苏天宁，刘峰阁，王 强，朱荣胜，杨慧卿，成 帅，姬 明

紫外像增强器的调制传递函数测试系统设计

苏天宁，刘峰阁，王 强，朱荣胜，杨慧卿，成 帅，姬 明

（北方夜视技术股份有限公司，云南 昆明 650217）

紫外像增强器是紫外成像系统的核心器件，其成像质量决定了对紫外光学信号的探测和成像能力。调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF）反映了系统对图像不同频率信息的传递能力，是像质评定的一种客观指标。本文基于狭缝成像和傅里叶分析的调制传递函数测试原理，设计了一套紫外像增强器的调制传递函数测试系统。然后对3支紫外像增强器进行了调制传递函数测试实验，得到3支紫外像增强器的MTF曲线截止频率均在32～34lp/mm之间，并根据MTF曲线对3支紫外像增强器成像质量进行对比分析。最后经过重复测试得到几个重要频率点MTF测试值的标准差均低于0.02。

紫外像增强器；调制传递函数；成像质量；截止频率；测试标准差

0 引言

紫外探测和成像技术在电晕检测、紫外制导、紫外告警等领域发挥着重要作用[1]，其中紫外像增强器由于其具有高增益、低暗计数等优点，是在紫外微弱信号探测与成像领域应用最广的一种紫外真空器件。紫外像增强器一方面可用于对微弱紫外光学信号的探测，另一方面也用于与CCD、CMOS耦合成紫外成像器件[2-3]，因此对紫外像增强器的成像质量研究十分有意义。调制传递函数MTF（modulation transfer function）作为一种客观和全面的光学系统成像质量评价标准，因此可以用调制传递函数来评价紫外像增强器的成像质量。目前国内对于微光像增强器的MTF测试系统研究较多，清华大学朱宏权等人构建了一套基于狭缝法测像增强器MTF的装置[4]，南京理工大学的黄贤斌和倪进园等人构建了一套微光像增强器自动对焦的MTF测试系统[5-6]，北京理工大学陶禹等人研究了高性能近贴式像增强器MTF的测试原理和方法[7]，但对于紫外像增强器的MTF测试系统研究鲜有报道。

本文设计了一种紫外像增强器的调制传递函数测试系统，搭建了紫外成像系统，采用极细的狭缝作为成像靶标，利用CMOS采集和传输紫外像增强器荧光屏上的可见光图像，通过软件算法对图像处理运算获得调制传递函数曲线。通过对3支紫外像增强器进行测试得到调制传递函数曲线并计算测试重复性，证明了测试系统的准确性和稳定性，为提升紫外像增强器的成像质量提供了理论依据和实验支撑。

1 MTF测试原理

光学传递函数为像面和物面图像频谱的比值，调制传递函数就是光学传递函数的幅值部分。根据光学系统的线性不变性，像面图像的一维分布¢(¢)可以看作是物面上图像的一维分布()与线扩散函数（line spread function）LSF()的卷积[4-7]：

¢(¢)＝()*LSF() (1)

将其代入到光学传递函数的公式中化简可得到：

因此，调制传递函数可以由线扩散函数傅里叶变换后的幅值计算得到。目前通常是利用极细的狭缝进行成像，由图像采集设备如CCD和CMOS等获得狭缝像的亮度分布即是线扩散函数，再进一步离散傅里叶变换后进行幅值归一化得到调制传递函数。

根据测试原理得到测试紫外像增强器调制传递函数的流程如图1所示，根据此测试流程搭建紫外像增强器的调制传递函数测试系统，主要包括紫外成像系统和图像采集系统。

2 测试系统

基于上述测试原理，我们设计和搭建了一套紫外像增强器的MTF测试系统，其结构示意图如图2所示。

1）光源：采用氘灯作为光源，其装配有紫外波段透过率高的优质透紫石英双透镜，光谱范围在200～400nm。照度均匀，输出稳定，并且是非相干的。可以通过调节光源输出口的透镜位置，控制输出光斑的大小从而调节输出紫外光的辐射照度。

2）毛玻璃和衰减片：采用石英材质的毛玻璃，是为了让紫外光源更加均匀，并在一定程度上减弱光照。紫外衰减片采用的是中性衰减片，起到减弱紫外辐射照度作用，根据实际照度需求采用不同透过率的紫外衰减片组合。

3）紫外衰减片：由于254nm是我国紫外波段标定的波长，因此采用中心波长为254nm，半波带宽为15nm的干涉型紫外滤光片。它的峰值透射率为23.0%，截止带的透射率为0.1%。能够得到窄带宽的紫外光。

图1 紫外像增强器的MTF测试流程

图2 紫外像增强器的MTF测试系统

4）狭缝靶标：狭缝靶标采用宽度为10μm的狭缝。根据狭缝的MTF公式：

式中：为狭缝宽度；为频率。计算得到在10lp/mm、20lp/mm、30lp/mm的MTF值分别为0.984、0.936、0.859，根据MTF的级联性狭缝宽度对测试的结果影响较小。

同时根据单缝衍射艾里斑的角度公式：

式中：为入射光的波长，目前研究的日盲紫外波段主要为240～280nm，为狭缝宽度。狭缝越窄，紫外成像时造成的衍射现象越明显，会造成成像质量变差，MTF曲线下降。因此采用的狭缝宽度不能过宽或过窄，如果狭缝宽度过大，会放大狭缝自身MTF对系统的影响，如果狭缝宽度过小，将导致衍射现象发生，影响测试结果。

5）双分离透镜：紫外成像时由于透镜材料的限制，是无法像可见光成像那样保证成像的保真度，像差是影响成像质量的主要因素[8]。目前，紫外成像多采用反射系统减少像差的影响，本实验的折射系统中像差影响相对较大。可以采用正负透镜组成双分离透镜结构，通过正负透镜之间成像减少球差、色差等像差的影响，保证紫外成像系统的分辨特性。

6）紫外像增强器：紫外光通过狭缝靶标照射到光阴极面上发生光电转换，目前常用的紫外阴极材料有CsTe、RbTe等，它们的量子效率可达20%。电子在紫外像增强器内部通过微通道板增强后轰击荧光屏，转换生成可见光图像。

7）显微物镜和成像镜筒：将荧光屏上的可见光图像成像到相机的光敏面上。为了满足采样要求，成像时采用10倍的物镜对狭缝图像进行放大。

8）CMOS：CMOS作为现在常用的成像器件，完成接收图像后的采样量化。本实验采用的CMOS像元尺寸是0.011mm，数字输出是8bit，并且具有良好的低照度特性。

9）计算机和软件：完成图像采集和数据处理，得到LSF曲线和MTF曲线。

3 实验结果与分析

实验中采用了国内生产的3支编号分别为512374049、517333211和517323220的日盲紫外像增强器，如图3所示。后续分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示这3支像管。

实验过程中先在靶标成像系统中放入石英毛玻璃、透过率1%的衰减片、254nm的滤光片和狭缝靶标。将CMOS接上5V的电压并通过USB数据传输线接到计算机，打开氘灯光源预热。将紫外像增强器接至3V的电源，并将测试系统做好环境密闭工作。此时用光功率计测得入射紫外光功率约为2.0×10－10W/cm2，对焦后3支像管得到的狭缝图像如图4所示。

将3支像管的狭缝图像分别进行灰度值计算、降噪处理和曲线平滑后，得到的LSF曲线如图5所示。

图3 紫外像增强器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ

图4 紫外像增强器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ得到的狭缝图像

图5 紫外像增强器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测试得到的LSF曲线

为了使得到的MTF曲线更准确，同时也为了验证测试系统的稳定性，分别对每支像管进行4次测试，得到像管Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的MTF曲线分别如图6、图7、图8所示。

由测试曲线可以得到3支像增强器的MTF曲线截止频率，即MTF值为0.03对应的频率值分别为32.93lp/mm、32.10lp/mm、33.41lp/mm。极限分辨力反映的是器件对图像细节的分辨能力[9]，这3支像增强器在西安国防一级计量站通过USAF1951靶成像目视探测的方法测试得到的极限分辨率分别为32lp/mm、32lp/mm、34lp/mm，可以看出截止频率和极限分辨率非常接近，测试结果比较准确。

根据4次测试的曲线计算3支像管在2.5lp/mm、7.5lp/mm、15.0lp/mm、25.0lp/mm、30.0lp/mm这几个重要频率点MTF平均值如表1所示。

图6 紫外像增强器Ⅰ重复测试得到的4条MTF曲线

图7 紫外像增强器Ⅱ重复测试得到的4条MTF曲线

图8 紫外像增强器Ⅲ重复测试得到的4条MTF曲线

表1 重要频率点测试得到的MTF平均值

通过对比，可以看出3支像管在高频分段的MTF值比较接近，即对细节的分辨能力基本相同。但是在中低频段，即对图像的轮廓和层次传递上，像管Ⅲ的性能要明显优于像管Ⅰ和像管Ⅱ，而像管Ⅰ要略微优于像管Ⅱ。

测试重复性采用多次测试数据的标准差作为评价标准，如公式(5)所示：

表2 重要频率点测试得到的MTF标准差

由表格数据可以看出，3支像管在几个重要频率点的测试标准差均低于0.02，大部分数据是低于0.01的，测试系统误差较少，测试重复性较好。

4 结论

本文针对紫外像增强器的成像质量评价搭建了一套紫外像增强器的调制传递函数测试系统。介绍了测试原理和测试装置，并在此系统上对3支紫外像增强器进行了实验，得到的MTF曲线截止频率与测试得到的极限分辨力十分接近，并且根据MTF曲线分析对比了3支像管的成像性能。最后根据重复性测试计算得到3支像管在关键频率点的MTF测试标准差均低于0.02，证明测试系统准确性和稳定性较好。

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Design of Modulation Transfer Function Test System for Ultraviolet Image Intensifiers

SU Tianning，LIU Fengge，WANG Qiang，ZHU Rongsheng，YANG Huiqing，CHENG Shuai，JI Ming

(North Night Vision Technology Co.Ltd, Kunming 650217, China)

The ultraviolet (UV) image intensifier is the core device of an UV imaging system. Its imaging quality determines its ability to detect and image UV optical signals. The modulation transfer function (MTF) represents the system's ability to transfer information at different frequencies and is an objective indicator of image quality assessment. Based on the MTF test principle of slit imaging and the Fourier analysis method, a set of MTF test systems for UV image intensifiers is established in this study. MTF test experiments were performed on three UV image intensifiers. The MTF curve cutoff frequencies of the three UV image intensifiers were between 32 and 34 lp/mm, and the imaging quality of the three UV image intensifiers was compared based on the MTF curves. Finally, the standard deviations of the MTF values of several important frequency points obtained from repeated tests were lower than 0.02.

UV image intensifier, modulation transfer function, imaging quality, cut-off frequency, test standard deviation

TN144

A

1001-8891(2022)05-0469-06

2020-11-12；

2021-02-27.

苏天宁（1984-），男，工程师，主要研究方向：非标专用设备设计开发、制造。E-mail：79564875@qq.com。

刘峰阁（1985-），男，工程师，主要研究方向：非标专用设备设计开发、制造。E-mail：344581813@qq.com。