像增强器亮度增益检测技术研究

刘 彬， 胡文刚， 伍锡山， 索文凯

(陆军工程大学石家庄校区 电子与光学工程系， 河北 石家庄 050003)

0 引 言

像增强器是夜视技术的重要组成部分， 夜视器材性能和价格很大一部分是取决于像增强器的性能和价格. 高性能的像增强器是夜视设备优良与否的决定性因素. 作为衡量增强器的重要尺度， 亮度增益对成像有重大影响. 亮度增益是用于描述像管性能的重要参数， 并且与入射图像的照度有关[1]. 亮度增益在像增强器出厂时已经标定好， 为了可以在使用过程中检测亮度增益是否出现较大的变化， 我们需要一个系统对其进行检测. 现在大部分检测系统在实验室和生产厂家， 南京理工大学曾制作了一个亮度增益检测系统， 可以较好地实现亮度增益的检测， 北方夜视等像管生产厂家也有自己的检测设备[2-4]. 我们设计一个体积相对较小、 便于移动的微光像增强器检测系统， 利用像增强检测系统对亮度增益测量进行检验. 使用像增强器检测系统对XX1470型像管进行分析测量， 检验像增强器监测系统对亮度增益测量的准确性和一致性， 同时对亮度增益检测进行理论分析.

1 亮度增益测试理论

增益是电子学的一个概念， 广义上来说， 是一个系统输出信号与输入信号的比率. 像增强器的亮度增益通用的定义为：像增强器在标准光源照射下， 荧光屏上的光出射度与入射到阴极面上的照度之比[5-7]. 即

式中：GL为亮度增益；M为荧光屏上的光出射度；EV为阴极面上的照度.

荧光屏上光出射度在测量时用亮度差来表示， 亮度增益的数学表达式为

式中：GL为亮度增益；L1为有光输入时， 荧光屏上的法向亮度；L2为无光输入时， 荧光屏上的法向亮度；EV为阴极面上的照度.

根据上面的原理设计像增强器检测系统， 其原理如图 1 所示， 光源发出的光经衰减后通过被测像管， 信号采集单元分别采集有光照条件下和无光照条件下测试器件的输出光亮度， 将采集到的信号和阴极面上的照度信号一起送到信息处理单元[8]， 经过处理便可得到被测像增强器的亮度增益.

图 1 像增强器检测系统原理框图Fig.1 Block diagram of the image intensifier detection system

如图 1， 本次实验所用的测量仪器为微光像增强器检测系统， 主要由微光目标发生器、 像增强器夹具、 信号采集单元、 信息处理单元、 显示单元5部分组成. 该系统可以实现对多种型号的像增强器亮度增益的检测. 微光目标发生器采用LED光源经衰减片衰减， 再经过可调节衰减器， 将入射光调到合适的照度. 此次实验， 照度调节有3个档位， 分别是衰减度T=1,T=10%,T=1%， 信号采集由光电倍增管完成[9,10]. 像增强器夹具主要是用来固定像增强器.
图 2 是系统实物图的俯视图.

图 2 像增强器检测系统实物图Fig.2 Image intensifier detection system physical map

2 试验和结果

我们进行了3组实验， 分别是测量仪器开机后进行1 h的连续测量， 对像增强器维护0.5 h后进行10次测量和不同照度下的测量， 目的是检验所设计的系统对亮度增益测量结果的准确性及稳定性.

第1组实验是进行连续测量， 时间间隔3 min， 测量时间持续1 h. 测量结果如图 3 所示， 其中*线是实际测量的数据， 并直接相连， 直线线条是对测量结果进行归一化处理后的结果.
图 4 是系统正在进行亮度增益测量的工作界面.

图 3 亮度增益测量结果Fig.3 Brightness gain measurement results

第2组实验是对像增强器维护0.5 h后进行的测量. 测量结果如表 1 所示.

表 1 像管3次测量结果Tab.1 Three measurements of the image tube

图 4 亮度增益检测Fig.4 Brightness gain detection

第3组实验是对不同照度条件下测量亮度增益. 测量结果如表 2 所示.

表 2 不同照度下亮度增益测量结果Tab.2 Luminance gain measurement results under different illumination

实验中像增强器正常工作所需的2.65 V直流电压由设计的直流稳压电路提供. 光源开关控制是通过继电器完成的， 进行亮度的测量时， 有光入射时的照度和无光入射时的照度都由CCD进行采集， 然后通过信号处理模块进行处理， 最终结果将在嵌入式显示屏上显示.

照度的衰减通过固定衰减片和可变衰减共同实现. 固定衰减是在光源出射孔放置3个中性衰减片， 衰减率为1%. 可变衰减是通过一个转轮控制来实现的， 在转轮控制的一端有3个孔的圆盘， 在其中两个孔安装上衰减片， 规格分别是T=10%和T=1%， 剩下的一个为空， 相当于光没有进行衰减直接照射.

3 分析与讨论

实验中， 由图 1 可以看出， 亮度增益测量结果随时间的变化而变化， 大体趋势是前15 min为上升， 亮度增益逐渐增大. 15 min， 亮度增益测量结果基本稳定. 30 min 后， 结果更加平稳.

像增强器实现图像增强是通过光电转换、 能量增强以及发光显示3个过程完成的. 利用外光电效应， 像增强器即像管的阴极将输入的辐射信息转换为电子信息， 这些辐射信息以量子形态入射进入光电发射体， 从而激发光电发射体内的电子， 形成的光电子流密度越大， 入射辐射通量密度越大， 两者之间成正比， 只有处于饱和状态下才成立. 在光电转换过程中， 形成的光电子流一开始并未达到饱和， 这需要一个过程. 发光显示一般是通过荧光屏来实现的， 我们所使用的荧光屏一般是由利用晶态磷光体特性制成的， 晶态磷光体受到电子轰击会发光， 在这个发光过程中受激电子不是全部发射出去， 有一部分被局部能级俘获， 这样就会产生发光延迟， 因此造成荧光屏发光强度增长过程会有滞后， 不能立即达到额定值. 简单来说， 像增强器是一个真空光电器件， 其工作过程与电子受激辐射有关， 使电子受激辐射达到一个比较稳定的状态， 需要一定时间.

实验2也验证了这个问题， 对像增强器进行30 min的通电维护后， 像增强器基本达到了稳定的工作状态， 对其进行的亮度增益测量结果也比较稳定.

实验3表明了光的照度和亮度增益有关， 亮度增益测量一般都是在10-5lx下进行的. 在照度发生变化时， 亮度增益也随之变化. 我们测量在10-4lx下没有显示结果， 主要是在设计中我们设置了测量限制， 所以在10-4lx下没有测量结果. 在10-6lx下， 亮度增益明显变小， 说明入射照度小， 亮度增益也随之变小.

4 结束语

综上所述， 所研制的像增强器亮度增益测试系统能够较为准确地测量像增强器的亮度增益， 重复测量结果一致性比较好， 能够满足装备日常检测和维护. 在进行亮度增益测试时， 对不经常使用的像增强器进行测量时， 进行0.5 h的通电维护后再进行测量， 既可以使测量结果更为精确， 又使像增强器保持良好的工作状态. 我们在设计中使用的LED光源既可以方便更换， 同时可以减少长时间使用造成光源色温升高带来的影响.