劉 宇，郭 城，茹志兵

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引言

采用像增強(qiáng)器可以探測許多微弱的發(fā)光或反光現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)夜視觀察和科學(xué)研究［1-6］。為了不僅獲得圖像信息的高分辨率空間信息，而且要獲得信息的時(shí)間變化情況，并記錄這些信息，人們采取了微光像增強(qiáng)器攝像系統(tǒng)（ICCD）和時(shí)間選通等控制技術(shù)來研制微光像增強(qiáng)器探測系統(tǒng)。選通ICCD的分辨力和脈沖門寬度特性對(duì)探測系統(tǒng)的性能起決定性作用。ICCD的空間分辨力取決于光學(xué)系統(tǒng)、像增強(qiáng)器、耦合組件、CCD等環(huán)節(jié)的性能和設(shè)計(jì)，時(shí)間分辨特性即有效的選通門寬主要取決于像管的選通設(shè)計(jì)。二代和超二代像增強(qiáng)器采用了S20和S25系列的光陰極，是由銻鉀鈉銫等堿金屬材料在真空中以蒸鍍方式制作的。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以選通方式工作時(shí)，多堿光陰極在ns級(jí)時(shí)間條件下電傳導(dǎo)特性不是很理想，光陰極在加電時(shí)有一個(gè)從邊緣到光陰極中間相對(duì)緩慢的逐步傳導(dǎo)過程。因此，在光陰極加上電壓時(shí)，像管實(shí)際有一段時(shí)間還不能正常成像工作，連續(xù)選通時(shí)像管的分辨力將嚴(yán)重下降。用XX1380二代像管作選通器件，在20ns門寬、100%目標(biāo)對(duì)比度下，原來約40lp／mm的像管僅具有8lp／mm的動(dòng)態(tài)分辨力，與靜態(tài)分辨力相比下降了80%。三代像增強(qiáng)器光陰極采用半導(dǎo)體基底和工藝制作，具有良好的晶體結(jié)構(gòu)，電傳導(dǎo)特性較多堿光陰極有很大改善［6］。為了滿足水下探測系統(tǒng)、非掃描成像光電雷達(dá)等設(shè)備對(duì)核心器件的分辨力和高速選通性能的雙重要求，開展基于三代像增強(qiáng)器的選通ICCD研究很有意義。

1 電子學(xué)控制設(shè)計(jì)

1.1 控制關(guān)系與流程

選通ICCD采取圖1所示的控制關(guān)系。光學(xué)系統(tǒng)收集目標(biāo)圖像，在三代像增強(qiáng)器的光陰極上；在選通控制電路的驅(qū)動(dòng)下，像管以一定的頻率開啟和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)選通工作；耦合部件將像管熒光屏上輸出的光學(xué)圖像傳遞到CCD靶面，轉(zhuǎn)換為電子圖像信息；然后由圖像采集卡收集，經(jīng)過計(jì)算機(jī)軟件處理，呈現(xiàn)在顯示器上。

圖1 ICCD控制關(guān)系示意圖Fig.1 Control relationship of gated ICCD

1.2 電子學(xué)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)

采用的像增強(qiáng)器是標(biāo)準(zhǔn)三代管，有效輸入、輸出直徑為18mm，光陰極積分靈敏度為826μA／lm，極限分辨力31.2lp／mm，MCP電壓為800V（可調(diào)），熒光屏電壓為5 600V（可調(diào)）。

為三代像增強(qiáng)器配置的選通快門電路采取串聯(lián)雪崩原理設(shè)計(jì)，有3檔選通門寬，分別為3.3ns、4.9ns和15.2ns，重復(fù)頻率為125Hz，供電電壓為＋15VDC，為像管光陰極的輸入選通脈沖電平為高電平＋100V，低電平-700V。

實(shí)驗(yàn)采用的CCD為DALSA公司的CA-D4-1024A-R02W數(shù)字CCD，像素為1024×1024，幀轉(zhuǎn)移模式工作配Vaper-Digital采集卡，具有40f／s、8bit的傳輸能力，并帶有視頻圖像信號(hào)處理芯片。應(yīng)用硬件定義的相關(guān)函數(shù)，編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)處理和顯示程序。

2 圖像采集、處理與顯示軟件設(shè)計(jì)

采用安裝WindowsXp系統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)作為軟件的運(yùn)行平臺(tái)，Vaper-Digital采集卡通過設(shè)備供應(yīng)方提供的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)控制接口，軟件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 軟件構(gòu)成Fig.2 Software architecture

Vaper-Digital采集卡通過板載FPGA實(shí)現(xiàn)圖像邊緣增強(qiáng)、反相等硬件處理能力。根據(jù)用戶設(shè)定的處理模式，軟件通過API函數(shù)調(diào)用控制接口實(shí)現(xiàn)圖像的前端處理；通過調(diào)用采集接口將當(dāng)前幀圖像截取到用戶內(nèi)存。根據(jù)設(shè)置的幀積分參數(shù)，多幀圖像以FIFO緩沖方式存儲(chǔ)，通過多幀數(shù)據(jù)的加權(quán)疊加完成幀積分增強(qiáng)、降噪，并將處理結(jié)果推送到當(dāng)前顯示緩沖區(qū)，經(jīng)字符、圖形信息疊加后，通過DirectDraw接口繪制到屏幕指定窗口區(qū)域。以上整個(gè)處理過程由幀同步信號(hào)觸發(fā)，軟件代碼經(jīng)優(yōu)化后，可在25ms內(nèi)完成一次處理，這樣就保證了圖像采集、處理與顯示的實(shí)時(shí)性。

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 物鏡設(shè)計(jì)

基于微弱光成像，選擇折反式光學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了大口徑強(qiáng)光力微光物鏡（圖3），相對(duì)孔徑1:1.2，焦距180mm，視場5.8°。

圖3 焦距為180mm的折反式物鏡Fig.3 Objective lens with an 180 mm focus length and a refractive-reflective structure

物鏡的參數(shù)設(shè)計(jì)考慮了三代像增強(qiáng)器的光譜響應(yīng)范圍主要在500nm～1 000nm。完成的物鏡的調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）如圖4所示。典型空間分辨力下的MTF值如表1所示，MTFs和MTFt分別為弧矢方向和子午方向MTF的測量值。

圖4 物鏡的MTF特性曲線Fig.4 MTF curve of objective lens

3.2 耦合設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)像增強(qiáng)器和CCD之間的光學(xué)耦合，技術(shù)途徑主要有光錐耦合和光學(xué)鏡頭耦合兩種方式。光錐耦合是采用光學(xué)纖維組件對(duì)應(yīng)傳遞光信息，使用中需要有耦合匹配液或折射率適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)粘結(jié)劑，通常需要緊固外部固定圈，配置相應(yīng)的耦合夾具。光學(xué)鏡頭耦合是用中繼鏡頭通過聚焦、成像來傳遞圖像信息，耦合用中繼光學(xué)鏡頭通過外殼連接，與像管熒光屏和CCD攝像頭陰極不直接接觸。

光錐耦合的主要特點(diǎn)是體積小、尺寸短，其主要不足是積分透光率低、疵點(diǎn)對(duì)像質(zhì)有影響，以及工藝問題帶來的圖像扭曲現(xiàn)象，均勻性較差。我們測試了一些光錐，其光軸偏離度可以控制在Φ0.2 mm，兩端面平行度和平面度達(dá)到0.02、光潔度為0.05μm，小端絲徑＜Φ5μm，長度為21.00mm～23.60mm，但 是 積 分 透 光 率 僅 為 30.1% ～32.9%。光學(xué)鏡頭耦合的不足是尺寸略長，體積略大，其優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較好的分辨力及MTF，滿足系統(tǒng)的總體分解指標(biāo)，而且便于實(shí)施。

表1 物鏡典型MTF值Table 1 Typical MTF values of objective lens

考慮到系統(tǒng)對(duì)比度傳遞特性和分辨力參數(shù)對(duì)ICCD的性能影響重大，設(shè)計(jì)選擇中繼鏡頭的耦合途徑，重點(diǎn)考慮透射比及MTF指標(biāo)。根據(jù)CCD的靶面尺寸，采取幾何放大倍率為1:1的中繼光學(xué)鏡頭方案，選取雙高斯復(fù)雜化的光學(xué)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的中繼鏡頭的MTF曲線如圖5所示，典型空間頻率下的MTF值如表2所示。

圖5 中繼鏡頭的MTF性能曲線Fig.5 MTF curve of relay lens

表2 中繼鏡頭的MTF計(jì)算值Table 2 Typical MTF values of relay optics

測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的中繼鏡頭的軸上分辨力為170lp／mm，軸外（0.85視場）不低于50lp／mm；軸上R＝50lp／mm處的MTF大于0.5，軸外（0.85視場）R＝40lp／mm處的 MTF大于0.2；物面為半徑40mm的凹球面，口徑為Φ18mm；像面為平面，口徑Φ18mm；部件相對(duì)孔徑1:1.2；積分透射比不低于80%。

4 系統(tǒng)及其性能試驗(yàn)

4.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)設(shè)計(jì)和電子學(xué)設(shè)計(jì)，完成的三代選通ICCD樣機(jī)，如圖6所示。

圖6 三代選通ICCD系統(tǒng)Fig.6 3rd gated ICCD system

4.2 性能測試

在暗室內(nèi)采用2 856K光源照射，使室內(nèi)在目標(biāo)（標(biāo)準(zhǔn)電視測試卡）處的照度控制在1×10-3lx和1×10-5lx，讓ICCD分別工作在3.3ns、4.9ns和15.2ns選通，采取積分采集模式，通過顯示器觀察三代選通ICCD的系統(tǒng)分辨力（電視線），如表3所示的結(jié)果。

表3 三代選通ICCD的系統(tǒng)分辨力測試結(jié)果Table 3 Result of system resolution of gated 3rd ICCD

5 結(jié)論

采用三代像增強(qiáng)器，設(shè)計(jì)了光陰極選通控制電路，使ICCD系統(tǒng)能夠高速選通成像，從而具有對(duì)時(shí)間進(jìn)行窄脈沖有效門控的動(dòng)態(tài)性能；通過分析、比較，設(shè)計(jì)了雙高斯復(fù)雜化結(jié)構(gòu)的中繼鏡頭耦合方案，獲得了高透過率、高M(jìn)TF的圖像耦合性能，解決了數(shù)字CCD其靈敏度有限的問題；采用數(shù)字CCD作為二次光電轉(zhuǎn)換的組件，確保像增強(qiáng)器熒光屏輸出圖像細(xì)節(jié)能夠準(zhǔn)確讀出；應(yīng)用數(shù)字圖像采集卡及其集成的圖像處理硬件，配合編寫了相關(guān)處理軟件，使ICCD系統(tǒng)的圖像能夠?qū)崟r(shí)呈現(xiàn)，通過選通成像，系統(tǒng)最高可達(dá)到3.3ns的時(shí)間分辨率；在10-3lx照度條件下，系統(tǒng)可達(dá)到600 TVL的空間分辨力。

［1］ ZHANG Xiao-feng，BADEA C T.Highly efficient detection in fluorescence tomography of quantum dotsusing time-gated acquisition and ultrafast pulsed laser［C］.US：SPIE Press，2011.

［2］ HE Duo-min，SEET G G.Laser gated-ranging for underwater robot vision in turbid waters［J］.SPIE，2002，4546：11-22.

［3］ KOBAYASHI M，F(xiàn)UJITA K，NAKAMURA O，et al.Time-gated imaging for multifocus second-harmonic generation microscopy［J］.Review of Scientific Instruments，2005，76（7）：3704-1-3704-4.

［4］ SPULBER C A，BORCAN O V C.Contributions to the evaluation of observability performance in difficult ambient conditions for observation equipment during night and day［J］.SPIE，2009，7482：74820V-1-12.

［5］ LYNCH T F，ZENG An-jie.Image intensified cameras for high-speed imaging applications that require more than just the high frame-rate［J］.SPIE，2005，5580：790-795.

［6］ 艾克聰.微光夜視技術(shù)的進(jìn)展與展望［J］.應(yīng)用光學(xué)，2006，27（4）：303-307.AI Ke-cong.Development and prospect of low-lightlevel（LLL）night vision technology［J］.Journal of Applied Optics，2006，27（4）：303-307.（in Chinese with an English abstract）

［7］ ESTRERA J P，SALDANA M.High-speed photocathode gating for generation III image intensifier applications［J］.SPIE，2003，5079：212-221.