ICCD相机建模与仿真分析

    0 引 言

    ICCD相机是将像增强器耦合到CCD上,以获得高增益的图像传感器。由于ICCD相机在微光条件下具有高增益、高信噪比、大动态范围等优点,广泛应用于夜视导航、微光监控、天文观测、生物工程和民援救等方面。由于ICCD相机的应用背景比较特殊,模与仿真分析方面开展了一些研究[1,2],但一般只对ICCD相机的光电模块进行简单建模,而没有与相机的控制模块相结合,因而这些模型并不能完整地反映ICCD相机在实际使用中动态响应的过程。我国关于ICCD相机的应用和研究工作还刚起步[3],ICCD相机系统建模工作还没有文献报道。

    1 ICCD相机的结构与物理模型

    典型ICCD相机的结构包括镜头光学系统、像增强器、光纤面板、CCD敏感器件和自动增益控制子系统。像增强器又包括光阴极、微通道板和荧光屏3部分,如图1所示。入射光经ICCD相机光学系统成像于像增强器光阴极上,光阴极把光子图像转换为光电子图像,在电场适当加速后进入像增强器微通道板,电子经微通道板倍增后经高压加速打在微通道板荧光屏上,产生光子图像,两端粘接微通道板荧光屏和CCD芯片的光纤面板将在最后由CCD把增强了的光子图像转换为对应的电子图像,经读出电路输出。

    影响相机成像性能的主要因素有相机的增益、调制传递函数、噪声和自动增益控制方法。增益的大小影响输出图像的强度;调制传递函数决定输出图像的分辨率,并直接影响图像的对比度和高频性能;噪声影响输出图像的信噪比;自动增益控制方法则影响相机的动态性能。通过追踪光子(电子)可建立如图2所示的模型框图。

    1.1 ICCD相机的增益模型

    ICCD相机的高增益主要是通过像增强器对光电子倍增实现的,而相机总的增益还需考虑其他各光电设备的衰减和响应。设输入光子密度为nphoton,ICCD相机的光阴极光电转换量子效率为QPHC,微通板增益为Gm,微通板末端和荧光屏间的加速电压为U,荧光屏的转换效率为QPHE,光纤面板的传光效率为Gfiber,CCD光电转换效率为QCCD,CCD像元面积为ACCD,在有效积分时间t内,CCD敏感单元存储的电子个数Nelectron为[1]:

Nelectron= nphotonQPHCGmUQPHEGfiberQCCDACCDt(1)

    1.2 ICCD相机的调制传递函数模型

    光学耦合型ICCD相机主要部分的调制传递函数包括:镜头光学系统的调制传递函数T(M)lens,像增强器的调制传递函数T(M)II,光纤面板的调制传递函数T(M)fiber,CCD的调制传递函数T(u,C)CCD,分别用下式计算[1,4,5]:

    公式(2)~(5)中,为空间频率变量,其中u和C分别是横向和纵向的空间频率;Mc为光学系统的截止频率;M0为像增强器的频率常数;n为像增强器的器件指数;a为光纤面板中单个光导纤维的半径;dx、dy分别为CCD横向和纵向的像元尺寸;lx、ly分别为CCD横向和纵向上的像元间距;ux、uy分别为CCD的横向和纵向的空间采样频率。