图像增强与夜视技术的融合

图像增强与夜视技术的融合

图像增强与夜视技术的发展历程，从0代到3代的技术演变，以及未来的发展方向。

经过几代科研人员的不断努力，图像增强设备将视觉带入了黑暗的夜晚。图像增强，即夜视的概念，是管内发生的复杂的能量粒子转换。图像增强系统的工作原理是通过物镜收集光子，通过光电阴极将其转换为电子，用微通道板 (MCP) 增强电流，使用荧光屏将电流转换回光，并通过目镜呈现图像以供观看。
采用精密的微型电源为电子管元件之间提供电压，从而实现能量转换和放大。电子管内的所有元件都紧密排列，以避免电子散射。
电子放大主要发生在 MCP 中，MCP 是一个薄盘，包含许多紧密排列的通道。当电子穿过通道并撞击通道壁时，会释放出数千个额外的电子。当这些电子撞击荧光屏时，增加的能量被重新转换为比进入的光亮数千倍的光。荧光屏以与目标透镜收集的光相同的模式发射这种光，因此目镜中看到的明亮、增强的图像与黑暗中看到的（或未看到的）场景相对应。

0代

在第二次世界大战和朝鲜战争期间，隐形战争的艺术已经扎根，正式的狙击训练已经成为军事演习的一部分。正是在这些年里，图像强化技术开始了。
早期的狙击手使用图像转换器（狙击瞄准镜），需要红外源来照亮目标。这些图像转换器被称为 Gen 0，是从 RCA 于 1930 世纪 0 年代中期开发的图像转换管演变而来，用于电视。Gen 1 图像转换器使用 S-1 光电阴极、带有高压电子加速电场的红外传感器和荧光屏。S-XNUMX 阴极（AgOC）的量子效率不如当今使用的阴极，但它能够在红外照明器的帮助下提供图像。
在这一代中，增强图像的过程非常简单。反射的红外照明光进入管内，光电阴极将光转换为电子。电子元件通过锥形元件（阳极）聚焦这些电子，并使用非常高的电压加速它们，以便它们以更高的能量撞击荧光屏，从而重现清晰的图像。以这种方式加速电子不会产生太多增益，并导致图像失真。

1代

星光瞄准镜于 1960 世纪 1 年代初开发，并在越南战争期间使用，它使用第一代图像增强管制造而成。在这种瞄准镜中，三个图像增强管串联连接，使装置比今天的夜视镜更大更重。早期的这一代产品可产生透明的中心图像，而边缘则扭曲。使用串联连接的多个管子可实现更大的总光增益，因为主管的输出被第二个管子放大，第二个管子被第三个管子放大。由于电源设计简单，图像容易出现晕影——由于强光源导致增强管过载，图像会瞬间消失。
Gen 1 和 Gen 0 之间的主要区别在于，光电阴极的制造采用了更复杂的化学变化。S-20 阴极是一种多碱锑化物工艺，由于光谱响应，灵敏度也得到了提高。然而，Gen 1 确实存在与 Gen 0 相同的一些缺点，如图像失真和管寿命缩短。

2代

第二代技术开发于 1960 世纪 2 年代末，随着微通道板的发展，它在夜视方面取得了重大突破。此外，第一代所用的光电阴极工艺进一步改进为 S-1 阴极，并产生了更高的光响应。
然而，正是 MCP 的引入使得第二代产品独一无二。MCP 始于两块不同的玻璃。一根超大的实心玻璃管（芯）被放置在一个玻璃管套（包层）内。然后将两块玻璃一起加热并拉伸，制成一根直径非常小的光纤。最终将光纤压缩在一起，制成一束称为晶圆的玻璃纤维。然后以一定角度将晶圆切成薄片。进一步的化学处理只会去除芯玻璃，从而在 MCP 内形成通道。在管操作期间，电子进入通道，当它们撞击通道壁时，它们会产生二次电子发射，从而产生数百个电子
MCP 内通道间距很小，加上 MCP 与光电阴极以及荧光屏之间的间距也很小，因此可以生成图像，而不会出现第 0 代和第 1 代管的失真特征。然而，与今天的 MCP 相比，早期 MCP 内的通道相当大。因此，早期第 2 代管内的分辨率远不如第 0 代、第 1 代或今天的第 2 代和第 3 代管。
Gen 2 的另一个进步是减小了管模块和电源的整体尺寸和重量。这一减小使得 Gen 2 管成为用户安装设备（如头戴式和头盔式护目镜）中使用的主要图像增强器。

3代

Gen 1970 于 1980 世纪 3 年代中期开发，并于 2 世纪 3 年代投入生产，主要体现了光电阴极技术的进步。Gen 3 和 Gen XNUMX 管的整体外观非常相似。Gen XNUMX 管使用砷化镓 (GaAs) 作为光电阴极。这大大提高了管的灵敏度，尤其是在近红外范围内。灵敏度的提高提高了系统在低光条件下的性能，或者换句话说，使管能够探测更远距离的光。
然而，高反应性的 GaAs 光电阴极可能很容易因正常运行时管内固有的化学相互作用而退化。由于电子与 MCP 通道壁的相互作用，大多数化学反应发生在 MCP 内。因此，为了克服光电阴极的退化效应，在 MCP 的输入侧添加了一层薄薄的金属氧化物涂层。这种涂层通常被称为离子阻挡膜，它不仅可以防止光电阴极过早退化，还可以将管的寿命提高到第二代管的几倍。
这种改进仍然是第二代和第三代管之间的巨大性能差异。然而，薄膜可以阻止光电子进入 MCP，因此本质上它增加了管的电子噪声分量。信噪比或 SNR 是图像增强管整体性能的重要衡量标准。信号分量直接来自光电阴极灵敏度。噪声分量来自管的各种操作方面的综合影响，包括物理和电气方面。第三代光电阴极的明显更高的光响应完全抵消了增加的噪声分量（由于离子阻挡膜），使第三代比第二代有了很大的改进。
多年来，第二代和第三代管制造商都在不断改进，以扩大各自技术的信噪比。此外，MCP 制造也不断改进，从而提高了总体分辨率。在开发没有离子屏障膜的第三代管方面，他们付出了相当大的努力。事实证明这一努力是成功的，但与性能改进相比，制造成本过高。

未来发展方向是什么？

图像增强技术通常与夜视镜 (NVG) 的使用有关。另一项与图像增强无关但被称为夜视的主要技术是热成像或红外成像。图像增强和热成像各有优缺点。热像仪非常擅长在无光条件下检测热源，如人员的体热或发动机热量；然而，它们的分辨率不如图像增强器高（在等效视场下）。这是因为热像仪提供电子输出，因此焦平面阵列 (FPA) 的像素大小远大于图像增强管直接观察光学输出的“有效”像素大小。此外，由于热像仪的尺寸、重量和功耗 (SWaP) 较大，多年来一直不适合用于 NVG 等用户安装的应用。近年来，氧化钒和非晶硅等非制冷热像仪的进步极大地改善了这些特性，使其更适合头戴式应用。
不难想象，用户将同时享受热成像和图像增强设备的各种优势。因此，创建一款能够将两种技术的优势结合在一起的设备是合乎逻辑的。

传感器融合

传感器融合将热成像和图像增强技术各自的优势整合到一个设备中。通过结合这两种技术的优势，用户可以查看更大范围的阳光光谱——从可见光到近红外再到长波红外。通过一个设备就能从可见光和热光谱中获取信息，这对军事、安全和执法人员来说是一个巨大的优势。
人们希望将这两种技术融合在一起，同时保持较低的总体 SWaP 功耗，以便人们可以随身携带设备，这导致了最新夜视技术和设备的出现。第一种设备是增强型夜视镜 (ENVG)，它将热像仪与图像增强器结合在一起。在 ENVG 中，图像增强器的工作原理与标准 NVG 类似。但是，热传感器的图像会显示在屏幕上，然后与图像增强器的输出进行光学叠加。长期目标是将热像仪的视频输出直接与电子输出图像增强器的视频输出相结合。然后，这些新设备可以通过称为数字增强型夜视镜 (ENVG-D) 的设备向 HMD 呈现完整的数字融合图像。
引领直接视频输出图像增强器技术发展的是 MCPCMOS（微通道板互补金属氧化物半导体）和 EBAPS（电子轰击有源像素传感器）。这两种设备都将改进的 CMOS 成像器直接组合到近距离聚焦图像管的真空外壳中。CMOS 成像器取代了荧光屏，并提供即时视频输出，该输出将显示在头戴式或头盔式显示器上。第一个区别是 EBAPS 不包含微通道板，因此限制了其光增益能力。此外，通过电子输出，图像通常可以进行数字增强，也可以与热像仪的电子输出进行数字组合。
以完全电子格式保存图片将允许用户将图片传输到指挥中心进行信息验证或一般情报收集和观察。政府已投入大量研发资金来提高图像增强器的性能。本文讨论的图像增强器及其相关技术的第一个用途是军事，但正如现代技术通常所发现的那样，为某一目的而开发的产品已被证明可用于其他目的。
随着技术的进步，其应用领域也不断扩大。医学、科学、工业和商业成像应用都在利用这项技术。医学成像行业越来越依赖图像增强器作为诊断系统的关键组件。图像增强器与内窥镜、X 射线成像和荧光透视设备结合使用，以帮助完成许多程序。此外，图像增强器还与研究项目工具一起使用，用于与癌症研究相关的细胞和组织评估。图像增强器在机器视觉和光谱设备等众多商业应用中也越来越受欢迎。