基于三代像增強器的高速圖像采集方法

王占選，趙冬娥，劉 吉，于 爽，王 磊

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

在國防科技研究領(lǐng)域，爆炸、燃燒、穿甲、彈道、飛行姿態(tài)等研究都離不開高速攝影［1］。要想準(zhǔn)確采集清晰、無拖尾的目標(biāo)圖像，高速相機的圖像傳感器需要在極短的時間內(nèi)（通常在微秒級別）積累足夠數(shù)量的光電荷完成曝光，而外界環(huán)境光照無法滿足對光通量的要求，一直以來高速成像系統(tǒng)都是通過添加輔助照明光源進行圖像的采集。由于對光源脈沖寬度和光強等參數(shù)的特殊要求，常規(guī)成像方法存在成本高、通過輔助照明獲取的圖像效果欠佳以及在戶外使用不夠方便等問題。為此，本文以9350EOS-3-PRO 三代像增強器和MC1362 高速相機為實驗平臺，提出了利用像增強器進行高速圖像采集的方法。

1 圖像增強原理及其輸入輸出特性

三代像增強器［2-4］是一種可以將微弱的光圖像增強的光電器件，由高真空管內(nèi)的光電陰極、微通道板（MCP）和熒光屏三部分組成，其工作原理如圖1所示。由光敏材料制作的光電陰極在微弱光照射下產(chǎn)生光電效應(yīng)逸出光電子，用于將外界輸入的低能量輻射圖像信息轉(zhuǎn)變成與之對應(yīng)的電子密度分布圖像輸出；微通道板是像增強的核心器件，用于將輸入的電子數(shù)量成千上萬倍的增加，由雙MCP 組成的像增強核心單元由于強大的電子倍增能力容易產(chǎn)生飽和從而降低了增強器的動態(tài)范圍；由MCP 輸出的倍增電子在幾千伏的電勢場中加速轟擊綠色熒光屏，產(chǎn)生熒光輸出，從而實現(xiàn)電子圖像到光子圖像的轉(zhuǎn)變。

圖1 像增強器的工作原理Fig.1 The working principle of image intensifier

通常情況下，三代像增強器的輸入輸出特性如圖2所示，其輸出亮度隨入射照度的變化而變化［5］。A、D 兩點的橫坐標(biāo)分別對應(yīng)像增強器入射照度的兩個臨界值Es和Em，入射照度小于Es時熒光屏輸出亮度很??；入射照度高于Em時輸出亮度產(chǎn)生飽和；入射照度在Em和Es之間時像增強器近似處于線性工作狀態(tài)。由圖2可知，B、C 兩點的位置靠近工作臨界點，像增強器輸出信號容易產(chǎn)生截止失真或者飽和失真，入射照度是影響像增強器改善成像效果的關(guān)鍵因素。

2 接口轉(zhuǎn)換模塊

實驗中所用的9350EOS-3-PRO 三代像增強器的接口是佳能EF 卡口，而MC1362高速相機是尼康F卡口，參數(shù)見表1。為了使像增強器與高速相機能夠連接工作以便后續(xù)分析，首先需要對其接口轉(zhuǎn)換模塊進行設(shè)計，重點要解決兩個問題：一是像增強器供電模塊的設(shè)計，二是轉(zhuǎn)接口的制作和像增強器的調(diào)焦。

圖2 像增強器輸入和輸出關(guān)系曲線Fig.2 Vs.input and output of image intensifier

表1 卡口參數(shù)表Tab.1 parameters of EF and F bayonets

2.1 供電模塊設(shè)計

實驗所用的像增強器與EF卡口佳能單反相機匹配工作時可由相機對其直接供電，但MC1362高速相機本身沒有供電觸點與其連接，需要專門設(shè)計像增強器的供電模塊。

通過查閱佳能EOS 5D 單反相機與其鏡頭連接的八個觸點的功能可得，像增強器的供電觸點和接地觸點分別為①和②，如圖3所示。為了獲知像增強器正常工作時需要的電壓，將開槽以后的近射環(huán)連接至佳能相機，兩個觸點通過導(dǎo)線引出，在正常拍攝狀態(tài)下用萬用表測得的像增強器工作時的電壓為4.2V。

圖3 像增強器的供電觸點Fig.3 Power contacts of image intensifier

供電模塊原理圖如圖4所示。電源由4節(jié)1.2 V 電池容量為800mAh的鎳氫電池串聯(lián)組成，整個裝置配有電源充電插頭、開關(guān)和指示燈。兩個鍺二極管串聯(lián)用于產(chǎn)生0.6V 的壓降通過供電觸點給像增強器提供4.2V 的供電電壓。

圖4 供電模塊原理圖Fig.4 The principle of the power supply module

2.2 轉(zhuǎn)接口設(shè)計

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)市面上沒有佳能-尼康轉(zhuǎn)接口，該接口利用solidworks自行設(shè)計制作。最終，將接口轉(zhuǎn)換模塊與像增強器連接到一塊的實物圖以及高速圖像采集系統(tǒng)實物圖分別見圖5（a）和圖5（b）：①佳能-尼康轉(zhuǎn)接口，②像增強器供電模塊，③像增強器，④1362高速相機，⑤鏡頭。由表1可知F卡口的法蘭距（卡口到相機成像傳感器的焦平面之間的距離）比EF卡口的長2.36mm，同時由于自行加工的轉(zhuǎn)接口有一定厚度，這會造成像增強器的成像平面位于1362高速相機的COMS 圖像傳感器平面的前方，如果不進行處理系統(tǒng)會因為焦距不匹配無法獲得清晰圖像。像增強器本身沒有焦距調(diào)節(jié)裝置，最終通過釋放像增強器上的透鏡組螺紋鎖緊頂絲來微調(diào)其內(nèi)部透鏡組位置，利用高速圖像采集系統(tǒng)實際取景，多次反復(fù)試驗，直到獲取清晰圖像。

圖5 像增強器接口轉(zhuǎn)換模塊與系統(tǒng)連接圖Fig.5 The connection between image intensifier interface converter module and system

3 可行性驗證與分析

3.1 像增強器的光譜響應(yīng)

像增強器熒光屏上有一種綠色熒光物質(zhì)，圖像采集系統(tǒng)通過其拍攝得到的是一幅幅綠色照片。為了驗證其光譜響應(yīng)特性是否與高速相機匹配，實驗中利用Ocean Optics USB4000微型光纖光譜儀進行像增強器成像的光譜分析，實驗裝置如圖6所示。

圖6 像增強器的光譜分析Fig.6 The spectral analysis of image intensifier

為了避免外界環(huán)境光的干擾，將整個裝置置于黑色絨布內(nèi)進行，利用中心波長668nm 的紅光LED 作為測試光源照射已上電的像增強器，通過光譜儀測得像增強器輸出端的的光譜圖像如圖7 所示，中心波長變?yōu)?43.98nm，屬于綠光范圍。利用日光燈作為測試光源重新進行測試，像增強器添加前后的光譜圖像的中心波長分別為545.11nm、543.98nm。由此可知，光源通過像增強器以后輸出的光譜成分主要集中在中心波長543.98nm附近。

圖7 紅光LED 透過像增強器輸出的光譜圖像Fig.7 Spectral image of red LED through the image intensifier

實驗所用的MC1362 高速相機的光譜響應(yīng)曲線如圖8所示，由圖可知該款高速相機對中心波長為543.98nm 附近的入射光有著很高的響應(yīng)靈敏度，從光譜響應(yīng)方面考慮像增強器可以與高速相機匹配工作。

3.2 采集系統(tǒng)的亮度增益

亮度增益反映了像增強器對于輸入光信號的放大能力［5-6］，是衡量高速相機和像增強器匹配工作時采集系統(tǒng)對目標(biāo)識別能力的重要參數(shù)。利用如圖5（b）所示的添加像增強器后的高速圖像采集系統(tǒng)在夜晚黑暗環(huán)境下對目標(biāo)進行拍攝，用閃光燈的恒發(fā)光模式調(diào)節(jié)環(huán)境亮度（為了使照度在較低范圍內(nèi)微調(diào)，閃光燈的出光面用黑色尼龍布遮擋），用照度計對環(huán)境亮度進行測量，通過調(diào)節(jié)高速相機的積分時間拍攝多組圖像，利用Matlab對目標(biāo)圖像進行處理得出其平均灰度值。最終，對實驗數(shù)據(jù)進行匯總整理得出采集系統(tǒng)的照度（環(huán)境亮度）-曝光時間（積分時間）-平均灰度三者的關(guān)系曲線如圖9所示（抽取低照度環(huán)境下工作時三者的關(guān)系曲線，較高照度環(huán)境下工作時由于其圖像平均灰度值已不隨照度變化而變化，故在曲線中省略）。

通過三者的關(guān)系曲線可知，三代像增強器應(yīng)用于高速圖像采集時只有在低照度（約0.12lx）范圍內(nèi)才能夠明顯改善成像效果，但在較高照度環(huán)境下工作時采集系統(tǒng)容易發(fā)生飽和，隨著照度的增加對成像效果的改善程度逐漸減小，甚至產(chǎn)生圖像模糊。

圖8 MC1362高速相機光譜響應(yīng)Fig.8 Spectral response of MC1362high speed camera

圖9 照度-積分時間-平均灰度關(guān)系曲線Fig.9 Curves of illumination-integration time-average gray

4 結(jié)論

本文提出了利用像增強器進行高速圖像采集的方法。該方法以9350EOS-3-PRO 三代像增強器和MC1362高速相機為實驗平臺，設(shè)計了二者之間的接口轉(zhuǎn)換模塊使之能夠很好地匹配連接，從光譜響應(yīng)和亮度增益兩個方面對圖像采集系統(tǒng)進行實驗和分析。結(jié)果表明，基于三代像增強器的高速圖像采集系統(tǒng)只有在低照度環(huán)境下能夠改善成像效果，但在較高照度環(huán)境下容易產(chǎn)生飽和，其工作狀態(tài)受到環(huán)境照度的很大制約。四代像增強器通過自動脈沖門控電源技術(shù)彌補了三代像增強器無法工作于較高照度環(huán)境的不足，上限可達1 000lx，有望在高速攝影領(lǐng)域得到較好應(yīng)用，有待進一步驗證。

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