Lambert的高速像增強(qiáng)型相機(jī)通過(guò)巧妙地使用數(shù)碼相機(jī)與像增強(qiáng)器以及Booster組合宝剖，即使是在光線不足的情況下洁闰，也能夠創(chuàng)造高速事件的成像。此外万细，快速門控也提供了較短曝光和在一幀中記錄多個(gè)圖像的可能性扑眉。為了創(chuàng)建人眼看不見(jiàn)的事件圖像昌跌，如近紅外(NIR)和紫外線(UV)眯亦，可以使用輻射轉(zhuǎn)換技術(shù)骗随。這篇技術(shù)筆記將回顧如何使這些技術(shù)成為可能轰豆。
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像增強(qiáng)高速成像技術(shù)介紹
關(guān)于低亮度情況下高速成像的問(wèn)題
自從數(shù)碼相機(jī)發(fā)明以來(lái)洋访，人們一直在探索新的成像應(yīng)用镣陕。快速數(shù)碼相機(jī)的潛力日益劇增姻政，應(yīng)用隨之增多呆抑，這在20年前是無(wú)法想象的。如今汁展，高速相機(jī)廣泛用于記錄高幀率(如10000 fps)的動(dòng)態(tài)事件鹊碍。然后可以通過(guò)以較低的速度單幀播放來(lái)檢查結(jié)果。
以目前的技術(shù)食绿，高達(dá)100000 fps的高速成像很容易實(shí)現(xiàn)侈咕。但如果需要在光線條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是較佳的情況下創(chuàng)建高速圖像呢？高速相機(jī)在這些情況下將不能很好工作炫欺，對(duì)于高幀率來(lái)說(shuō)乎完，拍攝對(duì)象是需要一定亮度的熏兄。光線不足加上曝光時(shí)間過(guò)短將導(dǎo)致曝光不足和圖像噪聲品洛。當(dāng)然增加物體的照明水平是顯而易見(jiàn)的解決方案。然而摩桶，在某些情況下無(wú)法添加更多的光桥状，例如:
被拍攝的物體本身會(huì)發(fā)光。這些情況可能是燃燒過(guò)程(火焰和渦輪機(jī))或發(fā)出熒光的活細(xì)胞等現(xiàn)象硝清。
與所要求的亮度相應(yīng)的輻射水平會(huì)引起物體不可接受的升溫辅斟。
如果圖像信號(hào)因?yàn)楦邘识兊锰土嗽趺崔k？相機(jī)噪聲將是一個(gè)額外的問(wèn)題芦拿。
幸運(yùn)的是士飒，對(duì)于這些問(wèn)題有一個(gè)高科技的解決方法：像增強(qiáng)器。在圖像投影到高速相機(jī)的圖像傳感器之前蔗崎，使用增強(qiáng)器來(lái)增強(qiáng)圖像酵幕。增強(qiáng)后的圖像所產(chǎn)生的傳感器信號(hào)通常比不使用像增強(qiáng)器時(shí)高10000倍——在這個(gè)過(guò)程中，信號(hào)高于相機(jī)的噪聲水平缓苛。
像增強(qiáng)器是如何工作的?
像增強(qiáng)器是一個(gè)真空管芳撒，輸入端為光電陰極，中間為微通道板（MCP），輸出端為熒光屏笔刹，如圖1所示芥备。光子的處理過(guò)程如下:
1. 圖像被投射到光電陰極上。光電陰極將入射的光（光子）轉(zhuǎn)換成電子舌菜。電子在真空管中發(fā)射萌壳，并在電場(chǎng)作用下加速向MCP方向移動(dòng)。
2. MCP是由許多并行微通道組成的薄板日月；每個(gè)通道由通道壁的二次電子發(fā)射充當(dāng)電子倍增器讶凉。該倍增器的增益取決于施加在MCP輸入和輸出之間的電壓。典型的電子增益在10000數(shù)量級(jí)山孔。在通道的末端懂讯，電子在電場(chǎng)的作用下向陽(yáng)極屏加速。
3. 陽(yáng)極屏是沉積在輸出窗口的真空界面上的熒光粉層台颠；它被一層薄薄的鋁膜覆蓋褐望，以防止光反饋。陽(yáng)極屏相對(duì)于MCP的電位為6kV串前。電子能量被熒光粉材料吸收并轉(zhuǎn)化為光瘫里，結(jié)果在增強(qiáng)器的輸出處得到明顯增強(qiáng)的圖像。
像增強(qiáng)器的輸出窗口通常通過(guò)光纖耦合到下一個(gè)組件荡碾，既可以是圖像傳感器谨读，也可以是下①級(jí)的像增強(qiáng)器。
圖1 光子被轉(zhuǎn)化為電子坛吁，加速劳殖，然后在MCP中倍增
像增強(qiáng)器不夠怎么辦？
與高速相機(jī)相組合的像增強(qiáng)器提供了很大的可能性拨脉，但有時(shí)產(chǎn)生的圖像質(zhì)量仍然不夠哆姻。光輸出限制了使用像增強(qiáng)器時(shí)可以獲得的Z大幀率。只要增益恒定玫膀，光輸出隨輸入線性增加矛缨。然而，即使是在高速應(yīng)用中使用特殊低電阻MCP的情況下帖旨，MCP的增益只有在特定的輸出水平上是恒定的箕昭。超過(guò)一定的水平，MCP變得飽和解阅，MCP末端的電子數(shù)將不再增加落竹。這將導(dǎo)致Z大輸出亮度對(duì)許多高速應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不夠的。
通過(guò)應(yīng)用多個(gè)MCP來(lái)增加像增強(qiáng)器的增益同樣無(wú)濟(jì)于事:Z大輸出受到單個(gè)MCP相同的Z大輸出電流的限制瓮钥。
如果我們?cè)兕~外添加一個(gè)像增強(qiáng)器筋量，該增強(qiáng)器沒(méi)有MCP烹吵，作為整體增強(qiáng)的第②級(jí)，這會(huì)發(fā)生什么桨武？這就是我們所說(shuō)的Booster肋拔。第②級(jí)將不存在飽和，但額外的增益因素導(dǎo)致在第②級(jí)將輸出更多的光呀酸。如果有更多的光凉蜂，就可以使用更高的幀率。
圖2 Booster是第②級(jí)的像增強(qiáng)器性誉，沒(méi)有MCP窿吩。其優(yōu)點(diǎn)是在第②級(jí)不會(huì)發(fā)生飽和
提高圖像的亮度
因此，可以通過(guò)再添加作為第②級(jí)增強(qiáng)器來(lái)提高圖像的輸出亮度错览。Booster即是所謂的第①代(Gen1)像增強(qiáng)器纫雁。它提供了一個(gè)相對(duì)較低但穩(wěn)定的增益(約10倍)，直到非常高的光照水平倾哺。
Gen1圖像增強(qiáng)器可作為近貼聚焦二極管轧邪。這是圖2中展示的作為第②級(jí)的像增強(qiáng)器類型。Gen 1像增強(qiáng)器也可用于靜電倒像管羞海。這種型號(hào)提供電子光學(xué)的縮小;它可以用來(lái)使增強(qiáng)器更好地匹配相機(jī)的圖像傳感器尺寸忌愚。縮小也使輸出亮度以因子1/M2 (M為放大倍率)增加却邓。
如果需要一個(gè)Booster作為第②級(jí)增強(qiáng)器硕糊，或者圖像傳感器的尺寸比18或25 mm的像增強(qiáng)器小得多，那么縮小增強(qiáng)器可能是理想的解決方案腊徙。
實(shí)現(xiàn)了額外的亮度增益简十，并且提升了增強(qiáng)高速相機(jī)的靈敏度。不需要錐形光纖和縮小中繼透鏡昧穿，這兩者都降低了耦合效率勺远。通過(guò)直光纖面板或1:1中繼透鏡，縮小像增強(qiáng)器的輸出是1:1成像到圖像傳感器上时鸵。
提高增強(qiáng)技術(shù)
除了增益和增強(qiáng)的明顯優(yōu)勢(shì)外，增強(qiáng)器還提供了額外的可能性厅瞎。使用門控它可以成為一個(gè)高速快門饰潜。在負(fù)電壓下，增強(qiáng)器是關(guān)斷的和簸，而正向電壓時(shí)可以正常工作彭雾。在非常快速和高重復(fù)率下切換锁保，會(huì)產(chǎn)生非常短的曝光(至納秒)薯酝，同步的相機(jī)可以以非常高的幀率運(yùn)行半沽。超短曝光將任何運(yùn)動(dòng)模糊減少至Z低限。圖3顯示了用門控像增強(qiáng)高速攝像機(jī)拍攝的22000 fps燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)的一組圖像吴菠。
圖3 燃油噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒循環(huán)
像增強(qiáng)器也可作為輻射轉(zhuǎn)換器者填。人眼看不見(jiàn)的光譜部分(例如紫外或近紅外)的圖像可以轉(zhuǎn)換為圖像傳感器可以檢測(cè)到的那部分光譜。像增強(qiáng)器的光譜靈敏度由所選擇的光電陰極的類型決定做葵。圖4為不同類型光電陰極的光譜靈敏度曲線占哟。
圖4 光電陰極的靈敏度。GaAs和GaAsP陰極通常在Gen3像增強(qiáng)器中提供酿矢，而S20, S25和寬波段在Gen2像增強(qiáng)器中常見(jiàn)榨乎。
什么時(shí)候不使用booster？
如前所述瘫筐，在增強(qiáng)器中添加booster將允許更高的幀率蜜暑。然而，由于booster是成像系統(tǒng)中的一個(gè)額外組件策肝，它也會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的分辨率史煎。作為比較：一個(gè)增強(qiáng)器的典型分辨率為每毫米45對(duì)線，而一個(gè)增強(qiáng)器與booster組合將使分辨率降至每毫米25對(duì)線驳糯。
此時(shí)相機(jī)像素大小就變的尤為重要：當(dāng)相機(jī)像素較大時(shí)（例如高速相機(jī)典型的20 um）篇梭，從45到25 lp/mm的分辨率變化可以忽略不計(jì)。然而酝枢，當(dāng)使用小像素相機(jī)時(shí)恬偷，圖像質(zhì)量將顯著變化。
光纖耦合還是透鏡耦合?
顯然帘睦，在使用像增強(qiáng)器時(shí)袍患，盡可能保持圖像質(zhì)量是很重要的。同時(shí)竣付，光效要Z大化诡延。這可以通過(guò)使用光纖窗口作為第①級(jí)的輸出和第②級(jí)的輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)。
光纖窗口是一塊固體玻璃古胆，由數(shù)百萬(wàn)條平行的玻璃纖維密封在一起肆良。每根光纖都是獨(dú)立的光導(dǎo)體。窗口的形狀可以是平的(平行輸入和輸出面)逸绎，也可以是凹的惹恃。在靜電倒像器中，采用具有凹面的光纖進(jìn)行畸變校正棺牧。
通常來(lái)說(shuō)巫糙，第②級(jí)也存在光纖輸出，以允許與第三級(jí)或相機(jī)的圖像傳感器耦合颊乘。在后一種情況下参淹，相機(jī)的圖像傳感器應(yīng)配備光纖輸入窗口醉锄。此外，當(dāng)需要選擇光纖耦合或透鏡耦合時(shí)浙值，請(qǐng)考慮以下因素:
光纖耦合是一種永久性連接恳不；該連接是在集成像增強(qiáng)相機(jī)的制造過(guò)程中進(jìn)行的。
光纖窗口將圖像從一端傳輸?shù)搅硪欢撕ヰＨ绻饫w呈錐形妆够，則圖像會(huì)縮小或放大。該特性可用于將其與耦合成像組件的尺寸相匹配负蚊。
雖然增強(qiáng)器之間的光纖耦合是標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)神妹，耦合到相機(jī)也可以通過(guò)光學(xué)鏡頭完成。透鏡耦合的缺點(diǎn)是效率損失更大（與光纖相比）家妆，并且透鏡更為笨重鸵荠。
鏡頭耦合提供了易于分離的靈活性，允許您選擇是否使用像增強(qiáng)器進(jìn)行相機(jī)記錄伤极。
根據(jù)光學(xué)定律蛹找，當(dāng)使用光纖或透鏡對(duì)圖像進(jìn)行縮小時(shí)，亮度不會(huì)增加哨坪。
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