馮丹青，郭欣達(dá)，拜曉鋒，張琴，黨小剛，張姝麗，楊書寧，李琦，韓坤

（1.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2.昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3.空裝成都局駐昆明地區(qū)軍代表室，云南 昆明 650223）

0 引言

為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)全天候作戰(zhàn)要求，即使在夜間等低照度環(huán)境下也應(yīng)具備一定的作戰(zhàn)能力，從而推動(dòng)了微光夜視技術(shù)的發(fā)展[1]。微光像增強(qiáng)器作為微光夜視系統(tǒng)的核心器件，其成像質(zhì)量直接影響著微光夜視儀器的應(yīng)用效果[2]。作為微光像增強(qiáng)器的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，亮度增益反映了像增強(qiáng)器對(duì)于輸入微光信號(hào)的放大能力[3]，是衡量像增強(qiáng)器對(duì)于微光圖像倍增能力的重要參數(shù)。因此，研究亮度增益對(duì)輸出圖像像質(zhì)的影響，對(duì)提高三代微光像增強(qiáng)器的成像質(zhì)量具有重要意義。

目前，國內(nèi)研究者對(duì)微光像增強(qiáng)器的亮度增益進(jìn)行了相關(guān)研究，如2005年，劉秉琦等[4]研究了微光像增強(qiáng)器增益值對(duì)輸出信噪比的影響。2019年，拜曉鋒等[5]提出通過降低亮度增益的測(cè)量誤差，提高微光像增強(qiáng)器壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，對(duì)影響微光像增強(qiáng)器成像質(zhì)量的重要參數(shù)如信噪比，調(diào)制傳遞函數(shù)等也進(jìn)行了相關(guān)研究，如2008年，石峰等[6]對(duì)電子能量與信噪比的關(guān)系進(jìn)行研究。2013年，王洪剛等[7]通過微通道板電子輸運(yùn)特性的仿真，研究了MCP 電子運(yùn)動(dòng)對(duì)MTF 的影響。以往的研究大多都是針對(duì)特定的性能指標(biāo)進(jìn)行提高，而對(duì)性能指標(biāo)的改變對(duì)輸出圖像像質(zhì)的影響缺少綜合性的分析研究。

本文針對(duì)三代微光像增強(qiáng)器亮度增益對(duì)像質(zhì)的影響，提出利用像質(zhì)評(píng)價(jià)的兩個(gè)重要參數(shù)信噪比和分辨力，對(duì)不同增益條件下輸出圖像的像質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。并驗(yàn)證通過調(diào)節(jié)亮度增益值的大小，能夠提高三代微光像增強(qiáng)器的成像質(zhì)量。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 微光像增強(qiáng)器的工作原理

三代微光像增強(qiáng)器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)微光圖像增強(qiáng)的光電真空成像器件，是微光夜視儀器的核心[8]。主要由光陰極、微通道板（microchannel plates,MCP）和熒光屏組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 微光夜視儀系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of low-light-level night vision system

三代微光像增強(qiáng)器的工作原理[9]：在微光照射下，通過光陰極的外光電效應(yīng)將輸入的微光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。然后，通過微通道板對(duì)光陰極發(fā)出的光電子進(jìn)行電子倍增并加速聚焦在熒光屏上。最后，利用熒光屏將倍增后的光電子圖像轉(zhuǎn)換成可見的光學(xué)圖像，從而使原本的微光圖像得到增強(qiáng)。

三代微光像增強(qiáng)器將GaAs 負(fù)電子親和勢(shì)光電陰極與MCP 相結(jié)合[10]。GaAs 光陰極響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高?？梢愿斓貙?duì)微光信號(hào)做出響應(yīng)，再經(jīng)過微通道板依次倍增，使得三代微光像增強(qiáng)器在輸出端可以獲得更高的增益[11]。

1.2 亮度增益對(duì)像質(zhì)的影響

三代微光像增強(qiáng)器的主要功能是對(duì)輸入的微光圖像進(jìn)行增強(qiáng)，得到倍增后的輸出圖像[12]。亮度增益反映了像增強(qiáng)器對(duì)于輸入微光信號(hào)的放大能力，將直接影響到人們的視覺觀察效果，是衡量像增強(qiáng)器對(duì)于微光圖像倍增能力的重要參數(shù)[13]。其計(jì)算公式如下：

式中：G為微光像增強(qiáng)器的亮度增益，cd·m－2·lx－1；L為有光照射時(shí)熒光屏的法向亮度，cd·m－2；L0為無光照射時(shí)熒光屏的法向亮度，cd·m－2；E為光陰極面的入射照度，lx。

在低照度條件下，為使人眼能夠觀察到清晰的圖像，熒光屏需要獲得足夠的輸出亮度L。而在入射照度E一定時(shí)，輸出亮度的大小由亮度增益值決定。即：

三代像增強(qiáng)器采用GaAs 光陰極，能夠使輸出圖像獲得更高的增益。高增益可以提高系統(tǒng)的輸出亮度，從而提高系統(tǒng)的分辨力。但是隨著增益的不斷提高，微通道板在二次發(fā)射過程中所產(chǎn)生的噪聲也會(huì)隨之增加。使得輸出圖像的對(duì)比度惡化，降低像增強(qiáng)器的信噪比，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成輸出圖像淹沒在噪聲中無法分辨[14]。輸出圖像信噪比和亮度增益的關(guān)系如下：

式中：Gm為微通道板平均量子增益；T(f)為像增強(qiáng)器的調(diào)制傳遞函數(shù)；ηn為光陰極量子效率等其他影響因子的綜合；為光電陰極的量子漲落噪聲；為MCP 的量子噪聲；為熒光屏的顆粒噪聲。其中，亮度增益是微通道板平均量子增益的函數(shù)：

則，亮度增益是微光像增強(qiáng)器的信噪比的函數(shù)：

因此在低照度條件下，亮度增益的大小將直接影響到輸出圖像的亮度和信噪比，從而影響輸出圖像的成像質(zhì)量。即：

通過上述的公式推導(dǎo)，可以得出亮度增益與輸出圖像的成像質(zhì)量之間存在著密切的關(guān)系。為了進(jìn)一步研究通過合理設(shè)置亮度增益值，以提高輸出圖像的成像質(zhì)量。需要對(duì)不同增益條件下，輸出圖像的成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

根據(jù)相關(guān)研究表明，輸出圖像的成像質(zhì)量與信噪比（噪聲因子）和分辨力有如下關(guān)系：

式中：η為像增強(qiáng)器的光陰極量子效率；S/N為像增強(qiáng)器的輸出信噪比；R為系統(tǒng)的成像分辨力。

基于此，本文采用信噪比和分辨力作為像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)不同增益條件下的輸出圖像的成像質(zhì)量進(jìn)行綜合性的評(píng)價(jià)分析。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與裝置

對(duì)三代微光像增強(qiáng)器的亮度增益與圖像像質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行研究分析時(shí)，首先需要建立三代微光像增強(qiáng)器像質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。微光圖像經(jīng)過三代微光像增強(qiáng)器得到與之相對(duì)應(yīng)的增強(qiáng)圖像，然后結(jié)合信噪比和分辨力對(duì)增強(qiáng)的輸出圖像進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)。其中，通過調(diào)節(jié)微通道板的電壓控制像增強(qiáng)器的亮度增益值，三代微光像增強(qiáng)器像質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 三代微光像增強(qiáng)器像質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)Fig.2 Image quality evaluation system of the third generation low-light-level image intensifier

本文采用的實(shí)驗(yàn)裝置包括微光像增強(qiáng)器亮度增益測(cè)量裝置、信噪比測(cè)量裝置，以及器件視場(chǎng)質(zhì)量及圖像分析系統(tǒng)裝置。

微光像增強(qiáng)器亮度增益測(cè)量裝置[15]，如圖3 所示。該裝置由鎢絲燈泡、穩(wěn)壓恒流源、濾光片、快門、積分球、暗箱、PR880 微弱光亮度計(jì)組成。

圖3 微光像增強(qiáng)器亮度增益測(cè)量裝置Fig.3 Luminance gain measuring device for low-light image intensifier

其中，鎢絲燈泡在穩(wěn)壓恒流源的控制下輸出2856 K 色溫的光線，濾光片調(diào)節(jié)入射光照度，使實(shí)驗(yàn)環(huán)境滿足無月夜天光的照度條件3×10－4lx。暗箱屏蔽外界環(huán)境的雜散光。使用亮度計(jì)分別在快門關(guān)閉和快門打開時(shí)測(cè)量像增強(qiáng)器熒光屏輸出的法向亮度，并通過計(jì)算機(jī)計(jì)算出被測(cè)像增強(qiáng)器的亮度增益。

像質(zhì)評(píng)價(jià)采用信噪比測(cè)量裝置和器件視場(chǎng)質(zhì)量及圖像分析系統(tǒng)裝置。其中，信噪比測(cè)量裝置由荷蘭DEP 公司生產(chǎn)，主要由光源系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、信息采集及處理系統(tǒng)組成，如圖4(a)所示。器件視場(chǎng)質(zhì)量及圖像分析系統(tǒng)裝置由波蘭Inframet 公司生產(chǎn)，主要由光源系統(tǒng)，USAF1951 分辨率板，微型光學(xué)系統(tǒng)和CCD 相機(jī)組成，如圖4(b)所示，CCD 相機(jī)的分辨率為640 pixel×480 pixel。

圖4 像質(zhì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)裝置Fig.4 Image quality evaluation system device

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 亮度增益與信噪比的關(guān)系

首先，通過調(diào)節(jié)微通道板電壓，對(duì)三代微光像增強(qiáng)器進(jìn)行亮度增益調(diào)節(jié)。利用微光像增強(qiáng)器亮度增益測(cè)量裝置，得到20 組不同的亮度增益值。然后，利用微光像增強(qiáng)器信噪比測(cè)量裝置，對(duì)不同增益條件下輸出圖像的信噪比進(jìn)行測(cè)量，亮度增益與信噪比的關(guān)系如圖5 所示。

從圖5 可以看出，隨著亮度增益值的增大，三代微光像增強(qiáng)器輸出圖像的信噪比呈現(xiàn)出非線性變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在亮度增益變化的過程中，輸出圖像的信噪比存在極大值。

圖5 三代微光像增強(qiáng)器亮度增益與信噪比的關(guān)系Fig.5 The relationship between the luminance gain and SNR of the third generation low-light-level image intensifier

當(dāng)輸出圖像的信噪比達(dá)到極大值時(shí)，表明此時(shí)三代微光像增強(qiáng)器輸出圖像的噪聲最小。但是此時(shí)的亮度增益值，能否滿足人眼觀察到清晰圖像時(shí)所需的輸出亮度，仍需要進(jìn)一步研究。

3.2 亮度增益對(duì)圖像像質(zhì)的影響分析

以三代微光像增強(qiáng)器作為被測(cè)件，在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，加入器件視場(chǎng)質(zhì)量及圖像分析系統(tǒng)裝置作為評(píng)價(jià)依據(jù)。通過USAF1951 分辨率板，能夠觀察到輸出圖像的成像分辨力，從而直觀地反映出亮度增益對(duì)圖像像質(zhì)的影響。

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)做進(jìn)一步研究，板壓調(diào)節(jié)范圍為600～850 V，每10 V 測(cè)量一次對(duì)應(yīng)的亮度增益值和信噪比，亮度增益與信噪比隨板壓的變化情況如圖6所示。

圖6 亮度增益與信噪比隨板壓的變化情況Fig.6 Variation of luminance gain and SNR with plate voltage

從圖6 可以看出，亮度增益值隨板壓不斷增大的同時(shí)，信噪比呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。取測(cè)試數(shù)據(jù)中信噪比和亮度增益的兩個(gè)極值點(diǎn)作為對(duì)比，其中，當(dāng)板壓加至740 V時(shí)，信噪比達(dá)到極大值30.58，亮度增益值為9649 cd·m－2·lx－1。當(dāng)板壓加至850 V時(shí)，信噪比為23.28，此時(shí)的亮度增益值是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的極大值為93155 cd·m－2·lx－1。

然后，利用器件視場(chǎng)質(zhì)量及圖像分析系統(tǒng)裝置，在無月夜天光3×10－4lx 的照度條件下，通過CCD拍攝得到三代微光像增強(qiáng)器在不同亮度增益下的輸出圖像，如圖7(a)和7(b)所示。

圖7 不同亮度增益下的輸出圖像Fig.7 Output image with different luminance gains

從圖7(a)中可以觀察到，亮度增益9649 cd·m－2·lx－1條件下的輸出圖像A，其信噪比為30.58，此時(shí)只能觀察到USAF1951 分辨力板的5-1組，即分辨力為32 lp/mm。并且輸出圖像存在視場(chǎng)昏暗，圖像對(duì)比度低等問題，說明此時(shí)的亮度增益值無法提供人眼觀察到清晰圖像時(shí)所需的輸出亮度。

而在圖7(b)中可以觀察到，亮度增益93155 cd·m－2·lx－1條件下的輸出圖像B，其信噪比為23.28。因亮度增益增大，視場(chǎng)明亮度較圖7(a)得到顯著提升。但是隨著亮度增益的提高，噪聲也隨之增大，導(dǎo)致信噪比下降。從圖中只能模糊分辨出USAF1951 分辨力板的4-6組，即分辨力為28.5 lp/mm。并且由于噪聲的增大，導(dǎo)致分辨率板對(duì)比度下降，圖像成像質(zhì)量并未得到有效提升。

因此，為有效提升微光圖像的成像質(zhì)量，需綜合考慮信噪比和分辨力兩個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù)，使得三代微光像增強(qiáng)器在保證視場(chǎng)明亮清晰的同時(shí)獲得更高的分辨力。取圖6 中亮度增益與信噪比變化曲線的交點(diǎn)值，即亮度增益值為38856 cd·m－2·lx－1，拍攝得到該條件下的輸出圖像C，如圖8 所示。

圖8 輸出圖像C（G=38856）Fig.8 Output image C(G=38856)

從圖8 中可以觀察到，亮度增益38856 cd·m－2·lx－1條件下的輸出圖像C，其信噪比為25.88，并且能夠清晰地分辨出USAF1951 分辨力板的5-3組，即分辨力為40.3 lp/mm。說明在該亮度增益值下，三代微光像增強(qiáng)器的輸出圖像能夠在圖像噪聲較小的同時(shí)，提高圖像亮度以及成像分辨力，即圖像成像質(zhì)量得到有效提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三代微光像增強(qiáng)器存在最佳亮度增益值，能夠使微光夜視儀器獲得最佳成像質(zhì)量。

4 結(jié)論

在夜間低照度條件下，三代微光像增強(qiáng)器的亮度增益會(huì)直接影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量。本文對(duì)亮度增益對(duì)輸出圖像成像質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，通過圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的兩個(gè)重要參數(shù)信噪比和分辨力，對(duì)不同增益條件下的成像質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著亮度增益的增大，輸出圖像的信噪比存在極大值。通過不同亮度增益下的輸出圖像可以看出，當(dāng)信噪比取極大值時(shí)，此時(shí)亮度增益值較低視場(chǎng)昏暗，導(dǎo)致實(shí)際觀察效果不理想。說明信噪比取極大值時(shí)，微光夜視儀并不能獲得最佳的成像質(zhì)量。而亮度增益值過大，則會(huì)導(dǎo)致信噪比降低，噪聲淹沒圖像等問題?？紤]到微光夜視儀在夜間的實(shí)際使用條件，應(yīng)保證視場(chǎng)在明亮低噪的同時(shí)獲得更高的分辨力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在亮度增益與信噪比變化曲線的交點(diǎn)處，輸出圖像明亮清晰、成像分辨力得到明顯提升。證明通過合理設(shè)置亮度增益值，能夠提高三代微光像增強(qiáng)器的成像質(zhì)量。