初微弱的光信号变为较强的可见光信号。

1．2 像增强器的输入输出特性

像增强器的输入输出特性如图2所示，随着入射照度的变化，其输出亮度也在变化［5］。A、D两点的横坐标分别对应像增强器入射照度的两个临界值，入射照度小于A点时输出亮度很小且变化很小;入射照度高于D点时输出亮度趋于饱和，再无明显变化;入射照度在A和D之间时像增强器近似处于线性工作状态。由图2可知，B、C两点的位置靠近工作临界点，像增强器输出信号容易产生截止失真或者饱和失真，入射照度是影响像增强器改善成像效果的关键因素。

图2 像增强器输入和输出关系曲线

2 高速图像采集系统

实验中所用的9350EOS－3－PRO三代像增强器的接口是佳能EF卡口［6］，而MC1362高速相机是尼康F卡口，参数见表1。为了使像增强器与高速相机能够连接以便正常工作，为像增强器配备了供电模块，并利用solidworks自行制作了佳能－尼康转接口模块。

表1 卡口参数表

接口转换模块与像增强器连接图如图3(a)，高速图像采集系统实物图如图3(b)所示:①佳能－尼康转接口，②像增强器供电模块，③像增强器，④1362高速相机，⑤镜头。由表1可知F卡口的法兰距(卡口到相机成像传感器的焦平面之间的距离)比EF卡口的长2．36mm，同时由于自行加工的转接口有一定厚度，如果不进行处理系统会因为焦距不匹配无法获得清晰图像。像增强器本身没有焦距调节装置，最终通过释放像增强器上的透镜组螺纹锁紧顶丝来微调其内部透镜组位置，多次反复试验，直到获取清晰图像。

图3 像增强器接口转换模块与系统连接图

3 影响像增强器工作的可能因素分析

3．1 电压对像增强器的影响

由于1362CMOS高速相机本身不可给像增强器供电，则必须外接电源为其供电，这样就需要测试不同电压对像增强器拍摄图像有无影响。图4为直流可调稳压电源的原理图，利用它来为像增强器两端供电。图4中U0为直流可调电源，D为4．5 V稳压管，U为像增强器供电触点间电压即 A、B两端电压［7］。

图4 直流可调稳压电源

像增强器正常工作电压4．2 V，工作电流25 mA，通过直流可调电源调节像增强器两端电压U，分别拍摄在不同电压下(2．9 V到4．2 V增加)，通过像增强器拍摄图像。在室内照度为4．85 lx，相机光圈4，幅率110 frame/s，进行拍摄，选取积分时间9 000 μs一组数据进行处理［8］，如表2所示。

表2 电压－平均灰度关系表

对表2中数据进行可视化，得到关系曲线图如图5所示，平均灰度变化平缓，差异不大，可见，电压U在2．98 V～4．22 V变化对图像的平均灰度影响很小，图6和图7分别是U为2．98 V和4．22 V时的灰度直方图，其中横轴表示灰度值，纵轴表示频率。

图5 电压－平均灰度关系曲线

图6 U=2．98 V的灰度直方图

图7 U=2．98 V的灰度直方图

3．2 照度对像增强器的影响

在黑暗环境下利用添加像增强器的摄像模块拍摄同一静物，照度计测量环境照度，在不同的积分时间下拍摄图像，对图像进行处理，得到灰度均值，结果如表3所示。

对表3中数据进行可视化，得到关系曲线图如图9所示，可见平均灰度在照度位于0．10 lx处出现了明显的增长，在照度大于0．10 lx后，各条曲线变化趋势较平缓，平均灰度差异不大。另外，随着积分时间的增长，平均灰度明显增大，是由积分时间越长，电荷积累时间越长造成的。

图8 照度－积分时间－平均灰度关系曲线

表3 照度－积分时间－平均灰度关系表

4 结论

本文在利用9350EOS－3－PRO三代像增强器和MC1362高速相机搭建的高速图像采集系统的实验平台基础上，提出了两个可能影响像增强器工作的外部因素:电压及照度，并针对这两个方面进行了实验和分析。结果表明，电压在2．98 V～4．22 V之间变化时，对图像的平均灰度影响很小，也就是在这个电压区间像增强器能够正常工作。同时，通过实验数据可发现，基于像增强器的高速图像采集系统只有在低照度环境下能够改善成像效果，但在较高照度环境下容易产生饱和，其工作状态受到环境照度的很大制约。该结论可为今后的进一步研究提供理论依据。

［1］ 杨成祥，郭世明，何承基．数字式相机在靶场中的测试研究［J］．探测与控制学报，2003，25(2):9 －11．

［2］ 白雪松．微光像增强器高速脉冲门控电源技术的研究［D］．长春:长春理工大学，2009．

［3］ 王勇．微光像增强器的分辨率研究［D］．南京:南京理工大学，2011．

［4］ 王国政，李野，高延军，等．硅微通道板像增强器的研究［J］．电子器件，2008，31(1):308 －311．

［5］ 拜晓峰，苏俊宏，石峰，等．照度对测量三代微光像增强器MTF的影响分析［J］．应用光学，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．可调直流稳压电源电路的设计［J］．中国测试技术，2006，32(5):113 －115．

［8］ 张德丰．MATLAB数值分析［M］．北京:机械工业出版社，2012:97－105．