基于三代像增强器的高速图像采集方法

王占选，赵冬娥，刘 吉，于 爽，王 磊

（1.中北大学电子测试技术重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

0 引言

在国防科技研究领域，爆炸、燃烧、穿甲、弹道、飞行姿态等研究都离不开高速摄影［1］。要想准确采集清晰、无拖尾的目标图像，高速相机的图像传感器需要在极短的时间内（通常在微秒级别）积累足够数量的光电荷完成曝光，而外界环境光照无法满足对光通量的要求，一直以来高速成像系统都是通过添加辅助照明光源进行图像的采集。由于对光源脉冲宽度和光强等参数的特殊要求，常规成像方法存在成本高、通过辅助照明获取的图像效果欠佳以及在户外使用不够方便等问题。为此，本文以9350EOS-3-PRO 三代像增强器和MC1362 高速相机为实验平台，提出了利用像增强器进行高速图像采集的方法。

1 图像增强原理及其输入输出特性

三代像增强器［2-4］是一种可以将微弱的光图像增强的光电器件，由高真空管内的光电阴极、微通道板（MCP）和荧光屏三部分组成，其工作原理如图1所示。由光敏材料制作的光电阴极在微弱光照射下产生光电效应逸出光电子，用于将外界输入的低能量辐射图像信息转变成与之对应的电子密度分布图像输出；微通道板是像增强的核心器件，用于将输入的电子数量成千上万倍的增加，由双MCP 组成的像增强核心单元由于强大的电子倍增能力容易产生饱和从而降低了增强器的动态范围；由MCP 输出的倍增电子在几千伏的电势场中加速轰击绿色荧光屏，产生荧光输出，从而实现电子图像到光子图像的转变。

图1 像增强器的工作原理Fig.1 The working principle of image intensifier

通常情况下，三代像增强器的输入输出特性如图2所示，其输出亮度随入射照度的变化而变化［5］。A、D 两点的横坐标分别对应像增强器入射照度的两个临界值Es和Em，入射照度小于Es时荧光屏输出亮度很小；入射照度高于Em时输出亮度产生饱和；入射照度在Em和Es之间时像增强器近似处于线性工作状态。由图2可知，B、C 两点的位置靠近工作临界点，像增强器输出信号容易产生截止失真或者饱和失真，入射照度是影响像增强器改善成像效果的关键因素。

2 接口转换模块

实验中所用的9350EOS-3-PRO 三代像增强器的接口是佳能EF 卡口，而MC1362高速相机是尼康F卡口，参数见表1。为了使像增强器与高速相机能够连接工作以便后续分析，首先需要对其接口转换模块进行设计，重点要解决两个问题：一是像增强器供电模块的设计，二是转接口的制作和像增强器的调焦。

图2 像增强器输入和输出关系曲线Fig.2 Vs.input and output of image intensifier

表1 卡口参数表Tab.1 parameters of EF and F bayonets

2.1 供电模块设计

实验所用的像增强器与EF卡口佳能单反相机匹配工作时可由相机对其直接供电，但MC1362高速相机本身没有供电触点与其连接，需要专门设计像增强器的供电模块。

通过查阅佳能EOS 5D 单反相机与其镜头连接的八个触点的功能可得，像增强器的供电触点和接地触点分别为①和②，如图3所示。为了获知像增强器正常工作时需要的电压，将开槽以后的近射环连接至佳能相机，两个触点通过导线引出，在正常拍摄状态下用万用表测得的像增强器工作时的电压为4.2V。

图3 像增强器的供电触点Fig.3 Power contacts of image intensifier

供电模块原理图如图4所示。电源由4节1.2 V 电池容量为800mAh的镍氢电池串联组成，整个装置配有电源充电插头、开关和指示灯。两个锗二极管串联用于产生0.6V 的压降通过供电触点给像增强器提供4.2V 的供电电压。

图4 供电模块原理图Fig.4 The principle of the power supply module

2.2 转接口设计

通过调研发现市面上没有佳能-尼康转接口，该接口利用solidworks自行设计制作。最终，将接口转换模块与像增强器连接到一块的实物图以及高速图像采集系统实物图分别见图5（a）和图5（b）：①佳能-尼康转接口，②像增强器供电模块，③像增强器，④1362高速相机，⑤镜头。由表1可知F卡口的法兰距（卡口到相机成像传感器的焦平面之间的距离）比EF卡口的长2.36mm，同时由于自行加工的转接口有一定厚度，这会造成像增强器的成像平面位于1362高速相机的COMS 图像传感器平面的前方，如果不进行处理系统会因为焦距不匹配无法获得清晰图像。像增强器本身没有焦距调节装置，最终通过释放像增强器上的透镜组螺纹锁紧顶丝来微调其内部透镜组位置，利用高速图像采集系统实际取景，多次反复试验，直到获取清晰图像。

图5 像增强器接口转换模块与系统连接图Fig.5 The connection between image intensifier interface converter module and system

3 可行性验证与分析

3.1 像增强器的光谱响应

像增强器荧光屏上有一种绿色荧光物质，图像采集系统通过其拍摄得到的是一幅幅绿色照片。为了验证其光谱响应特性是否与高速相机匹配，实验中利用Ocean Optics USB4000微型光纤光谱仪进行像增强器成像的光谱分析，实验装置如图6所示。

图6 像增强器的光谱分析Fig.6 The spectral analysis of image intensifier

为了避免外界环境光的干扰，将整个装置置于黑色绒布内进行，利用中心波长668nm 的红光LED 作为测试光源照射已上电的像增强器，通过光谱仪测得像增强器输出端的的光谱图像如图7 所示，中心波长变为543.98nm，属于绿光范围。利用日光灯作为测试光源重新进行测试，像增强器添加前后的光谱图像的中心波长分别为545.11nm、543.98nm。由此可知，光源通过像增强器以后输出的光谱成分主要集中在中心波长543.98nm附近。

图7 红光LED 透过像增强器输出的光谱图像Fig.7 Spectral image of red LED through the image intensifier

实验所用的MC1362 高速相机的光谱响应曲线如图8所示，由图可知该款高速相机对中心波长为543.98nm 附近的入射光有着很高的响应灵敏度，从光谱响应方面考虑像增强器可以与高速相机匹配工作。

3.2 采集系统的亮度增益

亮度增益反映了像增强器对于输入光信号的放大能力［5-6］，是衡量高速相机和像增强器匹配工作时采集系统对目标识别能力的重要参数。利用如图5（b）所示的添加像增强器后的高速图像采集系统在夜晚黑暗环境下对目标进行拍摄，用闪光灯的恒发光模式调节环境亮度（为了使照度在较低范围内微调，闪光灯的出光面用黑色尼龙布遮挡），用照度计对环境亮度进行测量，通过调节高速相机的积分时间拍摄多组图像，利用Matlab对目标图像进行处理得出其平均灰度值。最终，对实验数据进行汇总整理得出采集系统的照度（环境亮度）-曝光时间（积分时间）-平均灰度三者的关系曲线如图9所示（抽取低照度环境下工作时三者的关系曲线，较高照度环境下工作时由于其图像平均灰度值已不随照度变化而变化，故在曲线中省略）。

通过三者的关系曲线可知，三代像增强器应用于高速图像采集时只有在低照度（约0.12lx）范围内才能够明显改善成像效果，但在较高照度环境下工作时采集系统容易发生饱和，随着照度的增加对成像效果的改善程度逐渐减小，甚至产生图像模糊。

图8 MC1362高速相机光谱响应Fig.8 Spectral response of MC1362high speed camera

图9 照度-积分时间-平均灰度关系曲线Fig.9 Curves of illumination-integration time-average gray

4 结论

本文提出了利用像增强器进行高速图像采集的方法。该方法以9350EOS-3-PRO 三代像增强器和MC1362高速相机为实验平台，设计了二者之间的接口转换模块使之能够很好地匹配连接，从光谱响应和亮度增益两个方面对图像采集系统进行实验和分析。结果表明，基于三代像增强器的高速图像采集系统只有在低照度环境下能够改善成像效果，但在较高照度环境下容易产生饱和，其工作状态受到环境照度的很大制约。四代像增强器通过自动脉冲门控电源技术弥补了三代像增强器无法工作于较高照度环境的不足，上限可达1 000lx，有望在高速摄影领域得到较好应用，有待进一步验证。

［1］杨成祥，郭世明，何承基.数字式相机在靶场中的测试研究［J］.探测与控制学报，2003，25（2）：9-11.

［2］艾克聪.微光夜视技术的进展和展望［J］.应用光学，2006，27（4）：303-307.

［3］程耀进，石峰，郭晖，等.MCP 参数对微光像增强器分辨力影响研究［J］.应用光学，2010，31（2）：292-296.

［4］智强，延波，杨晔，等.基于PLD 器件的门控技术在微光像增强器中的应用［J］.红外技术，2013（3）：180-184.

［5］拜晓峰，苏俊宏，石峰，等.照度对测量三代微光像增强器MTF 的 影 响 分 析［J］.应 用 光 学，2010，31（2）：297-300.

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