微光夜視系統(tǒng)光照動(dòng)態(tài)范圍研究

洪乙又，王子薇，周繼德，李 賀，楊 帆

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所平板顯示事業(yè)部，南京 210000)

微光夜視系統(tǒng)是在夜間微弱光照條件下，利用月光、星光等近紅外光實(shí)現(xiàn)光電圖像信息的轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)、處理、顯示的成像系統(tǒng)，其能夠?qū)⒔t外的景物圖像光電轉(zhuǎn)換成亮度增強(qiáng)的人眼可見的可見光圖像，從而增強(qiáng)在夜天光條件下探測能力.微光夜視系統(tǒng)具有體積小、功耗低、被動(dòng)成像便于隱蔽使用、符合人眼成像習(xí)慣等優(yōu)點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1].

自從20世紀(jì)60年代以來，作為微光夜視系統(tǒng)關(guān)鍵器件的像增強(qiáng)器不斷發(fā)展，先后產(chǎn)生了一代、二代、三代和超二代像增強(qiáng)器[2]，使得在夜間條件下的最小工作照度達(dá)到10-5～10-6lx.但由于夜間環(huán)境復(fù)雜多變，微光夜視系統(tǒng)可能會面臨明亮與黑暗環(huán)境的迅速切換、強(qiáng)輻射源的干擾等情況，故需要微光夜視系統(tǒng)具有較寬的光照動(dòng)態(tài)范圍.

傳統(tǒng)像增強(qiáng)器的電源具有提供像增強(qiáng)器管芯各電極所需的穩(wěn)定電壓、自動(dòng)亮度控制(ABC)和強(qiáng)光保護(hù)(BSP)功能，當(dāng)像增強(qiáng)器遇到強(qiáng)光時(shí)，像增強(qiáng)器光電陰極的光電子發(fā)射趨于飽和，像增強(qiáng)器熒光屏?xí)兒诨虺霈F(xiàn)損壞.為了提高像增強(qiáng)器能夠適應(yīng)的光照照度范圍，部分超二代和三代的像增強(qiáng)器在電源中采用了自動(dòng)門控技術(shù)[2]，該技術(shù)采用陰極電壓脈寬調(diào)制技術(shù)代替陰極固定電壓，微通道板(MCP)電壓和光陰極脈沖寬度隨陰極光照度變化，從而將像增強(qiáng)器的最大工作照度從傳統(tǒng)像增強(qiáng)器的10 lx提高到104lx以上，從而使得微光夜視系統(tǒng)具備了全天候工作能力[4].

國內(nèi)外對強(qiáng)輻射源對像增強(qiáng)器工作的影響開展了廣泛的研究，如Thomas[5]等研究了強(qiáng)輻射源對微光夜視系統(tǒng)光暈效應(yīng)的影響； Bender等[6]研究了不同照度下微光夜視系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)和MCP噪聲的影響； Glasgow等[7]研究了強(qiáng)輻射源對微光夜視系統(tǒng)噪聲的影響.但這些研究主要集中于強(qiáng)輻射源對微光夜視系統(tǒng)光暈、信噪比等具體參數(shù)的影響，缺乏對微光夜視系統(tǒng)整體性能的研究，特別是在不同應(yīng)用需求下，無法判斷微光夜視系統(tǒng)的最大光照閾值，容易造成微光夜視系統(tǒng)特別是像增強(qiáng)器的損壞.

微光夜視系統(tǒng)的光照動(dòng)態(tài)范圍定義為：微光夜視系統(tǒng)成像時(shí)，可適應(yīng)的環(huán)境光照度的最大值Emax與最小值Emin.在該光照動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，微光夜視系統(tǒng)應(yīng)能正常工作，不出現(xiàn)閃爍、熄滅等現(xiàn)象，也不對像增強(qiáng)器光電陰極造成損傷.微光夜視系統(tǒng)的光照動(dòng)態(tài)范圍主要取決于兩點(diǎn)，分別為像增強(qiáng)器光電陰極可接受的照度，以及自動(dòng)門控電源的調(diào)節(jié)能力.本文分析了影響像增強(qiáng)器和微光夜視系統(tǒng)光照度動(dòng)態(tài)范圍的因素，建立微光夜視系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍估算模型，為微光夜視系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍性能評估提供了依據(jù)，并為后續(xù)改進(jìn)微光夜視系統(tǒng)設(shè)計(jì)給予參考，并能幫助使用者判斷微光夜視系統(tǒng)的可使用照度范圍.

1 微光夜視系統(tǒng)的光照動(dòng)態(tài)范圍

直視型微光夜視系統(tǒng)主要由物鏡、目鏡和像增強(qiáng)器組成，如圖 1所示.夜晚?xiàng)l件下，物鏡接收目標(biāo)反射的夜天光，聚焦在光電陰極上，將入射的光子轉(zhuǎn)換為電子后，經(jīng)過MCP電場加速及二次電子發(fā)射進(jìn)行電子倍增放大，放大后的電子轟擊熒光屏，實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換，在熒光屏上形成人眼可見的圖像，最后通過目鏡放大圖像，以適應(yīng)人眼的觀察.

圖1 微光夜視系統(tǒng)的基本組成Fig.1 Composition of night vision system

微光夜視系統(tǒng)光照動(dòng)態(tài)范圍的影響因素主要包括：像增強(qiáng)器光電陰極的入射照度、MCP增益、光暈效應(yīng)等.其中，光電陰極的照度閾值直接決定了微光夜視系統(tǒng)的最大可承受照度.

環(huán)境光照射目標(biāo)后在微光夜視系統(tǒng)中像增強(qiáng)器陰極面上的照度E一般計(jì)算模型為[8]：

(1)

式中，E0為環(huán)境照度，單位為lx；ρ為目標(biāo)的反射比；τa為大氣透射比；τ為物鏡的平均透射率；D為物鏡的有效通光孔徑，單位為mm；f為物鏡的焦距，單位為mm.該模型僅適用于400～780 nm的可見光波段的光強(qiáng)度計(jì)算.但是，超二代/三代像增強(qiáng)器的響應(yīng)波段分別為400～880 nm和400～930 nm，其典型光譜響應(yīng)曲線如圖 2所示.

圖2 超二代/三代像增強(qiáng)器光譜響應(yīng)曲線Fig.2 Spectral response curve of super second/third generation image intensifiers

目標(biāo)光源不同，其光譜分布也不同，如色溫為2 832 K的鹵素?zé)艉? 000 K的LED燈發(fā)光光譜如圖 3所示，需要考慮像增強(qiáng)器光電陰極對光源的響應(yīng).

圖3 不同光源的發(fā)光光譜Fig.3 Luminescence spectra of different light sources

此外，此處僅考慮了物鏡的平均透過率，而在實(shí)際使用環(huán)境中，往往需要對物鏡鍍膜以滿足環(huán)境需要.當(dāng)實(shí)際使用環(huán)境中存在照明系統(tǒng)中，為了解決環(huán)境照明對微光夜視系統(tǒng)的干擾問題，需根據(jù)照明情況在物鏡上鍍膜，使其滿足不同夜視兼容要求.根據(jù)不同顯示器的發(fā)光光譜，微光夜視系統(tǒng)的夜視兼容曲線可分為A、B、C 3類，如圖 4所示.

圖4 A、B、C類夜視兼容曲線Fig.4 Night vision compatibility curve of type A,B and C

所以，以公式(1)計(jì)算微光夜視系統(tǒng)的光陰極照度值會出現(xiàn)明顯偏離，需要對其進(jìn)行修正.根據(jù)光源的歸一化輻射曲線，結(jié)合歸一化的物鏡夜視兼容鍍膜曲線和像增強(qiáng)器響應(yīng)光譜，將近紅外波段的輻射強(qiáng)度和可見光的照度疊加，即計(jì)算光源在可見光波段和近紅外波段的輻射面積比值，可以實(shí)現(xiàn)公式(1)的修正：

(2)

式中，A(λ)為光源光譜，S(λ)為光電陰極輻射靈敏度，τ(λ)為物鏡透過率.

例如，使用色溫為2 832 K的鹵素?zé)糇鳛楣庠?，選用某三代像增強(qiáng)器，采用C類夜視兼容鍍膜物鏡，可以將公式(1)修正為：

(3)

對于微光夜視系統(tǒng)來說，完成像增強(qiáng)器選型后，該像增強(qiáng)器光電陰極能夠承受的光照度就已經(jīng)確定，可以通過產(chǎn)品手冊或試驗(yàn)獲得.一般像增強(qiáng)器的能夠承受的最大照度約為0.1 lx～10 lx.故根據(jù)像增強(qiáng)器光電陰極的最大入射照度可得到微光夜視系統(tǒng)此時(shí)對應(yīng)的光照度Emax：

(4)

使用色溫為2 832 K的鹵素?zé)艉? 000 K的LED燈作為光源，在不同夜視兼容條件，像增強(qiáng)器種類、物鏡參數(shù)下微光夜視系統(tǒng)的最大光照度如表 1所示.

表1 不同參數(shù)下的微光夜視系統(tǒng)最大照度Tab.1 Maximum illumination of night vision system with different parameters

在微光夜視系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)驗(yàn)數(shù)值一般認(rèn)為經(jīng)過物鏡成像后，光照度會衰減到原來的10%；而從表 1可知，微光夜視系統(tǒng)最大照度約為光陰極照度閾值的1.4～3.2倍，遠(yuǎn)低于經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，更加接近于實(shí)際情況.在沒有自動(dòng)門控電源和ABC電路的情況下，像增強(qiáng)器光電陰極照度閾值僅為10-3lx量級，則微光夜視系統(tǒng)的最大工作照度也僅在10-3lx量級附近.

而微光夜視系統(tǒng)的最小工作照度同樣可以通過公式(2)計(jì)算得到：

(5)

對于超二代/三代像增強(qiáng)器，其最小工作照度一般為10-6lx～10-5lx量級，故可以得知此時(shí)微光夜視系統(tǒng)的最小工作照度約為10-5～10-4lx量級.

除了光電陰極入射照度，像增強(qiáng)器的MCP增益、光暈效應(yīng)等會影響微光夜視系統(tǒng)的成像效果，導(dǎo)致人眼觀察到的熒光屏上的圖像質(zhì)量下降，從而降低微光夜視系統(tǒng)的最大照度范圍.

MCP增益主要與MCP兩端的電壓及入射光照度有關(guān).超二代/三代像增強(qiáng)器中的MCP存在增益飽和效應(yīng)[9]，當(dāng)陰極面入射照度達(dá)到一定照度時(shí)，MCP出現(xiàn)增益飽和，熒光屏亮度不再線性增大.為了抑制增益飽和效應(yīng)，微光夜視系統(tǒng)采用了自動(dòng)亮度控制電路，將熒光屏接收到的光電流為反饋電流來控制MCP電壓，同時(shí)，自動(dòng)門控電路也會在高照度情況下降低MCP電壓.在高入射照度下，光陰極接受到的能量增大，MCP電壓降低，將會導(dǎo)致MCP增益的下降，從而導(dǎo)致目標(biāo)成像信號的對比度下降甚至被噪聲淹沒，降低輸出圖像的質(zhì)量.

MCP的電壓與MCP增益的關(guān)系可以表示為：

(6)

式中，GMCP為MCP的增益；U為MCP輸出端的電壓；C為MCP增益因子的通道二次發(fā)射特性，取決于MCP材料的固有特性，是常數(shù)；α是MCP通道的長度與直徑比.由公式(6)可知，對于指定像增強(qiáng)器的MCP，其α和C為常數(shù)，MCP的電子增益只與MCP電壓相關(guān)，且為指數(shù)關(guān)系.

某像增強(qiáng)器的MCP增益與電壓關(guān)系曲線測試結(jié)果如圖 5所示.由圖 5可知，MCP增益與電壓僅在B點(diǎn)前為指數(shù)關(guān)系，在B點(diǎn)后，由于MCP的增益飽和效應(yīng)，增益不攢增大.而當(dāng)MCP電壓小于A點(diǎn)時(shí)，MCP的增益較低，MCP分辨率較低，人眼無法通過熒光屏觀察到清晰圖像，故選擇A點(diǎn)為MCP最低電壓.B點(diǎn)電壓與A點(diǎn)電壓之間對應(yīng)的增益變化范圍為MCP影響像增強(qiáng)器照度范圍的有效區(qū)間.

圖5 像增強(qiáng)器MCP增益與電壓曲線Fig.5 MCP gain and voltage curve of image intensifier

此時(shí)像增強(qiáng)器的最大入射照度與MCP電壓的關(guān)系為：

(7)

像增強(qiáng)器MCP的長徑比一般為40～50，此時(shí)像增強(qiáng)器最大入射照度可提高約103～104倍.

此外，從陰極發(fā)出的電子一部分直接進(jìn)入MCP通道的同時(shí)，還有一部分被MCP非開口壁散射.發(fā)生彈性散射的電子由于電場作用在MCP表面形成散射圓，通過MCP倍增放大后，在熒光屏輸出圖像上出現(xiàn)光暈效應(yīng)[10].當(dāng)輸入光照度較低時(shí)，光暈效應(yīng)不明顯，其對成像效果的影響可以忽略；然而當(dāng)輸入光能量較大時(shí)，光暈效應(yīng)成為了影響微光夜視系統(tǒng)輸出圖像質(zhì)量的主要因素.

綜上所述，當(dāng)強(qiáng)輻射源作用與微光夜視系統(tǒng)時(shí)，微光夜視系統(tǒng)的光照動(dòng)態(tài)范圍由光電陰極入射照度和熒光屏成像質(zhì)量共同決定.入射到光陰極的照度由入射照度與光學(xué)系統(tǒng)性能決定，熒光屏輸出圖像效果受到系統(tǒng)增益特性和光暈效應(yīng)綜合影響；強(qiáng)輻射源作用導(dǎo)致系統(tǒng)增益下降，使得目標(biāo)成像信噪比降低，且隨著入射照度的增大，信號對比度下降；強(qiáng)光照條件下系統(tǒng)產(chǎn)生光暈效應(yīng)，導(dǎo)致強(qiáng)光照條件下目標(biāo)周圍背景區(qū)域受到MCP增益特性和光暈現(xiàn)象的綜合影響.

2 基于自動(dòng)門控電源的微光夜視系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍

典型光電探測器的動(dòng)態(tài)范圍定義是測量線性工作區(qū)內(nèi)最大可探測量與最小可探測量，然而對于基于超二代/三代自動(dòng)門控型像增強(qiáng)器的微光夜視系統(tǒng)而言，存在自動(dòng)門控電路和自動(dòng)亮度控制電路，在高亮環(huán)境下，門控電路會控制光電陰極電壓脈沖的占空比，使熒光屏的輸出圖像亮度不隨輸入亮度的變化而變化，保持在適合人眼觀察的亮度范圍內(nèi)，同時(shí)防止熒光屏的灼傷.從而在上文所述的像增強(qiáng)器光電陰極照度閾值的基礎(chǔ)上，拓展了光電陰極的最大輸入照度.

光電陰極電壓脈沖的占空比調(diào)節(jié)范圍由門控頻率和最小脈沖寬度共同決定.當(dāng)門控頻率和光電陰極電壓一定時(shí)，像增強(qiáng)器光電陰極單位時(shí)間內(nèi)的電子發(fā)射量與此時(shí)的脈沖寬度為線性關(guān)系.所以當(dāng)門控頻率和最小脈沖寬度的乘積越小時(shí)，像增強(qiáng)器的占空比調(diào)節(jié)范圍越大，光電陰極單位時(shí)間內(nèi)的電子發(fā)射量調(diào)節(jié)范圍越大，則像增強(qiáng)器的最大入射照度越大.此時(shí)像增強(qiáng)器的最大入射照度與照度閾值的關(guān)系為：

EAGmax=E0max/(fTmin)，

(8)

式中，EAGmax是自動(dòng)門控像增強(qiáng)器的最大入射照度，E0max為像增強(qiáng)器無自動(dòng)門控時(shí)的閾值照度，f的門控頻率，Tmin為最小脈沖寬度.

從公式(8)可知，門控頻率和最小脈沖寬度越小，像增強(qiáng)器的最大輸入照度越大；但是考慮到人眼的視覺暫留效應(yīng)和熒光屏的余暉時(shí)間，門控頻率不應(yīng)低于200 Hz[11]，實(shí)際應(yīng)用中門控頻率一般為200～1 000 Hz.目前自動(dòng)門控電源將熒光屏電流作為反饋電流調(diào)控陰極脈沖寬度，采用16位A/D轉(zhuǎn)換器，在門控頻率500 Hz時(shí)，陰極最小脈沖寬度可達(dá)到30.5 ns，像增強(qiáng)器的最大輸出照度最大可提高216=65536倍.實(shí)際應(yīng)用過程中，A/D轉(zhuǎn)換器和門控脈沖的寬度往往不匹配，不能完全實(shí)現(xiàn)16位的可調(diào)脈沖寬度，所以實(shí)際應(yīng)用中門控電源的調(diào)節(jié)范圍一般為103～104倍.

由以上可知，基于自動(dòng)門控電源的微光夜視系統(tǒng)最大照度可表示為：

(9)

為了進(jìn)一步提升微光夜視系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，主要需要考慮的方面包括：提高光電陰極的閾值照度、提高M(jìn)CP的最大電壓和長徑比以及降低門控電源的最小脈沖寬度.

3 總結(jié)

本文分析了影響像增強(qiáng)器和微光夜視系統(tǒng)光照度動(dòng)態(tài)范圍的因素，主要包括像增強(qiáng)器光電陰極的入射照度、MCP增益、光暈效應(yīng)、門控電源參數(shù)等.建立微光夜視系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍估算模型，為微光夜視系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍性能評估提供了依據(jù)，對于后續(xù)微光夜視系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，并能幫助使用者判斷微光夜視系統(tǒng)的可使用照度范圍，提高系統(tǒng)壽命和可用性.