Lambert的高速像增強型相機通過巧妙地使用數碼相機與(yu) 像增強器以及Booster組合，即使是在光線不足的情況下，也能夠創造高速事件的成像。此外，快速門控也提供了較短曝光和在一幀中記錄多個(ge) 圖像的可能性。為(wei) 了創建人眼看不見的事件圖像，如近紅外(NIR)和紫外線(UV)，可以使用輻射轉換技術。這篇技術筆記將回顧如何使這些技術成為(wei) 可能。
像增強高速成像技術介紹
關(guan) 於(yu) 低亮度情況下高速成像的問題
自從(cong) 數碼相機發明以來，人們(men) 一直在探索新的成像国产成人在线观看免费网站。快速數碼相機的潛力日益劇增，国产成人在线观看免费网站隨之增多，這在20年前是無法想象的。如今，高速相機廣泛用於(yu) 記錄高幀率(如10000 fps)的動態事件。然後可以通過以較低的速度單幀播放來檢查結果。
以目前的技術，高達100000 fps的高速成像很容易實現。但如果需要在光線條件遠遠不是較佳的情況下創建高速圖像呢？高速相機在這些情況下將不能很好工作，對於(yu) 高幀率來說，拍攝對象是需要一定亮度的。光線不足加上曝光時間過短將導致曝光不足和圖像噪聲。當然增加物體(ti) 的照明水平是顯而易見的解決(jue) 方案。然而，在某些情況下無法添加更多的光，例如:
被拍攝的物體(ti) 本身會(hui) 發光。這些情況可能是燃燒過程(火焰和渦輪機)或發出熒光的活細胞等現象。
與(yu) 所要求的亮度相應的輻射水平會(hui) 引起物體(ti) 不可接受的升溫。
如果圖像信號因為(wei) 高幀率而變得太低了怎麽(me) 辦？相機噪聲將是一個(ge) 額外的問題。
幸運的是，對於(yu) 這些問題有一個(ge) 高科技的解決(jue) 方法：像增強器。在圖像投影到高速相機的圖像傳(chuan) 感器之前，使用增強器來增強圖像。增強後的圖像所產(chan) 生的傳(chuan) 感器信號通常比不使用像增強器時高10000倍——在這個(ge) 過程中，信號高於(yu) 相機的噪聲水平。
像增強器是如何工作的?
像增強器是一個(ge) 真空管，輸入端為(wei) 光電陰極，中間為(wei) 微通道板（MCP），輸出端為(wei) 熒光屏，如圖1所示。光子的處理過程如下:
1. 圖像被投射到光電陰極上。光電陰極將入射的光（光子）轉換成電子。電子在真空管中發射，並在電場作用下加速向MCP方向移動。
2. MCP是由許多並行微通道組成的薄板；每個(ge) 通道由通道壁的二次電子發射充當電子倍增器。該倍增器的增益取決(jue) 於(yu) 施加在MCP輸入和輸出之間的電壓。典型的電子增益在10000數量級。在通道的末端，電子在電場的作用下向陽極屏加速。
3. 陽極屏是沉積在輸出窗口的真空界麵上的熒光粉層；它被一層薄薄的鋁膜覆蓋，以防止光反饋。陽極屏相對於(yu) MCP的電位為(wei) 6kV。電子能量被熒光粉材料吸收並轉化為(wei) 光，結果在增強器的輸出處得到明顯增強的圖像。
像增強器的輸出窗口通常通過光纖耦合到下一個(ge) 組件，既可以是圖像傳(chuan) 感器，也可以是下①級的像增強器。
圖1 光子被轉化為(wei) 電子，加速，然後在MCP中倍增
像增強器不夠怎麽(me) 辦？
與(yu) 高速相機相組合的像增強器提供了很大的可能性，但有時產(chan) 生的圖像質量仍然不夠。光輸出限製了使用像增強器時可以獲得的Z大幀率。隻要增益恒定，光輸出隨輸入線性增加。然而，即使是在高速国产成人在线观看免费网站中使用特殊低電阻MCP的情況下，MCP的增益隻有在特定的輸出水平上是恒定的。超過一定的水平，MCP變得飽和，MCP末端的電子數將不再增加。這將導致Z大輸出亮度對許多高速国产成人在线观看免费网站來說是不夠的。
通過国产成人在线观看免费网站多個(ge) MCP來增加像增強器的增益同樣無濟於(yu) 事:Z大輸出受到單個(ge) MCP相同的Z大輸出電流的限製。
如果我們(men) 再額外添加一個(ge) 像增強器，該增強器沒有MCP，作為(wei) 整體(ti) 增強的第②級，這會(hui) 發生什麽(me) ？這就是我們(men) 所說的Booster。第②級將不存在飽和，但額外的增益因素導致在第②級將輸出更多的光。如果有更多的光，就可以使用更高的幀率。
圖2 Booster是第②級的像增強器，沒有MCP。其優(you) 點是在第②級不會(hui) 發生飽和
提高圖像的亮度
因此，可以通過再添加作為(wei) 第②級增強器來提高圖像的輸出亮度。Booster即是所謂的第①代(Gen1)像增強器。它提供了一個(ge) 相對較低但穩定的增益(約10倍)，直到非常高的光照水平。
Gen1圖像增強器可作為(wei) 近貼聚焦二極管。這是圖2中展示的作為(wei) 第②級的像增強器類型。Gen 1像增強器也可用於(yu) 靜電倒像管。這種型號提供電子光學的縮小;它可以用來使增強器更好地匹配相機的圖像傳(chuan) 感器尺寸。縮小也使輸出亮度以因子1/M2 (M為(wei) 放大倍率)增加。
如果需要一個(ge) Booster作為(wei) 第②級增強器，或者圖像傳(chuan) 感器的尺寸比18或25 mm的像增強器小得多，那麽(me) 縮小增強器可能是理想的解決(jue) 方案。
實現了額外的亮度增益，並且提升了增強高速相機的靈敏度。不需要錐形光纖和縮小中繼透鏡，這兩(liang) 者都降低了耦合效率。通過直光纖麵板或1:1中繼透鏡，縮小像增強器的輸出是1:1成像到圖像傳(chuan) 感器上。
提高增強技術
除了增益和增強的明顯優(you) 勢外，增強器還提供了額外的可能性。使用門控它可以成為(wei) 一個(ge) 高速快門。在負電壓下，增強器是關(guan) 斷的，而正向電壓時可以正常工作。在非常快速和高重複率下切換，會(hui) 產(chan) 生非常短的曝光(至納秒)，同步的相機可以以非常高的幀率運行。超短曝光將任何運動模糊減少至Z低限。圖3顯示了用門控像增強高速攝像機拍攝的22000 fps燃油噴射發動機燃燒循環的一組圖像。
圖3 燃油噴射發動機的燃燒循環
像增強器也可作為(wei) 輻射轉換器。人眼看不見的光譜部分(例如紫外或近紅外)的圖像可以轉換為(wei) 圖像傳(chuan) 感器可以檢測到的那部分光譜。像增強器的光譜靈敏度由所選擇的光電陰極的類型決(jue) 定。圖4為(wei) 不同類型光電陰極的光譜靈敏度曲線。
圖4 光電陰極的靈敏度。GaAs和GaAsP陰極通常在Gen3像增強器中提供，而S20, S25和寬波段在Gen2像增強器中常見。
什麽(me) 時候不使用booster？
如前所述，在增強器中添加booster將允許更高的幀率。然而，由於(yu) booster是成像係統中的一個(ge) 額外組件，它也會(hui) 降低整個(ge) 係統的分辨率。作為(wei) 比較：一個(ge) 增強器的典型分辨率為(wei) 每毫米45對線，而一個(ge) 增強器與(yu) booster組合將使分辨率降至每毫米25對線。
此時相機像素大小就變的尤為(wei) 重要：當相機像素較大時（例如高速相機典型的20 um），從(cong) 45到25 lp/mm的分辨率變化可以忽略不計。然而，當使用小像素相機時，圖像質量將顯著變化。
光纖耦合還是透鏡耦合?
顯然，在使用像增強器時，盡可能保持圖像質量是很重要的。同時，光效要Z大化。這可以通過使用光纖窗口作為(wei) 第①級的輸出和第②級的輸入來實現。
光纖窗口是一塊固體(ti) 玻璃，由數百萬(wan) 條平行的玻璃纖維密封在一起。每根光纖都是獨立的光導體(ti) 。窗口的形狀可以是平的(平行輸入和輸出麵)，也可以是凹的。在靜電倒像器中，采用具有凹麵的光纖進行畸變校正。
通常來說，第②級也存在光纖輸出，以允許與(yu) 第三級或相機的圖像傳(chuan) 感器耦合。在後一種情況下，相機的圖像傳(chuan) 感器應配備光纖輸入窗口。此外，當需要選擇光纖耦合或透鏡耦合時，請考慮以下因素:
光纖耦合是一種永久性連接；該連接是在集成像增強相機的製造過程中進行的。
光纖窗口將圖像從(cong) 一端傳(chuan) 輸到另一端。如果光纖呈錐形，則圖像會(hui) 縮小或放大。該特性可用於(yu) 將其與(yu) 耦合成像組件的尺寸相匹配。
雖然增強器之間的光纖耦合是標準技術，耦合到相機也可以通過光學鏡頭完成。透鏡耦合的缺點是效率損失更大（與(yu) 光纖相比），並且透鏡更為(wei) 笨重。
鏡頭耦合提供了易於(yu) 分離的靈活性，允許您選擇是否使用像增強器進行相機記錄。
根據光學定律，當使用光纖或透鏡對圖像進行縮小時，亮度不會(hui) 增加。
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