环境照度对微光夜视仪器的影响
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第
33卷 第
4期 激光与红外
Vol.33,No.4
2003年
8月
LASER
&
INFRAREDAugust,2003
・讨论与交流・
文章编号
:10012
5078(
2003)
042
03132
03
环境照度对微光夜视仪器的影响
苏美开1
,高稚允1
,亢俊健2
(
11北京理工大学光电工程系
,北京
100081;21中国矿业大学机电工程系
,北京
100083)
摘 要
:文中计算了微光夜视仪的最佳工作照度范围为
10-2
～
11x;以一代微光夜视仪为例
,
估算了强光照度下对寿命的影响。
关键词
:微光夜视仪
;最佳工作照度
;强光
中图分类号
:TN233 文献标识码
:A
TheInfectionofSurroundingsIlluminateon
Low2
light2
levelNight2
visionDevice
SUMei2
kai1
,GAOZhi2
yun1
,KANGJun2
jian2
(
11
DepartmentofOpto2
electronicEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China;
21
ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China)
Abstract:Thebestrangeofrunningilluminateoflow2
light2
levelnight2
visiondevicearecalculatedthatis10-2
～
11x.Thefirstgenerationlow2
light2
levelnight2
visiondeviceasexample,theinfectiononlifeofthemunderstrong
illuminateareestimated.
Keywords:Low2
light2
levelnight2
visiondevice;thebestrangeofrunningilluminate;strongilluminate
1 引 言
人们在研究微光夜视仪器时通常考虑如何提高
它的视距离[1～2]
,却很少考虑强光对它的干扰
,即
使考虑也仅仅定性地讨论一下[3～4]
。强光对微光
夜视仪的影响主要表现在两个方面
:一是景物照度
太高
,荧光屏的亮度太高
,使人眼灵敏度降低(刺
眼)[3]
;二是入射光的绝对强度和时间积累过大
,直
接把像增强器的光电阴极或荧光屏损坏[4]
。前一
种情况造成的后果是观察效果不好
,影响使用
;第二
种情况则是对装备直接损坏
,或降低使用寿命。本
文定量地讨论了这种影响。
2 微光夜视仪器最佳工作环境照度估算
几乎所有的微光仪器在使用说明书中都要求不
要在较亮环境中使用
,但都没有给出一个定量的数
据来。那么它的工作环境照度范围多少为宜
?即天
黑到什么程度可以使用
?下面以一代夜视仪器
3XZ18/18F型像管为例进行定量分析。
实验表明[3]
人眼在不同的亮度下能分辨的最
小百分差是不同的
,但在
121
73～
6361
3cd/m2
的亮
度范围内
,能分辨的百分差最小
,且几乎相等。因此得出夜视仪器的最佳荧光屏亮度。
根据微光夜视仪器的亮度增益的定义有
E
in=L
out/G
ι(
1)
其中
E
in入射到光电阴极上的照度
,L
out为荧光
屏的输出亮度
,G
t像管增益。又设仪器的物镜相对
孔径为
T=D/f,透过率为τ
。目标反射率为ρ
,则
有[3]
E
in=π
L
0τ
T2
/4(
2)
其中
L
0为环境亮度
,我们改为用照度表示上式
为
E
in=π
(ρ
E
0/π
)τ
T2
/4=ρ
E
0τ
T2
/4(
3)
由(
1)(
2)得
E
0=4L
out/(ρτ
T2
G
ι)(
4)
这就是环境照度与荧光屏亮度的关系表达式。
应该注意的是
,这里我们忽略了一个因子
e-σι
(ι
为
目标距离
,σ
为大气传输系数)
,因为在讨论环境情
作者简介
:苏美开(
1964-)
,男
,目前在北京理工大学光电工程
系攻读博士学位
,主要从事光电工程研究
,已经发表学术论文
40余
篇
,获科技进步奖十余项。
收稿日期
:20022
11219
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.况时
,应取ι
=0。
例如
x式炮长微光指挥镜采用的是
3XZ18/
18F型像增强器
,其亮度增益为
G
ι=12700,已知
T
=107mm/150mm=0.71,τ
=0.85,另外根据三种
典型目标的反射光谱曲线[3]
可取ρ
=01
5。将所有
数据代入(
4)式得
E
0=11
46×
10-3
L
out(
5)
将
L
out=12.73～
636.3cd/m2
代入(
5)式可得出最佳照度范围为
E
0=11
86×
10-2
Lx～
0.929Lx。
查找地面自然景物的照度值[4]
,可对应得到夜
视仪的最佳工作环境范围(近似)
:
满月浓云⊥满月薄云⊥半月晴朗⊥满月晴朗⊥微明
当然不同的仪器由于各种技术参数的不同
,所
得到的结果不一样
,表
1中给出了几种典型仪器的
结果。表
1 几种典型仪器的最佳工作照度范围(取ρ
=01
5)
仪器名称(皆为一代仪器)相对孔径
/透过率
像增强器型号及亮度增益(
cd/m2ι
x)工作环境范围(ι
x)
X式炮长微光指挥镜
01
71/01
853XZ18/18F/12700
11
86×
10-2
～
01
929
X式手持微光夜视仪
0.91/0.853XZ18/18F/12700
1.14×
10-2
～
0.570
X式微光观察镜
1.00/0.853XZ25/25F/16000
0.74×
10-2
～
0.369
X式头盔微光观察镜
11
00/01
853XZ18/7F/220
53.8×
10-2
～
26.83
3 入射光强度过大对仪器寿命的影响
虽然一代微光夜视仪器都有自动亮度控制电路
和防闪光电路
,但事实上
,它们的控制和防护作用是
很有限的。一是因为这两种电路的反应时间相对比
较长
;二是遇到强光干扰时
,由于没有局部饱和效
应
,整个视场一片光亮
,看不清目标。或者是
FP电
阻起作用
,电子束散焦
,也无法观察。
研究表明[4]
,微光像增强器的荧光屏所承受的
电子束的功率密度约为
10～
200W/mm2
,超过这个
值后可能由于屏温过高而灼伤
,常见一代夜视仪器
屏幕上的黑斑痕就是由于多次或长时间强光干扰而
形成的。下面计算这个强光亮度值。
设夜视仪荧光屏电子束流功率密度破坏阈值
P
mo对应荧光屏的破坏亮度阈值
L
m有
L
m=η
P
m/π
(
6)
η
为荧光屏的发光效率
,对于
P-20材料的铝
膜荧光屏典型发光效率为
40-50ι
m/W,P-11材
料的铝膜荧光屏典型发光效率为
10ι
m/W。
则根据亮度增益的定义(
1)式得出光阴极照度
极大值为
E
m=L
m/G
ι=η
P
m/π
G
ι(
7)
从而得到目标照度的极大值
E
om=4η
P
m/(πρτ
T2
G
ι)(
8)
同样以
x式炮长微光指挥镜为例
,采用的是
3XZ18/18F型像增强器
,其亮度增益为
G
ι=12700,
并知
T=107mm/150mm=0.7,τ
=0.85,取ρ
=
01
5,η
=40ι
m/W代入上式得
E
om=11
9×
10-2
P
m(
9)
将
P
m=10～
200W/mm2
=10
7
～
2×
108
W/m2
代入(
11)得E
om=11
9×
105
～
31
8×
106
ι
x。这就是目标照度
对荧光屏的损伤阈值。当然这个数值只是近似结
果
,并不是说仪器在这个照度下是绝对安全的
,也不
能说超过这个照度下一定能损坏。仪器的寿命通常
与目标照度和时间的积分有关
,而且对点光源和均
匀照明光源也不同
,也与光电阴极电压有关。如图
1
由硅增强靶的安全条件[4]
,可用来参考求出光电
阴极的寿命。
图
1 像管寿命与照度及阴极电压关系
由图
1可以看出当光电阴极面上平均照度很大
时
,如白天中午曝光时间只能在
1s以内。否则要出
现损坏现象。由图
1可算出光电阴极的平均寿命
,
对于
U=-9KV,t和照度
E成对数线性关系
,即
1gt=5-1gE(
10)
在安全工作区内可求出
t的平均值
lg
T=lg
t=∫1
-2(
lg
t)
d(
lg
E)
1-(
-2)=51
5
则
T=10515
s≈
871
8h。如果工作在照度
1～
10-2
ι
x
范围内
,则有
T=106
s≈
260h,可提高寿命
3倍。413
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33卷
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