CN113432838B - 一种微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统及测试方法，系统包括光源模块、电动针孔转轮、投影镜头、程控暗箱、成像镜头、探测模块、三维移动滑台、XY电动平移台、三维移动机构、光源系统暗箱、自动扫码枪、电动挡板、工控机、电源和控制器。方法包括测试准备、进行光晕测试及进行信噪比测试。光晕通过对小孔图像进行识别测量，计算出当前小孔光斑的实际直径值；信噪比为

噪声系数为

本发明将水平光路改为垂直光路，能够对像增强器光晕、信噪比及噪声系数进行自动测试，有利于使用机器人气指自动安装和取下像增强器，提高了像增强器的测试效率，具有操作方便、降低人工负荷及可靠性高等特点。

Description

一种微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及像增强器测试领域，尤其涉及一种微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统及测试方法。

背景技术

像增强器是微光夜视设备的核心器件，能把微弱的光线增强到足够亮度以便于人眼观察。微光像增强器的信噪比和光晕性能参数是像增强器非常重要的性能参数，是衡量像增强器在低照环境下成像清晰度的重要指标，是判断像增强器能否在光照复杂多变环境下使用的重要依据。

目前的像增强器信噪比和光晕测试中，将两个测试项目分离在不同的测试设备上，测试时需要像增强器在暗室环境下的规定精度的辐射图案下工作，通常各个测试工位的光学系统水平布置，主要由光源和光学投影系统、暗箱系统、探测和计量系统等组成。测试工位均是手工方式操作，主要是因为测试系统不能满足自动控制的设计要求。

在传统的人工检测方法中，人工聚焦的清晰程度存在主观差异，在人眼观察和测量时也存在一定主观误差，并存在大量估读误差；由于人工操作在暗室内进行，操作、测试、记录等都不方便，操作时间长，测试效率低，易引入质量问题等等。

为提升像增强器的质量控制水平和生产管理水平，对测试过程实施自动化升级是很有必要的，逐步实现测试过程的连续性、标准化、自动化、数字化、信息化和智能化，达到提升产品质量、降低劳动强度、提高生产效率、增加经济效益的目的。

由于国内对微光像增强器测试设备的研发单位较少，一些高校和研究机构也只愿意基于现有技术开发甚至只愿意做其中的一个部分开发，国外包括美国和波兰等像增强器测试设备提供商都在微光像增强器各个单项测试的基础上做了综合性能参数测试的便携式测试设备，将多参数测试融合在一台测试设备上，便于集中操作和系统维护，但尚无自动化智能化测试设备。因此，十分有必要信噪比和光晕测试技术进行自动化智能化测试研究，实现信噪比和光晕测试的数字化、自动化和智能化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的操作方法，提供一套高效、高可靠、易操作的自动测试系统以满足微光像增强器的信噪比和光晕测试的需要。本发明的技术方案为：

一种微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统，包括光源模块、电动针孔转轮、1:1投影镜头、程控暗箱、1:1成像镜头、探测模块、三维移动滑台、XY电动平移台、三维移动机构、光源系统暗箱、电气柜、自动扫码枪、电动挡板、工控机、电源和控制器等。其中，光源模块由卤钨灯安装座、对中光阑、连接筒、电动快门、电动滤光片轮组件、电动光阑、带照度探测器的积分球、照度指示器组成。其中，探测模块由带小孔光阑的光电倍增管、信号处理器、sCMOS相机、棱镜安装座组成。光源模块、电动针孔转轮、1:1投影镜头、带有像增强器的程控暗箱、1:1成像镜头、棱镜安装座、光电倍增管的中心位于同一轴线上，通过三维移动滑台、XY电动平移台和三维移动机构调节对准像增强器的阳极面和阴极面并聚焦，sCMOS相机通过棱镜耦合到轴线光路上同时成像。

光源模块固定在光路安装支架上，卤钨灯为色温2856K的标准A光源，通过对中光阑校准灯丝中心，连接筒和电动光阑组合调节色温2856K下的照度，电动快门可以切断光路；电动滤光片轮组件由电动切换轮和中性衰减滤光片组成，中性衰减滤光片有ND3、ND2、ND1.5、ND1、ND0.5等5组衰减倍率，另一个位置无滤光片，即为空，使用时切换中性衰减滤光片获得所需照度；带照度探测器的积分球输出均匀照度，照度指示器能显示和输出实时照度，主要用于校准色温2856K下的输出照度。

电动针孔转轮上至少包含有Ф0.1mm、Ф0.2mm、Ф0.3mm和Ф0.4mm的小孔，驱动转轮旋转时将不同尺寸的小孔旋转到光路的中心轴线上，为信噪比和光晕测试提供所需的针孔光斑。

1:1投影镜头用于将针孔光斑耦合到像增强器的阴极面上。

程控暗箱用于为待测像增强器提供相对独立的照度环境，由步进电机控制器控制暗箱的的升降。

1:1成像镜头用于将像增强器输出的光信号耦合到探测模块的敏感光电面。

探测模块根据信噪比和光晕的测试需要切换sCMOS相机和带小孔光阑的光电倍增管，棱镜将两个探测器的光路耦合在一起；带小孔光阑的光电倍增管的光敏面前方安装有Ф0.4mm的小孔光阑，为光电倍增管信号探测时消除杂光。

三维移动滑台和三维移动机构的XY轴手动调节后固定，Z轴通过安装在三维移动滑台和三维移动机构上的伺服电机的控制器程控移动满足聚焦要求。XY电动平移台移动1:1成像镜头及其以上光路器件，使光电倍增管上通过小孔光阑的像增强器输出的光斑信号调节到最大值。

光源系统暗箱为光源模块和1:1投影镜头提供暗箱环境。

电气柜用于安装源模块和控制器。

电源和控制器用于为所有电器提供可靠电源和控制。

自动扫码枪用于扫描识别像增强器的管号，便于测试数据的记录。

电动挡板用于1:1投影镜头防尘。

工控机上的数据采集模块提供相应接口，传输和采集所有数据和控制信号。

本发明的一种像增强器信噪比和光晕自动测试方法，采用如前所述的一种微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统，该方法包括以下步骤：

(1)测试准备

测试之前将卤钨灯预热30分钟以上，打开电动快门，移开电动挡板，中性衰减滤光片切换在无滤光片，使用照度指示器检测照度，调节卤钨灯电源的电流值，获得2856K下的光源照度值为5×10^-3±25％lx，此时中性衰减滤光片切换在ND1.5位置时，像增强器阴极面照度为1.08×10^-4lx。将带有像增强器的测试外壳通过机器人气指或人工放置到检测工位后，像增强器自动接通电源，程序控制将程控暗箱运行到闭合状态。

(2)进行光晕自动测试

打开快门，移开电动挡板，将电动针孔转轮旋转到Ф0.3mm或Ф0.4mm小孔位置，开启sCMOS相机，程控移动三维移动滑台和三维移动机构的Z轴，使工控机上采集的小孔图像清晰；程控移动XY电动平移台，使小孔图像的中心移动到sCMOS相机的中心。通过对工控机上采集的小孔图像进行识别测量，计算出当前小孔光斑的实际直径。

(3)进行信噪比自动测试

关闭sCMOS相机；将电动针孔转轮旋转到Ф0.2mm小孔位置，开启光电倍增管电压和光电倍增管信号处理器，联合程控移动三维移动滑台和三维移动机构的Z轴以及XY电动平移台，使小孔图像的中心移动到光电倍增管前方安装的小孔光阑的中心，此时光电倍增管信号处理器上的数值调节到最大值；旋转滤光片电动切换轮，将ND1.5中性滤光片置于光路中，此时像增强器阴极面照度为1.08×10^-4lx，提高光电倍增管电压，使光电倍增管信号处理器上的数值在规定的预设值上(一般为3.5mv左右)；

关闭快门，进行信号采集；先将信号通过10Hz的低通滤波器(模拟和数字滤波均可)采集信号10秒以上为背景信号(采集数不小于8000个)，打开快门，再将通过10Hz的低通滤波器信号采集50秒以上为曝光信号(采集数不小于30000个)；根据所采集的背景信号值计算背景信号的直流分量S₂和交流分量N₂，根据所采集的曝光信号值计算曝光信号的直流分量S₁和交流分量N₁；k系数为修正系数，和荧光屏的10Hz低通滤波特性有关。信噪比的测试值根据下列公式计算：

信号采集之前需做信号值的零位校准。

测试完像增强器的信噪比后计算其噪声系数，噪声系数的计算公式为：

式中：η—像增强器的噪声系数；S/N—像增强器的实际信噪比值；J—像增强器灵敏度值。

与现有技术相比较，本发明的有益效果：

1、解决像增强器信噪比和光晕性能参数的自动测试需要；

2、将水平光路改为垂直光路，有利于使用机器人气指自动安装和取下像增强器，提高了像增强器的测试效率；

3、将信噪比测试和光晕测试集成在一个测试系统上，操作方便，节约成本，可靠性高。

附图说明

图1：微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统结构示意图。

图2：微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统接线图。

图3：微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统光路示意图。

图中：1-电气柜，2-带高性能数据采集卡的工控机，3-程控暗箱，4-XY电动平移台,5-1:1成像镜头，6-sCMOS相机，7-带小孔光阑的光电倍增管，8-棱镜安装座，9-三维移动滑台，10-自动扫码枪，11-带像增强器的测试外壳，12-电动挡板，13-1:1投影镜头，14-电动针孔转轮，15-三维移动机构，16-带照度探测器的积分球，17-电动光阑，18-电动滤光片轮组件，181-滤光片电动切换轮，182-中性衰减滤光片，19-电动快门，20-连接筒，21-卤钨灯安装座，22-光路安装支架，23-光源模块，24-光源系统暗箱，25-电源和控制器，26-数据采集模块，27-步进电机控制器，28-XY电动平移台控制器，29-光电倍增管信号处理器，30-伺服电机控制器，31-照度指示器，32-sCMOS图像芯片，33-棱镜，34-光电倍增管光敏面，35-小孔光阑，36-阴极光阑，37-对中光阑，38-卤钨灯。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的像增强器图像质量综合测试系统的实施时如发明内容中所述，此处不再赘述。

如图1所示，设备光路中所有非光学玻璃材料全部采用无反光的黑色材料或黑色亚光处理，尽量减少环境光对测试结果的影响，设备校正前先进行卤钨灯的色温校准，色温校准需在相应的色温测试仪器上进行，获得卤钨灯的色温为2856K下的电流值A。测试之前将卤钨灯38在色温2856K的电流值A下预热30分钟以上，打开电动快门19，移开电动挡板12，中性衰减滤光片182切换在无滤光片，使用照度指示器31检测照度，调节电动光阑17或手动可调光阑，使照度为E＝5×10^-3±25％lx后，记录电动光阑17的位置或固定手动可调光阑；在A±30mA范围内，调节卤钨灯38的电流，获得色温2856K下的光源照度校准值E，此时中性衰减滤光片切换在ND1.5位置时，像增强器阴极面照度为1.08×10^-4lx。将带有像增强器的测试外壳通过机器人气指或人工放置到检测工位后，像增强器自动接通电源，程序控制将程控暗箱运行到闭合状态。

实施时，实施三维移动滑台9的XY轴为手动调节固定，Z轴为电机程控调节；三维移动机构15的XY轴为手动调节固定，Z轴为电机程控调节；电动光阑17可用手动可调光阑代替。

下面针对本发明的采用像增强器图像质量综合测试系统的测试方法的实施举例说明。

实施例1

本发明的微光微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统的测试方法的步骤如下：

1、像增强器光晕测试

光晕自动测试时，打开电动快门19，将电动针孔转轮14旋转到Ф0.3mm或Ф0.4mm小孔位置，开启sCMOS相机6，程控移动三维移动滑台9和三维移动机构15的Z轴，使工控机2上采集的小孔图像清晰；程控移动XY电动平移台4，使小孔图像的中心移动到sCMOS相机6的图像中心。通过对工控机2上采集的小孔图像的识别测量，计算出当前小孔光斑的实际直径。

2、像增强器信噪比测试

光晕自动测试完成后，关闭sCMOS相机6，进行信噪比自动测试；将电动针孔转轮14旋转到Ф0.2mm小孔位置，开启光电倍增管7的供电电压和光电倍增管信号处理器29，联合程控移动三维移动滑台9和三维移动机构15的Z轴以及XY电动平移台4，使小孔图像的中心移动到光电倍增管7前方安装的小孔光阑35的中心，此时光电倍增管信号处理器29上的数值调节到最大值；旋转滤光片电动切换轮181，将ND1.5中性滤光片置于光路中，此时像增强器阴极面照度为1.08×10^-4lx，提高光电倍增管7的供电电压，使光电倍增管信号处理器29上的数值在规定的预设值上(一般为3.5mv左右)；信号采集时，先将信号通过10Hz的低通滤波器(模拟和数字滤波均可)。则自动信噪比的测试过程为：

a、测试背景信号

关闭电动快门19，采集信号10秒以上为背景信号(采集数不小于8000个)，根据所采集的背景信号值计算背景信号的直流分量S₂和交流分量N₂，直流分量为所采集信号值的平均值，交流分量为所采集信号值的均方根值。

b、测试曝光信号

打开电动快门19，采集信号50秒以上为曝光信号(采集数不小于30000个)，根据所采集的曝光信号值计算曝光信号的直流分量S₁和交流分量N₁；直流分量为所采集信号值的平均值，交流分量为所采集信号值的均方根值。

c、计算

信噪比的测试值根据下列公式计算：

式中：k系数为修正系数，和荧光屏的10Hz低通滤波特性有关。

测试完像增强器的信噪比后计算其噪声系数，噪声系数的计算公式为：

式中：η—像增强器的噪声系数；S/N—像增强器的实际信噪比值；J—像增强器灵敏度值。

3、测试结果校准

测试结果的校准包括信噪比校准和光晕校准，校准时不需要安装像增强器，直接使用1:1成像镜头5聚焦1:1投影镜头13所投影的电动针孔转轮14的小孔光斑后进行信噪比和光晕测试，测试过程与安装像增强器时的测试方法相同，将测试值与原始值对比后进行系数修正。

Claims (9)

1.一种微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统，其特征在于，包括光源模块、电动针孔转轮、1:1投影镜头、程控暗箱、1:1成像镜头、探测模块、三维移动滑台、XY电动平移台、三维移动机构、光源系统暗箱、自动扫码枪、电动挡板、工控机、电源和控制器；

所述光源模块由卤钨灯安装座、对中光阑、连接筒、电动快门、电动滤光片轮组件、电动光阑、带照度探测器的积分球、照度指示器组成；

所述探测模块由带小孔光阑的光电倍增管、信号处理器、sCMOS相机、棱镜安装座组成；

所述光源模块、电动针孔转轮、1:1投影镜头、带有像增强器的程控暗箱、1:1成像镜头、棱镜安装座、光电倍增管的中心位于同一轴线上，通过三维移动滑台、XY电动平移台和三维移动机构调节对准像增强器的阳极面和阴极面并聚焦，sCMOS相机通过棱镜耦合到轴线光路上同时成像；

所述光源模块固定在光路安装支架上，卤钨灯为标准A光源，通过对中光阑校准灯丝中心，连接筒和电动光阑组合调节照度，电动快门可以切断光路；

所述电动滤光片轮组件由电动切换轮和中性衰减滤光片组成；

所述带照度探测器的积分球输出均匀照度，照度指示器能显示和输出实时照度值；

所述电动针孔转轮上包含有多个不同孔径的小孔；

所述1:1投影镜头用于将针孔光斑耦合到像增强器的阴极面上；

所述程控暗箱用于为待测像增强器提供相对独立的照度环境，由步进电机控制器控制暗箱的升降；

所述1:1成像镜头用于将像增强器输出的光信号耦合到探测模块的敏感光电面；

所述探测模块根据信噪比和光晕的测试需要切换sCMOS相机和带小孔光阑的光电倍增管，棱镜将两个探测器的光路耦合在一起；带小孔光阑的光电倍增管的光敏面前方安装有Ф0.4mm的小孔光阑，为光电倍增管信号探测时消除杂光；

所述三维移动滑台和三维移动机构的XY轴手动调节后固定，Z轴通过安装在三维移动滑台和三维移动机构上的伺服电机的控制器程控移动满足聚焦要求；XY电动平移台移动1:1成像镜头及其上的光路器件，使光电倍增管上通过小孔光阑的像增强器输出的光斑信号调节到最大值；

所述光源系统暗箱为光源模块和1:1投影镜头提供暗箱环境。

2.根据权利要求1所述的微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统，其特征在于：

所述衰减滤光片有ND3、ND2、ND1.5、ND1、ND0.5共5组衰减倍率，切换滤光片获得所需照度。

3.根据权利要求2所述的微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统，其特征在于：

所述电动针孔转轮上至少包含有Ф0.1mm、Ф0.2mm、Ф0.3mm和Ф0.4mm的小孔，驱动转轮旋转时将不同尺寸的小孔旋转到光路的中心轴线上，为信噪比和光晕测试提供所需的针孔光斑。

4.根据权利要求3所述的微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统，其特征在于：

还包括用于安装电源和控制器的电气柜。

5.根据权利要求4所述的微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统，其特征在于：

还包括用于1:1投影镜头防尘的电动挡板。

6.根据权利要求5所述的微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统，其特征在于：

还包括工控机，该工控机中设置有数据采集模块，用于采集数据和传输控制信号。

7.一种像增强器信噪比和光晕自动测试方法，采用如权利要求6所述的微光像增强器信噪比和光晕自动测试系统，该方法包括以下步骤：

(1)测试准备

测试之前将卤钨灯预热，打开电动快门，移开电动挡板，中性衰减滤光片切换在无滤光片，使用照度指示器检测照度，调节卤钨灯电源的电流值，获得需要的光源照度值，此时满足光晕检测的照度要求；将带有像增强器的测试外壳放置到检测工位后，像增强器自动接通电源，程序控制将程控暗箱运行到闭合状态；

(2)进行光晕自动测试

打开快门，移开电动挡板，将电动针孔转轮旋转到Ф0.3mm或Ф0.4mm小孔位置，开启sCMOS相机，程控移动三维移动滑台和三维移动机构的Z轴，使工控机上采集的小孔图像清晰；程控移动XY电动平移台，使小孔图像的中心移动到sCMOS相机的中心；通过对工控机上采集的小孔图像进行识别测量，计算出当前小孔光斑的实际直径；

(3)进行信噪比自动测试

关闭sCMOS相机；将电动针孔转轮旋转到Ф0.2mm小孔位置，开启光电倍增管电压和光电倍增管信号处理器，联合程控移动三维移动滑台和三维移动机构的Z轴以及XY电动平移台，使小孔图像的中心移动到光电倍增管前方安装的小孔光阑的中心，此时光电倍增管信号处理器上的数值调节到最大值；旋转滤光片电动切换轮，将ND1.5中性滤光片置于光路中，此时像增强器阴极面照度为1.08×10^-4lx，提高光电倍增管电压，使光电倍增管信号处理器上的数值在规定的预设值上；

关闭快门，进行信号采集；先将信号通过低通滤波器后所采集的信号作为背景信号，打开快门，先将信号通过低通滤波器后所采集的信号作为曝光信号；根据所采集的背景信号值计算背景信号的直流分量S₂和交流分量N₂，根据所采集的曝光信号值计算曝光信号的直流分量S₁和交流分量N₁；k系数为修正系数，和荧光屏的低通滤波特性有关；信噪比的测试值根据下列公式计算：

然后计算其噪声系数，噪声系数的计算公式为：

式中：η—像增强器的噪声系数；S/N—像增强器的实际信噪比值；J—像增强器灵敏度值。

8.根据权利要求7所述的像增强器信噪比和光晕自动测试方法，其特征在于：

所述将带有像增强器的测试外壳通过机器人气指或人工放置到检测工位，程序控制将程控暗箱运行到闭合状态。

9.根据权利要求7或8所述的像增强器信噪比和光晕自动测试方法，其特征在于：

所述调节卤钨灯电源的电流值，获得2856K下的光源照度值为5×10^-3±25％lx；

所述中性衰减滤光片切换在ND1.5位置时，像增强器阴极面照度为1.08×10^-4lx；

所述低通滤波器的带通设定为10Hz。

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