微光夜视系统光照动态范围研究

洪乙又，王子薇，周继德，李 贺，杨 帆

(中国电子科技集团公司第五十五研究所平板显示事业部，南京 210000)

微光夜视系统是在夜间微弱光照条件下，利用月光、星光等近红外光实现光电图像信息的转换、增强、处理、显示的成像系统，其能够将近红外的景物图像光电转换成亮度增强的人眼可见的可见光图像，从而增强在夜天光条件下探测能力.微光夜视系统具有体积小、功耗低、被动成像便于隐蔽使用、符合人眼成像习惯等优点，在军用和民用领域具有广泛的应用[1].

自从20世纪60年代以来，作为微光夜视系统关键器件的像增强器不断发展，先后产生了一代、二代、三代和超二代像增强器[2]，使得在夜间条件下的最小工作照度达到10-5～10-6lx.但由于夜间环境复杂多变，微光夜视系统可能会面临明亮与黑暗环境的迅速切换、强辐射源的干扰等情况，故需要微光夜视系统具有较宽的光照动态范围.

传统像增强器的电源具有提供像增强器管芯各电极所需的稳定电压、自动亮度控制(ABC)和强光保护(BSP)功能，当像增强器遇到强光时，像增强器光电阴极的光电子发射趋于饱和，像增强器荧光屏会变黑或出现损坏.为了提高像增强器能够适应的光照照度范围，部分超二代和三代的像增强器在电源中采用了自动门控技术[2]，该技术采用阴极电压脉宽调制技术代替阴极固定电压，微通道板(MCP)电压和光阴极脉冲宽度随阴极光照度变化，从而将像增强器的最大工作照度从传统像增强器的10 lx提高到104lx以上，从而使得微光夜视系统具备了全天候工作能力[4].

国内外对强辐射源对像增强器工作的影响开展了广泛的研究，如Thomas[5]等研究了强辐射源对微光夜视系统光晕效应的影响； Bender等[6]研究了不同照度下微光夜视系统调制传递函数和MCP噪声的影响； Glasgow等[7]研究了强辐射源对微光夜视系统噪声的影响.但这些研究主要集中于强辐射源对微光夜视系统光晕、信噪比等具体参数的影响，缺乏对微光夜视系统整体性能的研究，特别是在不同应用需求下，无法判断微光夜视系统的最大光照阈值，容易造成微光夜视系统特别是像增强器的损坏.

微光夜视系统的光照动态范围定义为：微光夜视系统成像时，可适应的环境光照度的最大值Emax与最小值Emin.在该光照动态范围内，微光夜视系统应能正常工作，不出现闪烁、熄灭等现象，也不对像增强器光电阴极造成损伤.微光夜视系统的光照动态范围主要取决于两点，分别为像增强器光电阴极可接受的照度，以及自动门控电源的调节能力.本文分析了影响像增强器和微光夜视系统光照度动态范围的因素，建立微光夜视系统动态范围估算模型，为微光夜视系统的动态范围性能评估提供了依据，并为后续改进微光夜视系统设计给予参考，并能帮助使用者判断微光夜视系统的可使用照度范围.

1 微光夜视系统的光照动态范围

直视型微光夜视系统主要由物镜、目镜和像增强器组成，如图 1所示.夜晚条件下，物镜接收目标反射的夜天光，聚焦在光电阴极上，将入射的光子转换为电子后，经过MCP电场加速及二次电子发射进行电子倍增放大，放大后的电子轰击荧光屏，实现电光转换，在荧光屏上形成人眼可见的图像，最后通过目镜放大图像，以适应人眼的观察.

图1 微光夜视系统的基本组成Fig.1 Composition of night vision system

微光夜视系统光照动态范围的影响因素主要包括：像增强器光电阴极的入射照度、MCP增益、光晕效应等.其中，光电阴极的照度阈值直接决定了微光夜视系统的最大可承受照度.

环境光照射目标后在微光夜视系统中像增强器阴极面上的照度E一般计算模型为[8]：

(1)

式中，E0为环境照度，单位为lx；ρ为目标的反射比；τa为大气透射比；τ为物镜的平均透射率；D为物镜的有效通光孔径，单位为mm；f为物镜的焦距，单位为mm.该模型仅适用于400～780 nm的可见光波段的光强度计算.但是，超二代/三代像增强器的响应波段分别为400～880 nm和400～930 nm，其典型光谱响应曲线如图 2所示.

图2 超二代/三代像增强器光谱响应曲线Fig.2 Spectral response curve of super second/third generation image intensifiers

目标光源不同，其光谱分布也不同，如色温为2 832 K的卤素灯和2 000 K的LED灯发光光谱如图 3所示，需要考虑像增强器光电阴极对光源的响应.

图3 不同光源的发光光谱Fig.3 Luminescence spectra of different light sources

此外，此处仅考虑了物镜的平均透过率，而在实际使用环境中，往往需要对物镜镀膜以满足环境需要.当实际使用环境中存在照明系统中，为了解决环境照明对微光夜视系统的干扰问题，需根据照明情况在物镜上镀膜，使其满足不同夜视兼容要求.根据不同显示器的发光光谱，微光夜视系统的夜视兼容曲线可分为A、B、C 3类，如图 4所示.

图4 A、B、C类夜视兼容曲线Fig.4 Night vision compatibility curve of type A,B and C

所以，以公式(1)计算微光夜视系统的光阴极照度值会出现明显偏离，需要对其进行修正.根据光源的归一化辐射曲线，结合归一化的物镜夜视兼容镀膜曲线和像增强器响应光谱，将近红外波段的辐射强度和可见光的照度叠加，即计算光源在可见光波段和近红外波段的辐射面积比值，可以实现公式(1)的修正：

(2)

式中，A(λ)为光源光谱，S(λ)为光电阴极辐射灵敏度，τ(λ)为物镜透过率.

例如，使用色温为2 832 K的卤素灯作为光源，选用某三代像增强器，采用C类夜视兼容镀膜物镜，可以将公式(1)修正为：

(3)

对于微光夜视系统来说，完成像增强器选型后，该像增强器光电阴极能够承受的光照度就已经确定，可以通过产品手册或试验获得.一般像增强器的能够承受的最大照度约为0.1 lx～10 lx.故根据像增强器光电阴极的最大入射照度可得到微光夜视系统此时对应的光照度Emax：

(4)

使用色温为2 832 K的卤素灯和2 000 K的LED灯作为光源，在不同夜视兼容条件，像增强器种类、物镜参数下微光夜视系统的最大光照度如表 1所示.

表1 不同参数下的微光夜视系统最大照度Tab.1 Maximum illumination of night vision system with different parameters

在微光夜视系统设计中，经验数值一般认为经过物镜成像后，光照度会衰减到原来的10%；而从表 1可知，微光夜视系统最大照度约为光阴极照度阈值的1.4～3.2倍，远低于经验数值，更加接近于实际情况.在没有自动门控电源和ABC电路的情况下，像增强器光电阴极照度阈值仅为10-3lx量级，则微光夜视系统的最大工作照度也仅在10-3lx量级附近.

而微光夜视系统的最小工作照度同样可以通过公式(2)计算得到：

(5)

对于超二代/三代像增强器，其最小工作照度一般为10-6lx～10-5lx量级，故可以得知此时微光夜视系统的最小工作照度约为10-5～10-4lx量级.

除了光电阴极入射照度，像增强器的MCP增益、光晕效应等会影响微光夜视系统的成像效果，导致人眼观察到的荧光屏上的图像质量下降，从而降低微光夜视系统的最大照度范围.

MCP增益主要与MCP两端的电压及入射光照度有关.超二代/三代像增强器中的MCP存在增益饱和效应[9]，当阴极面入射照度达到一定照度时，MCP出现增益饱和，荧光屏亮度不再线性增大.为了抑制增益饱和效应，微光夜视系统采用了自动亮度控制电路，将荧光屏接收到的光电流为反馈电流来控制MCP电压，同时，自动门控电路也会在高照度情况下降低MCP电压.在高入射照度下，光阴极接受到的能量增大，MCP电压降低，将会导致MCP增益的下降，从而导致目标成像信号的对比度下降甚至被噪声淹没，降低输出图像的质量.

MCP的电压与MCP增益的关系可以表示为：

(6)

式中，GMCP为MCP的增益；U为MCP输出端的电压；C为MCP增益因子的通道二次发射特性，取决于MCP材料的固有特性，是常数；α是MCP通道的长度与直径比.由公式(6)可知，对于指定像增强器的MCP，其α和C为常数，MCP的电子增益只与MCP电压相关，且为指数关系.

某像增强器的MCP增益与电压关系曲线测试结果如图 5所示.由图 5可知，MCP增益与电压仅在B点前为指数关系，在B点后，由于MCP的增益饱和效应，增益不攒增大.而当MCP电压小于A点时，MCP的增益较低，MCP分辨率较低，人眼无法通过荧光屏观察到清晰图像，故选择A点为MCP最低电压.B点电压与A点电压之间对应的增益变化范围为MCP影响像增强器照度范围的有效区间.

图5 像增强器MCP增益与电压曲线Fig.5 MCP gain and voltage curve of image intensifier

此时像增强器的最大入射照度与MCP电压的关系为：

(7)

像增强器MCP的长径比一般为40～50，此时像增强器最大入射照度可提高约103～104倍.

此外，从阴极发出的电子一部分直接进入MCP通道的同时，还有一部分被MCP非开口壁散射.发生弹性散射的电子由于电场作用在MCP表面形成散射圆，通过MCP倍增放大后，在荧光屏输出图像上出现光晕效应[10].当输入光照度较低时，光晕效应不明显，其对成像效果的影响可以忽略；然而当输入光能量较大时，光晕效应成为了影响微光夜视系统输出图像质量的主要因素.

综上所述，当强辐射源作用与微光夜视系统时，微光夜视系统的光照动态范围由光电阴极入射照度和荧光屏成像质量共同决定.入射到光阴极的照度由入射照度与光学系统性能决定，荧光屏输出图像效果受到系统增益特性和光晕效应综合影响；强辐射源作用导致系统增益下降，使得目标成像信噪比降低，且随着入射照度的增大，信号对比度下降；强光照条件下系统产生光晕效应，导致强光照条件下目标周围背景区域受到MCP增益特性和光晕现象的综合影响.

2 基于自动门控电源的微光夜视系统动态范围

典型光电探测器的动态范围定义是测量线性工作区内最大可探测量与最小可探测量，然而对于基于超二代/三代自动门控型像增强器的微光夜视系统而言，存在自动门控电路和自动亮度控制电路，在高亮环境下，门控电路会控制光电阴极电压脉冲的占空比，使荧光屏的输出图像亮度不随输入亮度的变化而变化，保持在适合人眼观察的亮度范围内，同时防止荧光屏的灼伤.从而在上文所述的像增强器光电阴极照度阈值的基础上，拓展了光电阴极的最大输入照度.

光电阴极电压脉冲的占空比调节范围由门控频率和最小脉冲宽度共同决定.当门控频率和光电阴极电压一定时，像增强器光电阴极单位时间内的电子发射量与此时的脉冲宽度为线性关系.所以当门控频率和最小脉冲宽度的乘积越小时，像增强器的占空比调节范围越大，光电阴极单位时间内的电子发射量调节范围越大，则像增强器的最大入射照度越大.此时像增强器的最大入射照度与照度阈值的关系为：

EAGmax=E0max/(fTmin)，

(8)

式中，EAGmax是自动门控像增强器的最大入射照度，E0max为像增强器无自动门控时的阈值照度，f的门控频率，Tmin为最小脉冲宽度.

从公式(8)可知，门控频率和最小脉冲宽度越小，像增强器的最大输入照度越大；但是考虑到人眼的视觉暂留效应和荧光屏的余晖时间，门控频率不应低于200 Hz[11]，实际应用中门控频率一般为200～1 000 Hz.目前自动门控电源将荧光屏电流作为反馈电流调控阴极脉冲宽度，采用16位A/D转换器，在门控频率500 Hz时，阴极最小脉冲宽度可达到30.5 ns，像增强器的最大输出照度最大可提高216=65536倍.实际应用过程中，A/D转换器和门控脉冲的宽度往往不匹配，不能完全实现16位的可调脉冲宽度，所以实际应用中门控电源的调节范围一般为103～104倍.

由以上可知，基于自动门控电源的微光夜视系统最大照度可表示为：

(9)

为了进一步提升微光夜视系统的动态范围，主要需要考虑的方面包括：提高光电阴极的阈值照度、提高MCP的最大电压和长径比以及降低门控电源的最小脉冲宽度.

3 总结

本文分析了影响像增强器和微光夜视系统光照度动态范围的因素，主要包括像增强器光电阴极的入射照度、MCP增益、光晕效应、门控电源参数等.建立微光夜视系统动态范围估算模型，为微光夜视系统的动态范围性能评估提供了依据，对于后续微光夜视系统设计具有一定的指导意义，并能帮助使用者判断微光夜视系统的可使用照度范围，提高系统寿命和可用性.