超二代像增強器分辨力隨輸入照度變化研究

李曉峰，常 樂，劉倍宏，須恃瑜，丁易冰

（1.北方夜視技術股份有限公司，云南 昆明 650217；2.微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

超二代像增強器是一種真空光電成像器件[1-2]，除具有圖像亮度增強功能外，還具有圖像傳輸功能，因此分辨力是最重要的性能指標。超二代像增強器在制作完成后，每支均需進行性能測試，其中就包括分辨力。所測得的數值即為超二代像增強器所能達到的具體指標，稱為標稱指標。根據相關測試標準[3-4]，超二代像增強器分辨力是在最佳工作（輸入）照度（約10－2lx）下測量的，因此所測得的分辨力實際上是超二代像增強器所能達到的最高分辨力，即極限分辨力，而不是超二代像增強器在使用過程中的分辨力。超二代像增強器在使用過程中的分辨力隨著照度的變化而變化。因此，如果采用極限分辨力作為參數來估算微光夜視系統在不同照度下的視距時，往往會出現較大的偏差。另外，對于極限分辨力相同的2 支超二代像增強器，如果其他性能參數不同，如信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）或等效背景照度（equivalent background illumination，EBI）不同，那么其在不同照度下的分辨力也不同。這說明超二代像增強器在不同照度下的分辨力不僅與極限分辨力有關，還與信噪比及等效背景照度有關。目前關于超二代像增強器在不同照度下的分辨力變化規律以及極限分辨力、信噪比及等效背景照度對不同照度下分辨力的影響還未見報道，因此有必要進行研究。

1 分辨力測量原理

超二代像增強器分辨力隨照度的變化規律可以通過樣品實測的方法獲得，即在不同輸入照度下分別測量超二代像增強器的分辨力，即可獲得像增強器分辨力隨照度的變化規律。分辨力測量采用傳統的測量儀器。該儀器包括光源、濾光片組、分辨力靶板、投影物鏡、測量樣品（超二代像增強器）以及顯微目鏡，其結構示意見圖1。測量儀器的光源為鹵鎢燈，色溫為2856 K。濾光片組由不同中性密度（neutral density，ND）的衰減濾光片組成，通過不同的中性密度濾光片組合，可以獲得不同的輸入照度。

圖1 分辨力測量儀器示意圖Fig.1 Diagram of measuring instrument for resolution

測量儀器的分劃板為USAF-1951（US Air Force-1951）分劃板。分劃板的每一塊靶板由兩組相互垂直的分化線組成，而每一組分化線又由3 條亮線和暗線組成，并且亮暗的對比度為100%，USAF-1951 分劃板的圖形見圖2。在圖2中的分劃板中，每6 塊靶板組成1 組。分劃板最外周的右下角為0 組分劃板的第1 塊靶板，最外周的左邊分別為0 組分劃板的第2 至第6 塊靶板。分劃板最外周的右邊（0 組分劃板的第1 塊靶板上面）分別為第1 組分劃板的第1 至第6 塊靶板。分劃板內部是更小尺寸的分辨力靶板，排列方式與外周相同。如2 組分劃板的排列方式與0 組分劃板的排列方式相同，而3 組分別板的排列方式與1 組分劃板的排列方式相同。

圖2 分辨力測試分劃板Fig.2 Target used in resolution measurement

靶板經投影物鏡投射在像增強器的光電陰極上，經微通道板增強以后在熒光屏上成像，該圖像再被顯微目鏡放大供人眼觀察。觀察時，人眼所能分辨最小靶標的線對數即為分辨力。測量超二代像增強器不同照度下的分辨力時，輸入照度從高到低，每改變一次照度，測量一次分辨力，從4.3×10－2lx 開始，一直到4.3×10－7lx 為止，這樣就可測出超二代像增強器不同照度下的分辨力（R）。超二代像增強器測試樣品的輸入窗為玻璃，有效陰極直徑為18 mm，光電陰極為Na2KSb（Cs）多堿陰極，輸出窗為光纖倒像器，熒光屏為鍍鋁熒光屏，熒光粉牌號為P43，倍增機構為微通道板（microchannel plate，MCP），電子聚焦為雙近貼聚焦。測量樣品共4 支，具體性能指標，如增益（G）、極限分辨力（Rm）、信噪比（SNR）及等效背景照度（EBI）見表1。另外所選超二代像增強器樣品的增益（定義為像增強器熒光屏輸出亮度與光電陰極輸入照度之比）均為15000 cd·m－2·lx－1。

表1 試驗樣品參數Table 1 Parameters of samples for resolution measurement

2 分辨力隨照度變化規律

圖3為4 支樣品在不同照度下的測量結果。為敘述方便，以下將5×10－2lx～5×10－3lx 之間的照度稱為高照度（簡稱高照）；將5×10－3lx～5×10－6lx之間的照度稱為低照度（簡稱低照）；將5×10－6lx～5×10－7lx 之間的照度稱為極低照度（簡稱極低照）。

圖3 不同照度下的分辨力Fig.3 Resolution under different illuminations

從圖3可看出，在高照區間，4 支不同性能參數樣品的分辨力均不隨著照度的降低而降低，均等于其極限分辨力。這說明超二代像增強器在高照下的分辨力由其極限分辨力所決定。超二代像增強器的極限分辨力越高，其在高照區間的分辨力也越高。但在低照及極低照下，4 支不同性能參數樣品的分辨力均隨著照度的降低而降低，所不同的僅僅是分辨力曲線降低的速率。

超二代像增強器分辨力由人眼來判斷，因此是一個主觀指標。人眼分辨目標遵從科爾特曼定律[5]，即亮度L、對比度C及最小分辨角α之間服從式(1)的關系，其中K為常數。

對于超二代像增強器而言，隨著輸入照度的降低，其輸出亮度會隨之降低。在分辨力的測量過程中，如果超二代像增強器輸出圖像的對比度C保持不變，那么當分辨力靶板在超二代像增強器熒光屏上的亮度L降低以后，根據式(1)，人眼的最小分辨角α隨之增大。人眼分辨角α增大，意味著所測量的分辨力將會減小。在高照度區間，由于人眼的分辨角還能滿足對超二代像增強器極限分辨力的分辨，因此在高照度區間，超二代像增強器的分辨力不隨照度的降低而降低。但在低照及極低照區間，隨著人眼分辨角的進一步增大，人眼的分辨角開始影響對超二代像增強器極限分辨力的分辨，使得在低照及極低照區間，超二代像增強器的分辨力隨輸入照度的降低而降低。所以要提高超二代像增強器在低照及極低照下的分辨力，需要進一步提高超二代像增強器的增益，從而增加超二代像增強器的輸出亮度。但對于超二代像增強器，增益機構為MCP。MCP 的增益越高，像增強器的增益越高，但目前提高MCP 的增益采用提高MCP 工作電壓的方法。MCP 的工作電壓越高，其噪聲因子越大，像增強器的信噪比越低。因此考慮到像增強器增益對信噪比的影響，目前超二代像增強器的增益為15000 cd·m－2·lx－1。為了進一步提高超二代像增強器的增益，需要解決高MCP 工作電壓和高增益與低MCP 噪聲因子的矛盾，這需要研制出高增益和低噪聲的MCP[6-8]。

3 影響分辨力變化因數分析

3.1 極限分辨力

為分析極限分辨力對分辨力隨輸入照度變化的影響[9-13]，對5327#和4525#樣品的分辨力曲線進行比較。5327#樣品的極限分辨力為64 lp·mm－1，信噪比為24.7，等效背景照度為1.5×10－7lx；4525#樣品的極限分辨力為57 lp·mm－1，信噪比為24.4，等效背景照度為1.7×10－7lx。2 支樣品的信噪比及等效背景照度基本相同，主要區別在于極限分辨力，因此比較這兩支像增強器的分辨力曲線即可分析極限分辨力對不同照度下分辨力的影響。比較圖3中5327#和4525#樣品的分辨力曲線，可看出在低照及極低照區間，隨著照度的降低，其分辨力均隨輸入照度的降低而降低。在分辨力降低過程中，在約2×10－5lx 照度時兩條分辨力曲線達到相交，之后隨著照度的進一步降低，其分辨力曲線的變化基本相同，并且在4.3×10－7lx 時趨于0。另外通過比較5327#和4525#樣品的分辨力曲線還可以看出，在低照區間，極限分辨力高的，不同照度下的分辨力也越高，并且照度越高，分辨力越高。但在極低照區間，不同極限分辨力的樣品卻具有相同的分辨力。

超二代像增強器的極限分辨力實際上是指其電子光學系統[14]的分辨力。超二代像增強器的電子光學成像鏈包括陰極近貼聚焦距離、陽極近貼聚焦距離、微通道板、熒光屏以及光纖倒像器。限于工藝制造水平的限制，目前超二代像增強器的陰極近貼聚焦距離控制在約0.15 mm，陽極近貼聚焦距離控制在約0.5 mm。如果再進一步減小距離，會降低超二代像增強器生產的良品率。因此在通過減小陰極和陽極近貼聚焦距離來提高分辨力方面困難較大。而在提高熒光屏分辨力方面，考慮到熒光屏的分辨力與發光效率之間存在一定的矛盾，因此進一步提高熒光屏的分辨力困難也較大。所以目前在提高超二代像增強器的極限分辨力方面，較可行的辦法是進一步減小微通道板的孔徑及熒光屏輸出窗光纖面板的絲徑。

3.2 信噪比

為了解信噪比[15-16]對不同輸入照度下分辨力的影響，對圖3中5327#和3533#樣品的分辨力曲線進行比較。3533#樣品的極限分辨力為64 lp·mm－1，信噪比為29.1，等效背景照度為1.4×10－7lx，與5327#樣品相比，極限分辨力和等效背景照度基本相同，主要的區別為信噪比（見表1），因此比較這兩支像增強器的分辨力曲線即可分析信噪比對不同照度下的分辨力影響。從圖3可看出，2 支樣品在低照及極低照區間，分辨力隨輸入照度降低而降低的速率并不相同。3533#樣品分辨力降低的速率相對較慢，并且分辨力均高于5327#樣品。但3533#樣品的分辨力在4.3×10－7lx 時也趨于0。5327#和3533#樣品在低照及極低照區間分辨力不同的原因是信噪比不同。因為在低照及極低照度下，光子漲落噪聲對分辨力的影響逐步顯現。圖4(a)、4(b)和4(c)分別為3533#樣品在4.3×10－2lx、4.3×10－4lx 以及4.3×10－5lx 照度下的分辨力靶板圖像。圖4(a)圖像中分化線的亮度均勻且穩定，未出現明顯的漲落噪聲，所以漲落噪聲未對分辨力產生影響。圖4(b)圖像中分化線的亮度不均勻且閃爍，即出現明顯的漲落噪聲，因此對分辨力的影響開始顯現，這樣圖像中心區域的2 組及以下的靶板由于漲落噪聲的影響而不能分辨，僅能分清最外周左右兩邊0 組和1 組的靶板，因此分辨力降低了。圖4(c)圖像中分化線的亮度更加不均勻且更加閃爍，分劃線完全由隨機出現的亮點（閃爍點）所組成，漲落噪聲更加明顯，對分辨力的影響更顯著。與圖4(b)相比，不僅圖像中心區域的2 組和3 組的靶板由于漲落噪聲的影響而不能分辨，而且圖像左右兩邊的0 組和1 組的靶板的輪廓也較模糊，因此分辨力更低。所以漲落噪聲在低照及極低照下會影響分辨力。信噪比與漲落噪聲相關，在相同的信號強度下，漲落噪聲越高，信噪比越低；漲落噪聲越低，信噪比越高。5327#樣品的信噪比為24.4，而3533#樣品的信噪比為29.1，3533#樣品具有更高的信噪比，因此在相同的照度下，漲落噪聲更低，所以在低照及極低照區間，具有更高的分辨力。

圖4 不同照度下的分辨力靶板圖像Fig.4 Image of target under different illuminations

3.3 等效背景照度影響

為了分析等效背景照度對不同照度下分辨力的影響，對圖3中5327#和3445#樣品的分辨力曲線進行比較。3445#樣品的極限分辨力為64 lp·mm－1，信噪比為28.9，等效背景照度為0.1×10－7lx，與5327#樣品相比較，2 支樣品的極限分辨力以及信噪比基本相同，其主要區別在于3445#樣品的等效背景照度較5327#樣品低了一個數量級（見表1），因此分析這兩支像增強器的分辨力曲線可得出等效背景照度對不同照度下分辨力的影響。從圖3可看出，2 支樣品在4.3×10－4lx 以上照度區間的分辨力基本相同，但在4.3×10－4lx 以下的照度區間，3445#樣品的分辨力均高于5327#樣品，特別是在極低照度區間，區別更明顯。如在4.3×10－7lx 照度時，3445#樣品的分辨力為10 lp·mm－1，但5327#樣品的分辨力卻為0，因此2 支樣品等效背景照度不同是造成其分辨力在5×10－7lx 照度下不同的原因。如果超二代像增強器的輸入照度為E，光電陰極的靈敏度為S，面積為A，那么光電陰極所產生的光電流Ip和暗電流Id分別由式(2)、式(3)給出：

光電陰極是一個光電轉換器件，它的作用是將光信號轉變為電（電流）信號。根據對比度的定義，光電陰極輸出電信號的對比度C由式(4)表示：

將式(2)、式(3)代入式(4)，可得出式(5)：

從式(5)可看出等效背景照度會降低電信號的對比度。在超二代像增強器中，輸入圖像經光電陰極轉換，電信號再經MCP 倍增和熒光屏轉換。在此過程中，假設MCP 倍增和熒光屏轉換過程中不損失電信號對比度，那么熒光屏上圖像的對比度就等于光電陰極輸出電信號的對比度，所以等效背景照度會影響超二代像增強器熒光屏輸出圖像的對比度。當輸入照度E遠遠大于光電陰極的等效背景照度時（例如高于1個數量級），等效背景照度對電信號對比度的影響較??；輸入光的照度與光電陰極的等效背景照度相近時，等效背景照度對電信號對比度的影響較大。在4.3×10－7lx 照度條件下，假設輸入圖像的對比度為100%，那么根據式(5)可以分別計算出3445#和5327#樣品電信號對比度分別為54%和96%。假設微通道板的倍增以及熒光屏的轉換不損失對比度，那么3445#和5327#樣品熒光屏上圖像的對比度也分別為54%和96%。因為分辨力測量是用人眼觀察，所以圖像的對比度越高，圖像越容易被人眼分辨，分辨力越高。5327#樣品具有較高的對比度，因此具有更高的分辨力。所以在極限分辨力及信噪比相同的條件下，在5×10－4lx 以下的照度區間，等效背景照度的影響開始顯現，等效背景照度越低，分辨力越高。超二代像增強器的等效背景照度主要由光電陰極的暗發射所決定。長期以來，人們對多堿陰極的靈敏度研究主要集中在提高其靈敏度方面[17-19]，并且在提高多堿陰極靈敏度方面取得了較大的進展，使得多堿陰極的靈敏度得到了較大的提高[20-21]，并且超過了1000 μA·lm－1。與多堿陰極靈敏度的提高相比，在降低多堿陰極暗發射方面的研究卻較少，因此在降低多堿陰極暗發射方面所取得的進展也不大，暗發射仍然維持在原有水平。所以為了提高超二代像增強器在低照及極低照下的分辨力，在進一步提高多堿陰極靈敏度的同時，需要進一步降低多堿陰極的暗發射。

4 結論

通常情況下，超二代像增強器所標稱的分辨力實際上是指其極限分辨力，并不是超二代像增強器在實際使用過程中的分辨力。超二代像增強器只有在高照下使用時，分辨力才等于其極限分辨力；在低照及極低照下，分辨力隨照度降低而降低。

超二代像增強器的極限分辨力越高，在高照下的分辨力也越高。但在低照及極低照下，超二代像增強器的分辨力不僅與極限分辨力有關，而且還與信噪比及等效背景照度有關。信噪比越高、等效背景照度越低，分辨力越高。在低照區間，信噪比對分辨力的影響更大，但在極低照區間，等效背景照度對分辨力的影響更大。

超二代像增強器主要在弱光下使用，所以在提高超二代像增強器極限分辨力的同時，還需要提高超二代像增強器在低照及極低照下的分辨力，而這需要在提高極限分辨力的同時，提高信噪比和降低等效背景照度。