Lambert的高速像增强型相机通过巧妙地使用数码相机与像增强器以及Booster组合，即使是在光线不足的情况下，也能够创造高速事件的成像。此外，快速门控也提供了极短曝光和在一帧中记录多个图像的可能性。为了创建人眼看不见的事件图像，如近红外(NIR)和紫外线(UV)，可以使用辐射转换技术。这篇技术笔记将回顾如何使这些技术成为可能。
像增强高速成像技术介绍
关于低亮度情况下高速成像的问题
自从数码相机发明以来，人们一直在探索新的成像应用。快速数码相机的潜力日益剧增，应用随之增多，这在20年前是无法想象的。如今，高速相机广泛用于记录高帧率(如10000 fps)的动态事件。然后可以通过以较低的速度单帧播放来检查结果。
以目前的技术，高达100000 fps的高速成像很容易实现。但如果需要在光线条件远远不是最佳的情况下创建高速图像呢？高速相机在这些情况下将不能很好工作，对于高帧率来说，拍摄对象是需要一定亮度的。光线不足加上曝光时间过短将导致曝光不足和图像噪声。当然增加物体的照明水平是显而易见的解决方案。然而，在某些情况下无法添加更多的光，例如:
被拍摄的物体本身会发光。这些情况可能是燃烧过程(火焰和涡轮机)或发出荧光的活细胞等现象。
与所要求的亮度相应的辐射水平会引起物体不可接受的升温。
如果图像信号因为高帧率而变得太低了怎么办？相机噪声将是一个额外的问题。
幸运的是，对于这些问题有一个高科技的解决方法：像增强器。在图像投影到高速相机的图像传感器之前，使用增强器来增强图像。增强后的图像所产生的传感器信号通常比不使用像增强器时高10000倍——在这个过程中，信号高于相机的噪声水平。
像增强器是如何工作的?
像增强器是一个真空管，输入端为光电阴极，中间为微通道板（MCP），输出端为荧光屏，如图1所示。光子的处理过程如下:
1. 图像被投射到光电阴极上。光电阴极将入射的光（光子）转换成电子。电子在真空管中发射，并在电场作用下加速向MCP方向移动。
2. MCP是由许多并行微通道组成的薄板；每个通道由通道壁的二次电子发射充当电子倍增器。该倍增器的增益取决于施加在MCP输入和输出之间的电压。典型的电子增益在10000数量级。在通道的末端，电子在电场的作用下向阳极屏加速。
3. 阳极屏是沉积在输出窗口的真空界面上的荧光粉层；它被一层薄薄的铝膜覆盖，以防止光反馈。阳极屏相对于MCP的电位为6kV。电子能量被荧光粉材料吸收并转化为光，结果在增强器的输出处得到明显增强的图像。
像增强器的输出窗口通常通过光纤耦合到下一个组件，既可以是图像传感器，也可以是下一级的像增强器。
图1 光子被转化为电子，加速，然后在MCP中倍增
像增强器不够怎么办？
与高速相机相组合的像增强器提供了很大的可能性，但有时产生的图像质量仍然不够。光输出限制了使用像增强器时可以获得的最大帧率。只要增益恒定，光输出随输入线性增加。然而，即使是在高速应用中使用特殊低电阻MCP的情况下，MCP的增益只有在特定的输出水平上是恒定的。超过一定的水平，MCP变得饱和，MCP末端的电子数将不再增加。这将导致最大输出亮度对许多高速应用来说是不够的。
通过应用多个MCP来增加像增强器的增益同样无济于事:最大输出受到单个MCP相同的最大输出电流的限制。
如果我们再额外添加一个像增强器，该增强器没有MCP，作为整体增强的第二级，这会发生什么？这就是我们所说的Booster。第二级将不存在饱和，但额外的增益因素导致在第二级将输出更多的光。如果有更多的光，就可以使用更高的帧率。
图2 Booster是第二级的像增强器，没有MCP。其优点是在第二级不会发生饱和
提高图像的亮度
因此，可以通过再添加作为第二级增强器来提高图像的输出亮度。Booster即是所谓的第一代(Gen1)像增强器。它提供了一个相对较低但稳定的增益(约10倍)，直到非常高的光照水平。
Gen1图像增强器可作为近贴聚焦二极管。这是图2中展示的作为第二级的像增强器类型。Gen 1像增强器也可用于静电倒像管。这种型号提供电子光学的缩小;它可以用来使增强器更好地匹配相机的图像传感器尺寸。缩小也使输出亮度以因子1/M2 (M为放大倍率)增加。
如果需要一个Booster作为第二级增强器，或者图像传感器的尺寸比18或25 mm的像增强器小得多，那么缩小增强器可能是理想的解决方案。
实现了额外的亮度增益，并且提升了增强高速相机的灵敏度。不需要锥形光纤和缩小中继透镜，这两者都降低了耦合效率。通过直光纤面板或1:1中继透镜，缩小像增强器的输出是1:1成像到图像传感器上。
提高增强技术
除了增益和增强的明显优势外，增强器还提供了额外的可能性。使用门控它可以成为一个高速快门。在负电压下，增强器是关断的，而正向电压时可以正常工作。在非常快速和高重复率下切换，会产生非常短的曝光(至纳秒)，同步的相机可以以非常高的帧率运行。超短曝光将任何运动模糊减少至最低限。图3显示了用门控像增强高速摄像机拍摄的22000 fps燃油喷射发动机燃烧循环的一组图像。
图3 燃油喷射发动机的燃烧循环
像增强器也可作为辐射转换器。人眼看不见的光谱部分(例如紫外或近红外)的图像可以转换为图像传感器可以检测到的那部分光谱。像增强器的光谱灵敏度由所选择的光电阴极的类型决定。图4为不同类型光电阴极的光谱灵敏度曲线。
图4 光电阴极的灵敏度。GaAs和GaAsP阴极通常在Gen3像增强器中提供，而S20, S25和宽波段在Gen2像增强器中常见。
什么时候不使用booster？
如前所述，在增强器中添加booster将允许更高的帧率。然而，由于booster是成像系统中的一个额外组件，它也会降低整个系统的分辨率。作为比较：一个增强器的典型分辨率为每毫米45对线，而一个增强器与booster组合将使分辨率降至每毫米25对线。
此时相机像素大小就变的尤为重要：当相机像素较大时（例如高速相机典型的20 um），从45到25 lp/mm的分辨率变化可以忽略不计。然而，当使用小像素相机时，图像质量将显著变化。
光纤耦合还是透镜耦合?
显然，在使用像增强器时，尽可能保持图像质量是很重要的。同时，光效要最大化。这可以通过使用光纤窗口作为第一级的输出和第二级的输入来实现。
光纤窗口是一块固体玻璃，由数百万条平行的玻璃纤维密封在一起。每根光纤都是独立的光导体。窗口的形状可以是平的(平行输入和输出面)，也可以是凹的。在静电倒像器中，采用具有凹面的光纤进行畸变校正。
通常来说，第二级也存在光纤输出，以允许与第三级或相机的图像传感器耦合。在后一种情况下，相机的图像传感器应配备光纤输入窗口。此外，当需要选择光纤耦合或透镜耦合时，请考虑以下因素:
光纤耦合是一种永久性连接；该连接是在集成像增强相机的制造过程中进行的。
光纤窗口将图像从一端传输到另一端。如果光纤呈锥形，则图像会缩小或放大。该特性可用于将其与耦合成像组件的尺寸相匹配。
虽然增强器之间的光纤耦合是标准技术，耦合到相机也可以通过光学镜头完成。透镜耦合的缺点是效率损失更大（与光纤相比），并且透镜更为笨重。
镜头耦合提供了易于分离的灵活性，允许您选择是否使用像增强器进行相机记录。
根据光学定律，当使用光纤或透镜对图像进行缩小时，亮度不会增加。
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