三代微光像增強器亮度增益對像質影響的分析

馮丹青，郭欣達，拜曉鋒，張琴，黨小剛，張姝麗，楊書寧，李琦，韓坤

（1.微光夜視技術重點實驗室，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

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

目前，國內研究者對微光像增強器的亮度增益進行了相關研究，如2005年，劉秉琦等[4]研究了微光像增強器增益值對輸出信噪比的影響。2019年，拜曉鋒等[5]提出通過降低亮度增益的測量誤差，提高微光像增強器壽命預測的準確性。同時，對影響微光像增強器成像質量的重要參數(shù)如信噪比，調制傳遞函數(shù)等也進行了相關研究，如2008年，石峰等[6]對電子能量與信噪比的關系進行研究。2013年，王洪剛等[7]通過微通道板電子輸運特性的仿真，研究了MCP 電子運動對MTF 的影響。以往的研究大多都是針對特定的性能指標進行提高，而對性能指標的改變對輸出圖像像質的影響缺少綜合性的分析研究。

本文針對三代微光像增強器亮度增益對像質的影響，提出利用像質評價的兩個重要參數(shù)信噪比和分辨力，對不同增益條件下輸出圖像的像質進行綜合評價分析。并驗證通過調節(jié)亮度增益值的大小，能夠提高三代微光像增強器的成像質量。

1 理論基礎

1.1 微光像增強器的工作原理

三代微光像增強器是一種能夠實現(xiàn)微光圖像增強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，其結構如圖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

三代微光像增強器的工作原理[9]：在微光照射下，通過光陰極的外光電效應將輸入的微光信號轉換成電信號。然后，通過微通道板對光陰極發(fā)出的光電子進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換成可見的光學圖像，從而使原本的微光圖像得到增強。

三代微光像增強器將GaAs 負電子親和勢光電陰極與MCP 相結合[10]。GaAs 光陰極響應時間短、靈敏度高。可以更快地對微光信號做出響應，再經過微通道板依次倍增，使得三代微光像增強器在輸出端可以獲得更高的增益[11]。

1.2 亮度增益對像質的影響

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

式中：G為微光像增強器的亮度增益，cd·m－2·lx－1；L為有光照射時熒光屏的法向亮度，cd·m－2；L0為無光照射時熒光屏的法向亮度，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，輸出亮度的大小由亮度增益值決定。即：

三代像增強器采用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)射過程中所產生的噪聲也會隨之增加。使得輸出圖像的對比度惡化，降低像增強器的信噪比，嚴重時會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系如下：

式中：Gm為微通道板平均量子增益；T(f)為像增強器的調制傳遞函數(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量。即：

通過上述的公式推導，可以得出亮度增益與輸出圖像的成像質量之間存在著密切的關系。為了進一步研究通過合理設置亮度增益值，以提高輸出圖像的成像質量。需要對不同增益條件下，輸出圖像的成像質量進行評價。

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

式中：η為像增強器的光陰極量子效率；S/N為像增強器的輸出信噪比；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評價指標，對不同增益條件下的輸出圖像的成像質量進行綜合性的評價分析。

2 實驗系統(tǒng)與裝置

對三代微光像增強器的亮度增益與圖像像質之間的關系進行研究分析時，首先需要建立三代微光像增強器像質評價系統(tǒng)。微光圖像經過三代微光像增強器得到與之相對應的增強圖像，然后結合信噪比和分辨力對增強的輸出圖像進行像質評價。其中，通過調節(jié)微通道板的電壓控制像增強器的亮度增益值，三代微光像增強器像質評價系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 三代微光像增強器像質評價系統(tǒng)Fig.2 Image quality evaluation system of the third generation low-light-level image intensifier

本文采用的實驗裝置包括微光像增強器亮度增益測量裝置、信噪比測量裝置，以及器件視場質量及圖像分析系統(tǒng)裝置。

微光像增強器亮度增益測量裝置[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 微弱光亮度計組成。

圖3 微光像增強器亮度增益測量裝置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，濾光片調節(jié)入射光照度，使實驗環(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。使用亮度計分別在快門關閉和快門打開時測量像增強器熒光屏輸出的法向亮度，并通過計算機計算出被測像增強器的亮度增益。

像質評價采用信噪比測量裝置和器件視場質量及圖像分析系統(tǒng)裝置。其中，信噪比測量裝置由荷蘭DEP 公司生產，主要由光源系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、信息采集及處理系統(tǒng)組成，如圖4(a)所示。器件視場質量及圖像分析系統(tǒng)裝置由波蘭Inframet 公司生產，主要由光源系統(tǒng)，USAF1951 分辨率板，微型光學系統(tǒng)和CCD 相機組成，如圖4(b)所示，CCD 相機的分辨率為640 pixel×480 pixel。

圖4 像質評價系統(tǒng)裝置Fig.4 Image quality evaluation system device

3 實驗結果及分析

3.1 亮度增益與信噪比的關系

首先，通過調節(jié)微通道板電壓，對三代微光像增強器進行亮度增益調節(jié)。利用微光像增強器亮度增益測量裝置，得到20 組不同的亮度增益值。然后，利用微光像增強器信噪比測量裝置，對不同增益條件下輸出圖像的信噪比進行測量，亮度增益與信噪比的關系如圖5 所示。

從圖5 可以看出，隨著亮度增益值的增大，三代微光像增強器輸出圖像的信噪比呈現(xiàn)出非線性變化。實驗結果表明，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 三代微光像增強器亮度增益與信噪比的關系Fig.5 The relationship between the luminance gain and SNR of the third generation low-light-level image intensifier

當輸出圖像的信噪比達到極大值時，表明此時三代微光像增強器輸出圖像的噪聲最小。但是此時的亮度增益值，能否滿足人眼觀察到清晰圖像時所需的輸出亮度，仍需要進一步研究。

3.2 亮度增益對圖像像質的影響分析

以三代微光像增強器作為被測件，在上述實驗的基礎上，加入器件視場質量及圖像分析系統(tǒng)裝置作為評價依據(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圖像像質的影響。

對上述實驗做進一步研究，板壓調節(jié)范圍為600～850 V，每10 V 測量一次對應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，信噪比呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。取測試數(shù)據(jù)中信噪比和亮度增益的兩個極值點作為對比，其中，當板壓加至740 V時，信噪比達到極大值30.58，亮度增益值為9649 cd·m－2·lx－1。當板壓加至850 V時，信噪比為23.28，此時的亮度增益值是實驗數(shù)據(jù)的極大值為93155 cd·m－2·lx－1。

然后，利用器件視場質量及圖像分析系統(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昏暗，圖像對比度低等問題，說明此時的亮度增益值無法提供人眼觀察到清晰圖像時所需的輸出亮度。

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，導致分辨率板對比度下降，圖像成像質量并未得到有效提升。

因此，為有效提升微光圖像的成像質量，需綜合考慮信噪比和分辨力兩個評價參數(shù)，使得三代微光像增強器在保證視場明亮清晰的同時獲得更高的分辨力。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，三代微光像增強器的輸出圖像能夠在圖像噪聲較小的同時，提高圖像亮度以及成像分辨力，即圖像成像質量得到有效提升。實驗結果表明，三代微光像增強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量。

4 結論

在夜間低照度條件下，三代微光像增強器的亮度增益會直接影響系統(tǒng)的成像質量。本文對亮度增益對輸出圖像成像質量的影響進行研究，通過圖像質量評價的兩個重要參數(shù)信噪比和分辨力，對不同增益條件下的成像質量進行綜合評價。

實驗結果表明，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，當信噪比取極大值時，此時亮度增益值較低視場昏暗，導致實際觀察效果不理想。說明信噪比取極大值時，微光夜視儀并不能獲得最佳的成像質量。而亮度增益值過大，則會導致信噪比降低，噪聲淹沒圖像等問題?？紤]到微光夜視儀在夜間的實際使用條件，應保證視場在明亮低噪的同時獲得更高的分辨力。實驗結果表明在亮度增益與信噪比變化曲線的交點處，輸出圖像明亮清晰、成像分辨力得到明顯提升。證明通過合理設置亮度增益值，能夠提高三代微光像增強器的成像質量。