三代微光像增强摄像系统选通成像系统研究

刘 宇，郭 城，茹志兵

（西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

引言

采用像增强器可以探测许多微弱的发光或反光现象，实现夜视观察和科学研究［1-6］。为了不仅获得图像信息的高分辨率空间信息，而且要获得信息的时间变化情况，并记录这些信息，人们采取了微光像增强器摄像系统（ICCD）和时间选通等控制技术来研制微光像增强器探测系统。选通ICCD的分辨力和脉冲门宽度特性对探测系统的性能起决定性作用。ICCD的空间分辨力取决于光学系统、像增强器、耦合组件、CCD等环节的性能和设计，时间分辨特性即有效的选通门宽主要取决于像管的选通设计。二代和超二代像增强器采用了S20和S25系列的光阴极，是由锑钾钠铯等碱金属材料在真空中以蒸镀方式制作的。试验发现，以选通方式工作时，多碱光阴极在ns级时间条件下电传导特性不是很理想，光阴极在加电时有一个从边缘到光阴极中间相对缓慢的逐步传导过程。因此，在光阴极加上电压时，像管实际有一段时间还不能正常成像工作，连续选通时像管的分辨力将严重下降。用XX1380二代像管作选通器件，在20ns门宽、100%目标对比度下，原来约40lp／mm的像管仅具有8lp／mm的动态分辨力，与静态分辨力相比下降了80%。三代像增强器光阴极采用半导体基底和工艺制作，具有良好的晶体结构，电传导特性较多碱光阴极有很大改善［6］。为了满足水下探测系统、非扫描成像光电雷达等设备对核心器件的分辨力和高速选通性能的双重要求，开展基于三代像增强器的选通ICCD研究很有意义。

1 电子学控制设计

1.1 控制关系与流程

选通ICCD采取图1所示的控制关系。光学系统收集目标图像，在三代像增强器的光阴极上；在选通控制电路的驱动下，像管以一定的频率开启和关断，实现选通工作；耦合部件将像管荧光屏上输出的光学图像传递到CCD靶面，转换为电子图像信息；然后由图像采集卡收集，经过计算机软件处理，呈现在显示器上。

图1 ICCD控制关系示意图Fig.1 Control relationship of gated ICCD

1.2 电子学设计的相关参数

采用的像增强器是标准三代管，有效输入、输出直径为18mm，光阴极积分灵敏度为826μA／lm，极限分辨力31.2lp／mm，MCP电压为800V（可调），荧光屏电压为5 600V（可调）。

为三代像增强器配置的选通快门电路采取串联雪崩原理设计，有3档选通门宽，分别为3.3ns、4.9ns和15.2ns，重复频率为125Hz，供电电压为＋15VDC，为像管光阴极的输入选通脉冲电平为高电平＋100V，低电平-700V。

实验采用的CCD为DALSA公司的CA-D4-1024A-R02W数字CCD，像素为1024×1024，帧转移模式工作配Vaper-Digital采集卡，具有40f／s、8bit的传输能力，并带有视频图像信号处理芯片。应用硬件定义的相关函数，编制了相应的计算机处理和显示程序。

2 图像采集、处理与显示软件设计

采用安装WindowsXp系统的通用计算机作为软件的运行平台，Vaper-Digital采集卡通过设备供应方提供的API函数实现控制接口，软件构成如图2所示。

图2 软件构成Fig.2 Software architecture

Vaper-Digital采集卡通过板载FPGA实现图像边缘增强、反相等硬件处理能力。根据用户设定的处理模式，软件通过API函数调用控制接口实现图像的前端处理；通过调用采集接口将当前帧图像截取到用户内存。根据设置的帧积分参数，多帧图像以FIFO缓冲方式存储，通过多帧数据的加权叠加完成帧积分增强、降噪，并将处理结果推送到当前显示缓冲区，经字符、图形信息叠加后，通过DirectDraw接口绘制到屏幕指定窗口区域。以上整个处理过程由帧同步信号触发，软件代码经优化后，可在25ms内完成一次处理，这样就保证了图像采集、处理与显示的实时性。

3 光学系统设计

3.1 物镜设计

基于微弱光成像，选择折反式光学结构，设计了大口径强光力微光物镜（图3），相对孔径1:1.2，焦距180mm，视场5.8°。

图3 焦距为180mm的折反式物镜Fig.3 Objective lens with an 180 mm focus length and a refractive-reflective structure

物镜的参数设计考虑了三代像增强器的光谱响应范围主要在500nm～1 000nm。完成的物镜的调制传递函数（MTF）如图4所示。典型空间分辨力下的MTF值如表1所示，MTFs和MTFt分别为弧矢方向和子午方向MTF的测量值。

图4 物镜的MTF特性曲线Fig.4 MTF curve of objective lens

3.2 耦合设计

要实现像增强器和CCD之间的光学耦合，技术途径主要有光锥耦合和光学镜头耦合两种方式。光锥耦合是采用光学纤维组件对应传递光信息，使用中需要有耦合匹配液或折射率适当的光学粘结剂，通常需要紧固外部固定圈，配置相应的耦合夹具。光学镜头耦合是用中继镜头通过聚焦、成像来传递图像信息，耦合用中继光学镜头通过外壳连接，与像管荧光屏和CCD摄像头阴极不直接接触。

光锥耦合的主要特点是体积小、尺寸短，其主要不足是积分透光率低、疵点对像质有影响，以及工艺问题带来的图像扭曲现象，均匀性较差。我们测试了一些光锥，其光轴偏离度可以控制在Φ0.2 mm，两端面平行度和平面度达到0.02、光洁度为0.05μm，小端丝径＜Φ5μm，长度为21.00mm～23.60mm，但 是 积 分 透 光 率 仅 为 30.1% ～32.9%。光学镜头耦合的不足是尺寸略长，体积略大，其优点是可以获得较好的分辨力及MTF，满足系统的总体分解指标，而且便于实施。

表1 物镜典型MTF值Table 1 Typical MTF values of objective lens

考虑到系统对比度传递特性和分辨力参数对ICCD的性能影响重大，设计选择中继镜头的耦合途径，重点考虑透射比及MTF指标。根据CCD的靶面尺寸，采取几何放大倍率为1:1的中继光学镜头方案，选取双高斯复杂化的光学结构。设计的中继镜头的MTF曲线如图5所示，典型空间频率下的MTF值如表2所示。

图5 中继镜头的MTF性能曲线Fig.5 MTF curve of relay lens

表2 中继镜头的MTF计算值Table 2 Typical MTF values of relay optics

测试结果表明，设计的中继镜头的轴上分辨力为170lp／mm，轴外（0.85视场）不低于50lp／mm；轴上R＝50lp／mm处的MTF大于0.5，轴外（0.85视场）R＝40lp／mm处的 MTF大于0.2；物面为半径40mm的凹球面，口径为Φ18mm；像面为平面，口径Φ18mm；部件相对孔径1:1.2；积分透射比不低于80%。

4 系统及其性能试验

4.1 设计结果

通过系统设计、光学设计和电子学设计，完成的三代选通ICCD样机，如图6所示。

图6 三代选通ICCD系统Fig.6 3rd gated ICCD system

4.2 性能测试

在暗室内采用2 856K光源照射，使室内在目标（标准电视测试卡）处的照度控制在1×10-3lx和1×10-5lx，让ICCD分别工作在3.3ns、4.9ns和15.2ns选通，采取积分采集模式，通过显示器观察三代选通ICCD的系统分辨力（电视线），如表3所示的结果。

表3 三代选通ICCD的系统分辨力测试结果Table 3 Result of system resolution of gated 3rd ICCD

5 结论

采用三代像增强器，设计了光阴极选通控制电路，使ICCD系统能够高速选通成像，从而具有对时间进行窄脉冲有效门控的动态性能；通过分析、比较，设计了双高斯复杂化结构的中继镜头耦合方案，获得了高透过率、高MTF的图像耦合性能，解决了数字CCD其灵敏度有限的问题；采用数字CCD作为二次光电转换的组件，确保像增强器荧光屏输出图像细节能够准确读出；应用数字图像采集卡及其集成的图像处理硬件，配合编写了相关处理软件，使ICCD系统的图像能够实时呈现，通过选通成像，系统最高可达到3.3ns的时间分辨率；在10-3lx照度条件下，系统可达到600 TVL的空间分辨力。

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