Качество изображения и ЧКХ

Представим какой-либо излучающий объект, систему передачи и воспроизведения информации (СПВИ) и изображение объекта, которое создаёт СПВИ.

Возьмём малый элемент на поверхности объекта dS около произвольной точки (x, y, z). Яркость излучения этого элемента обозначим как B_o(x, y,z, λ, t) – функция яркости объекта, несущая информацию об объекте. СПВИ создаёт изображение объекта, которое характеризуется B_и(x, y, z, λ, t) – функцией яркости изображения.

Для упрощения задачи, во-первых, будем считать объект и его изображение плоскими, находящимися соответственно в плоскости объектов и изображений, во-вторых, будем пренебрегать спектральными и временными зависимостями. В результате функции яркости объекта и изображения будет иметь вид: B_o(x, y,) и B_и(x, y). Преобразование B_o в B_и и есть целевая функция СПВИ.

Простейшим примером такого преобразования может быть обычная лупа. Однако встречаются и более сложные СПВИ, состоящие из ряда оптических, электронно-оптических, фотографических, телевизионных, радиотехнических и других звеньев. При этом возможно масштабирование, спектральное преобразование, усиление по мощности, кодирование, декодирование изображение, их запоминание, передача изображений на расстояния и прочее.

Таким образом, конечная задача СПВИ – это обеспечение возможно более точного соответствия между предметом и его изображением, то есть, между функциями яркости объекта и изображения.

Это соответствие может быть физически точным или, что чаще, физиологически точным, то есть с точки зрения критериев и ограничений человеческого глаза.

Чем лучше решена эта задача, тем выше качество изображения и качество СПВИ.

Абсолютно точное соответствие между функциями объекта и изображения в принципе невозможно. В любой реальной СПВИ всегда происходят, во-первых, потери некоторой части информации об объекте, во-вторых – некоторые искажения передаваемой и воспроизводимой информацией. Это справедливо как для всей СПВИ, так и для каждого звена в отдельности. Потери имеют разную природу:

1. Геометрические потери (дисторсия) : форма фигуры изображения или его частей отличается от формы фигуры объекта или его частей вследствие изменения масштаба (увеличения) по полю зрения;

2. Наиболее мелкие детали объекта исчезают, теряются, не воспроизводятся в изображении, видны нечётко, их границы и края несколько размыты;

3. Детали изображения, которые воспроизводятся, виды нечётко, их границы и края несколько размыты;

4. Детали изображения различаются по яркости в меньшей степени, чем аналогичные в объекте (перепады яркости в изображении меньше, чем в объекте)

5. В изображении имеют место ложные детали, дефекты;

6. Изображение становится зернистым, флуктуирует во времени[2].

Дисторсия в бипланарных ЭОП 2+ и 3 поколения отсутствует. Искажения вида 2-4 можно обобщить как потери в чёткости и контрасте (они в некоторых отношениях взаимосвязаны). Искажения вида 5 – это дефекты, связанные с качеством СПВИ (дефекты чистоты поля зрения ЧПЗ) и внешними помехами. Искажения вида 6 связаны с шумами входного сигнала (функции излучения объекта) и СПВИ или её звеньев и становятся определяющими при малых уровнях входных сигналов, при работе СПВИ в пороговых условиях.

При достаточно большом уровне интенсивности входного сигнала, когда шумами можно пренебречь, качество изображения СПВИ определяется, главным образов, свойствами чёткости, передачи контраста и ЧПЗ.

Электронно-оптические преобразователи 3-его поколения, работающие при низком уровне освещенности состоят из GaAs фотокатода, микроканальной пластины (МКП) и люминесцентного экрана. Когда идеальный точечный источник облучает GaAs фотокатод, фотоэлектроны возбуждаются и затем испускаются с фотокатода. Фотоэлектроны за счет разности потенциалов переносятся к входной поверхности МКП. После умножения электронов МКП большее количество электронов бомбардирует люминесцентный экран. Рабочими характеристиками ЭОП являются разрешающая способность, отношение сигнал-шум, усиление яркости, эффект гало, частотно-контрастная характеристика (ЧКХ). Наши предшественники исследовали и проанализировали рабочие характеристики. Но лишь в немногих работах обсуждается взаимосвязь между данными параметрами. Хорошо известно, что при рассматривании яркого пятна определенного размера через ЭОП, работающий при низком уровне освещенности, изображение входного светового пятна на люминесцентном экране может проявляться в окружении «ореола» - это эффект гало. Гало-изображения ЭОП можно зарегистрировать системой сбора данных, а затем передаваться на компьютер. При помощи методов цифровой обработки сигналов на компьютере изображение гало можно преобразовать в распределение по яркости. Распределение уровня яркости – это распределение электронов на люминесцентном экране. В настоящее время эмпирически полученные уравнения ЧКХ фотоэлектрических визуализирующих устройств составлены в формате exp(–(f/f_c)ⁿ). Чтобы исследовать отношение между ЧКХ и эффектом гало ЭОП в данной работе изучается взаимосвязь между ЧКХ и распределением электронов электронно-оптической системы с коротким фокусом, выбрав электронно-оптические преобразователи 3-го поколения в качестве предмета исследований. Электронно-оптическая система с коротким фокусом в данной работе – это система между фотокатодом и МКП в электронно-оптическом преобразователе 3-го поколения.

Под действием ускоряющего напряжения в коротком фокусе электроны от GaAs фотокатода переносятся к входной поверхности МКП. Так как МКП имеет конечную прозрачность, то наблюдается рассеяние электронов при столкновении со стенками каналов. На входную поверхность МКП, применяемой в ЭОП третьего поколения, наносится ионно-барьерная пленка, которая оказывает влияние на эффект гало. Электронное рассеяние вызывает как стенки каналов, так и ионно-барьерная пленка. Так как мы в основном исследуем в данной работе ЧКХ системы входного промежутка, влияние электронного рассеяния не рассматривается. Описав траекторию фотоэлектронов, испущенных от GaAs фотокатода во входном промежутке, рассчитывается распределение электронов по входной поверхности МКП, а именно функция рассеяния точки (ФРТ). Затем из интеграла ФРТ можно получить функцию рассеяния линии (ФРЛ). Наконец численно рассчитывается ЧКХ при помощи преобразования Фурье ФРЛ, и аппроксимируется расчетная кривая ЧКХ. Данное исследование обеспечивает теоретическую основу для дальнейшего развития техники ночного видения, работающей при низком уровне освещенности.