（电子科学与技术专业论文）智能化象管测试系统的实现及关键技术研究.pdf

浙江人学硕l 学位论义 摘要 本论文研究工作的内容是国防攻关项目的配套项目。为了对象管的性能和质 l 量进行有效的检测租评估，以提高我国象管的研制和开发水平，需要有客观、准 确的象管测试系统本文根据象管测试的基本原理和标准、规范，借鉴了以往的 钡4 试经验，采纳了最新的智能设备、处理工具，引入了现代的处理方法，实现了 一套新型的智能化象管测试系统。 、_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - l - _ - 一 文章首先在对象管的工作原理进行分析和介绍的基础上，讨论了影响象管性 能的一些主要性能参数并详细阐述了象管测试系统的实现方案和设计思路。然 后，对如何实现这些主要参数测试逐一进行了分析，讨论了系统实现的一些关键 _ _ _ - _ _ _ _ 一 性技术环节。最后，文章给出了实际测试结果和数据，并进行了讨论。同时介绍 了对系统关键技术的大量改进工作，为进一步的改进工作指出了方向，提出了想 法和意见。 本论文实现的智能化象管测试系统，借助于计算机、高级工业板卡、c c d 及 视频图象采集系统等现代智能设备，运用现代数字信号处理、数字图象处理等基 本方法，提供了对象管参数的全面测试功能，具有客观、稳定、准确、可靠等优 点，极大地提高了测试效率。 ， f 实际使用表明本论文研制的这套象管测试系统是成功的。目前该套测试系统 已经在国家信息产业部电子第五十五所通过了专家组的鉴定和验收，确认具有国 内领先水平并投入正常运行。( 2 浙江人学 l ! i li ：学位沦殳 1 1 引言 1 1 1 象管简介 第一章绪论 象管( 象增强器或变象管的统称) 是一种将聚焦在其光敏面上的辐射图象再 现于荧光屏上的真空光电器件。 下面以人眼观察物体为例说明象管的作用“1 。人眼可以看成是一个非常灵敏 和完善的光学接收体，但因其本身固有性能的限制，它也只能具有一定的光谱灵 敏度和分辨力。 长疗淼鬻黑嚣篙，。牟樊冬i 长疗面横跨了近二十个数量级，而，二1 ：_ l 工；一= ll ， 能引起人眼光感应的只是极短0 5 j，、 j l 的3 8 0 0 7 6 0 0 a 波段( 即可见光范0 2 ly ( 五矿i i ：矿( 名) i 围) 。就是在这个极短的波段中， ”1 l l i ：! 、1 人恨的灵敏度还要随波长而变化。 ：震ii ! i ；l ii 根据国际照明工程委员会的规定，0 0 1 li 是 ： i ! ll 用“视见函数”矿r j 来表示人眼 o 0 0 5 l7 ： ! l 的这种光谱灵敏度分布，如图卜l o j 0 0 2 ii 1 ! i i 所示。图中矿r i ，代表日问视觉： 0 0 0 0 。0 i l ? ，l ：i 7 r j , f 2 表夜间视觉。由图可以0 0 0 1i 董l ；ll ：；! 看出，人眼的视见函数的最大灵敏 3 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 0 7 0 07 5 0 良所对应的波长在同间和夜间是不 敬k 九) 同的，人眼的视见函数在夜f m 向短图1 1 人眼的视见函数 波予向移动。另一方面，从天空的 p 7 ( 五) 一日问视觉：v ( 五) 一夜间视觉 自然辐射光谱来看，白天和夜间也不相同。白天辐射的能量最大值在波长 t 5 0 0 6 5 0 0 a 范围，恰为人眼视见函数最大的区域。到了夜间，不仅辐射能量和 绝肘值大大下降，同时，在它的光谱分行中近红外部分的i ：t 重增大，这与视见函 数庄夜i m 向短波方向移动正好相反。因此人眼在夜i l l 观察物体会感到困难。如粟 浙江人学坝i 。学位论文 能j 豆过一个中间的光i 巳器件，把夜间的近红外辐射转换成可见光图象，使与人眼 的观见函数曲线相匹配，那就会改进入在夜间的观察效果。红外变象管就起了这 种作用。 在人眼观察物体时，能否分辨物体的细节取决于该细节的光强度高出或低下 于背景光强度的程度。我们用对比度c = ( 厶。一厶。) ( 厶。，+ 厶，。) 来表征这种强 度变化的相对程度，其中，厶。和。分别是物体的最大光强度和最小光强度( 对 比度也称调制度或调制深度，用符号吖表示) 。人眼对亮度对比的分辨能力有一 定的限度，这个限度称为人眼的“对比灵敏阈”，用i 、表示。只有当目标与背景 之间的实际对比度f 大于c 。时，人眼才能识别出目标：反之，若f 小于氐，目 标就不能被觉察。通过实验发现，c 。值与目标的亮度及人眼和目标之间所张的 视角盯三者之间存在着一定的函数关系： f ( c m ，b ，仃) = 常数 r 卜1 、 这仲函数关系称为视觉特性曲线。根据大量实测结果，表l l 列出了一套比较完 整的数据。当目标的实际对比度f 值一定时，我们希望人眼具有较小的g 值。 由表卜l 的数据可知，为获得较小的c 值，就必须增大视角盯，或是提高亮度鼠 如早期使用的各种倍率望远镜就是起放大视角的作用，但在极低照度下，放大视 角电无济于事，根本的解决办法还是提高亮度鼠这征是象增强器所要完成的任 务， 变象管和象增强器的这种特性在二战期间就应用到了夜间的军事行动中，如 夜间瞄准仪、坦克驾驶仪和夜间飞机照相等都取得了很好的效果。 表i 一1 人眼视觉的对比灵敏阈c ，值 毫度b 视角盯( 分) 、熙提) l o 一1 0 21 0 11 0 01 0 i 1 0 21 0 31 0 4 ll o 一”ll10 9 9 9o 9 1 8 o 2 6 10 0 8 20 0 5 9 i 0 8 1l10 9 9 90 8 6 30 2 0 00 0 5 90 0 3 8 i 1 0 71l10 9 9 50 6 9 10 0 8 70 0 2 70 0 1 9 i 0 1 11l10 9 6 90 2 8 40 0 3 lo 0 1 6o 0 1 4 j i 0 ll0 9 9 90 8 7 60 1 0 l0 0 1 6 o 0 1 10 0 1 0 l o 一l10 9 9 00 5 2 80 0 3 8o o l o0 0 0 80 0 0 7 1 0 。ll0 9 6 90 3 3 3 o 0 1 90 0 0 70 0 0 50 0 0 5 1 0 2 l0 9 9 90 9 3 4o 1 5 10 0 1 20 0 0 30 0 0 20 0 0 2 i 1 0 1 l0 9 9 90 9 2 60 1 1 20 0 0 80 0 0 30 0 0 20 0 0 2 浙江人学坝i j 学位沦义 随着变象管和象增强器的发展和完善，它的应用已不限于夜视技术，而在更 多的领域发挥了作用。如在天文观测上，利用象增强器使拍摄天文光谱所需的曝 光时间比普通照相方法缩短了一个数量级；同时还能观测到一般望远镜难以发现 的更暗的天体。对人眼没有光感的x 射线的变换和增强使近代医疗诊断和金属探 伤技术发展到了一个新的阶段。专用于高速摄影技术的高速开关变象管能以1 0 一 “、10 。| 2 秒数量级的时间进行拍照。特别是象增强器与摄象管耦合发展起来的微 光电视系统使摄象管具有足够的灵敏度，在月球上大约l o h 的低照度下能清晰 地分辨3 0 0 线以上。 象管各方面质量的好坏，直接影响到象管特性的发挥和使用，因此需要对象 管的各个性能参量进行分析和测量，如信噪比、增益、分辨率、调制传递函数、 象质等等。虽然目前各参数都各有一套传统规范的测试方法，但这些测试方法对 测试器件的要求很高，而且对象管多个参数进行测量时，整个测量过程显得过于 复杂，而且精度不高。例如，在象管分辨率参数的测试中，通常用目测的方法来 获得象管分辨率值，显然，由于人眼的差异，不同的测试者测量同一个象管，所 测得的是值不可能完全相同的，因此这种传统的测试分辨率的方法便带有很强的 _ 主观性。在其他参数的测试中，也会出现这类问题。而本论文研究的目的，就是 要引入数字图象及数据处理等先进技术，寻求一套更为有效的智能化、集成化的 象营测试系统，用以简化测试步骤，提高测试人员的测试效率，并大大提高测量 结器的客观性和精确性。 1 1 2 象管测试系统介绍 ( 1 ) 基本原理 我们采用的象管测试系统的原理框图如图卜2 所示。 由下一页的原理图可以看到，光源系统提供测试所需紫外光、可见光和红外 觉源，经滤光或衰减系统产生规定波长与强度的光，并经成象或平行光系统将规 定的物象投射于被测象管光电阴极。在象管驱动电源驱动下，象管荧光屏上将出 现相应的可见光图象。荧光屏上的图象经过一定的成象系统后，可以通过光电探 j 则器、亮度计或c c d 探测器来获得象管的荧光屏输出亮度或输出图象等。弱电流 制目来测量象管的阴极电流等值。光电探测器和亮度计的示值连同照度计或辐 啜度计的值通过a d 转换系统送入计算机，c c d 输出的全电视信号通过视频图象 果缤系统后，转换成数字信号，也送入计算机。主控计算机将采集到的信号进行 处理和分析，并将测试结果由高分辨率显示器显示给用户，同时，我们根据不同 参数的测试要求提供完善、配套的测试和帮助软件，j 图给用户提供一个友好、 、川的交互界面。计算机是我们这套测试系统中的重要角色，它担负着协调数据 浙江：学坝i j 学位论文 采集、分析处理数据，连接和指挥各个智能设备和向用户反馈测试结果等等非常 重要的工作。在信息技术日益迅猛发展的今天，有效地利用信息技术，借助计算 l 。其现我1 1 1 _ j _ 9 1 u 试的智能化和集成化，好处是显而易见的，也是符合人们的需要和 时代潮流的，这正是本文要努力的方向。 图1 2 象管测试系统原理框图 本论文研究象管参数智能化测量方法的指导思想之一是以c c d 为探测手段， 应用视频图象实时采集、数字图象处理及数字信号采集及处理等技术，形成一整 娄新的象管参数测试方法，以此区别于传统的基于模拟信号处理和人眼观察的方 ；上。 上面图卜2 所示的象管测试系统中，采用了光电耦合器件c c d ( c h a r g e d o u p l e dd e v i c e ) 摄象头来作为探测器件。c c d 将按空间变化的入射光学象转换 成随时间变化的视频信号，再经过视频信号采集系统得到可供计算机处理的数字 浙江人学坝i 学位论文 化图象。c c d 的这一特性使得图象数据的采集和处理变得非常简单，而且数据量 一 分丰富。对于象管参数测量而言，利用c c d 及视频图象采集系统可以一次性得 到荧光屏上的全部图象数据，也就是浣获得了相当完整的图象数据信息，从而使 测量方法更为灵活、简捷和准确可靠。 象管参数智能化测量方法的另一指导思想是将弱电流计、光电探测器和亮度 讨或辐照度计测得的值通过a d 变换转换成数字信号，也送入计算机。从而为客 观地读取象管参数以及数字化处理，如统计平均、数字滤波、曲线拟合及平滑、 f f t 等奠定了基础。 ( 2 顺0 试内容 本系统提供的象管测试内容主要包括以下十个方面。“： a ) 光电阴极灵敏度：象管光电阴极产生的光电流与入射光通量之比，一般用光 照灵敏度和辐射灵敏度来说明。 b ) 等效背景照度：产生和暗背景相等的输出光亮度在光电阴极上所需的输入光 照度。 c ) 亮度增益或辐射增益：亮度增益为荧光屏输出平均亮度与光电阴极上的均匀 照度之比，辐射增益为荧光屏平均辐射度与光电阴极上平均辐照度之比。 d ) 输出亮度均匀性：规定入射光照下，荧光屏亮度的空间变化，一般用输出亮 度最大和最小之比来表示。 e ) 调制传递函数：调制传递因数与空间频率之间的关系。调制传递因数是在某 一空间频率下，传递正弦波图案时，输出图象调制深度与输入图象调制深度 的比值。 f ) 分辨率：电子管分辨规定图象明暗细节的能力。 g ) 荧光屏的最大亮度：规定光电阴极照度范围内，荧光屏规定区域亮度的最大 值。 h ) 固定图案噪声：分为复丝间固定图案噪声( 荧光屏显示的相邻复丝间亮度差 异) 和复丝边界固定图案噪声( 荧光屏显示的复丝内部与边界的亮度差异) 。 i ) 信噪比：规定电子测量系统带宽内，电子管输出信号的平均值与输出信号中 噪声均方根之比。 j ) 象质评价：评判象管荧光屏的显示质量，找出象管的缺陷，表现为不同大小 的亮斑、暗斑个数。 渐扭大学顿i 。学位论义 1 。2 论文综述 1 2 。1 本论文的基础 本文的工作廑点之一是在业已建立了整个象管测量系统的良好基础之上，遴 一步提高系统的可靠性和实用性，改进系统界面，并实现原先尚未完成的几个子 项目单元。针对实践中遇到的各种问题，对原系统进行了改进与完善，而且对等 效背景照度、亮度均匀性、分辨率和信嗓比等单元在需要的情况下采用新的思路 和新的解决方案，最终完成了系统的成功实现，达到了我们要推出一套智能化测 试系统的目标，并真正提供了一套完整、先进且符合标准觌范的测试手段。 1 2 。2 本论文的工 乍成果 本套象镑溅试系统采用了密封的管遂结构，不偿完全达到了测试环境必须小 于l o 。l x 的要求，碟且傻整个测试系统筵为麓缘；在象管参数测试方法上，来_ 弼 了螫予数字图象及数握处理艴测量方法，在蹲谜铡传递函数，露定爨案噪声等参 数的测量上取缮了很好魄效果，嚣且测燮犍发等方霹较传统麴测试方法瞧鸯缀大 改进和提离；整套测试系统软件在中文w i n 9 5 平台上开发，软件开发耀= 境选题 m i c r o s o f t 公司的强大开发工具v i s u a lc + + 。整套测试软件提供了良好的人投交 互界面，提离了些参数的魍动化测量程度，同时在数攒处理过程中采用了滤波， 标畦和识别等多种图象处理方法，使测试结果更为糙确。整套系统实现了象管参 数的智能化，集成化测量。 这套智能化的新型象管钡j 试系统已于1 9 9 9 年9 月1 3 日在南京由勺信息产业部 电予第5 5 所顺利通过了专家测试组的验收评审，获得了较高的评价。系统达到 了合同规定的设计要求和目标，测量方法符合中华人民共和国豳家标准 g b t 1 4 1 8 2 9 3 、g b t 1 4 1 8 3 ，9 3 、g b t 1 4 1 8 4 - 9 3 。 本论文共分西章。 第一章为绪论，主要对象管和对其进行溯试的系统做了些概要的介绍，并 筒；罄滋嚆了本论文所做翡工 笮和取得的成绩。 第二章粼奔绍了象管翡基本霖纛和结构，并对彩l 翻象管性能的主要特性参数 漱r 漤缨的说睽。这些参数瞧是本论文磷铡娓毅篷戆智能化象管测试系绞掇供给 爆p 的髑_ 寒评徐象蛰质爨静参数。每个参数款测试都是本系统鑫奄一个子顼爨。 媾三章具体阐述了本象管测试系统匏设计恩爨翻实现方案。在这里先从需求 j n 雹分缨了系统蛔总体要求鞠髑应的整体构思，然磊贪缨了本文的礤割王 乍中袋 o 浙江夫学鞭 学位论文 俐的些关键技术，最后仍然按照围绕每个参数的子项目的方式来有针对性地讨 论每个测试项目的具体实现方法。 第四章是本论文的最后章。通过使用本象管测试系统对象管进行测试后， 在这犀将记录每个参数的测试结果，并将对这些结果进行讨论，提出改进意见， 以便f 1 厢更好地维护和扩展系统的功能，提高系统的测爨精度，增强系统的稳定 性和可靠往。重要的是本文在许多关键技术方谢已经进行了大擞、有效的改进， 充分考虑了用户的需求，呈现给用户一个功能完善和强大的象管测试系统平台。 以上介缩了本文的整体结构。下面将进入第二章的内容，将要介绍象管的基 本爨理秘结构，还要详鲴滋疆影确象管眭能豹主要特性参数。 一窭坚查兰篓! ! ：兰竺鎏墨 第二章象管基本原理和主要参数 2 。l 象管静基本结构帮原理 象簧h “剐是变象綮穗象增强管兹统称。交缀管是耱髓怒嚣虿冕光( 懿红 外或紫外) 辐射图象转换成可见光图象的光电子器件，象增强管除能兼有上述光 谱变换( 如x 射线象增强器) 的效雳辨，主要馋建是增强壤微弱光图象豹麦度以 满足人眼观察和电视摄象的要求，因此有时也称为微光管。 为了使微弱的或不w 见豹辐射霉象遽过光媳藏象系统变成可觅图象，象管本 身应能越到变换光谱、增强亮度和成象的作用。为此，通常采用如图2 - 1 所示的 结构来达到以上三个目的。 为6 鎏7 耋8 封9 西1 0 i 光学秘镜；2 竞陲校； 3 一电子光学系统；一袋光霹 5 - - 目镜：6 一光酬极上的光学图象：7 一光刚极上电子图象： 8 - - 电予辘透； 9 霹主 | 毫电子器象： 1 0 一簿上赫竞学窝象 h 7 宠戒辐瓣懑象黪光谱交挨，应穗了光电麓裰和荧光霹。游者麓够将徽弱 的或不可见的辐射图象转换成电子图象；后者能够将电子图象转换成可见的光学 黧象。为了实现溪象款亮菠增强，电子造学系绞怼党f 电子憨窳禳强游亳弱，使之 获得能爨，以高速轰击荧光屏，使之发射出比入射光强得多的能量。为了实现成 象痒臻，测用电子透镜熊毽电子戏象熬琢理，耨宠龟缓毁发出豹逮子盈豢篁觋在 荧、圮屏上。对于不同类型的象管，完成二述任务的途径可以不完全相同。譬如， 裁增强亮菠两言，也曩以采嬲搜光电子二二次螬增熬为法达裂这个鹭鹣；又籀裁强 聚传递方式而言，也可以不用电子透镜，而用均匀电场的投射方法，将光电子图 敏传递给荧光屏。 浙江a 学坝i 。学位论u 立= 象管豢躅鲍光电阴极有：对红辨光敏感躲锻氧锻缒外光电爨极；对可见光敏 感的单碱和多碱光电聪拔：对紫外光敏感的蚤孝巾紫外光电阴极。 象管中电子光学系统【78 】的任务鹰聪个：加速光电予 并使其成象农象藤上。 为此，可用不同的电子光学系统，一是静电系统，二是电磁复合系统。前者靠静 电场的加速和聚焦作用来完成任务；后者靠静电场的加速和磁场的聚焦作用来完 成。由于复合系统结构笨重，目前多用静电系 统。静电系统按是否聚焦，又可分为聚焦型和 非聚焦型。这里，介绍目前常用的非聚焦型( 近 贴型) 电子光学系统。 近贴型电子光学系统的电极结构如阐2 2 所示。它类似予平板电容器，两个电极分剐为 阴极和荧光霹。工佟时，板漓蕊上嵩压，形成 缴商均匀电搦主。光电子在露静作瘸下以擞锈 线戟迹囱荧光霹投射。出于圭龛匀遗场窍攘速投 射黪用，没鸯聚焦戏象作用，爨以鼓光毫弱极 一氡出发鲍不固初遮的电予不髓在荧光屡上 成一点象，艇是一个弥数圆斑，其半径为： r = 警【丽一厄】 ca 矿 一 o2 q 一e 图2 2 近贼型电子光学系统 a 一阳极：c 一阴极。 ( 2 一1 ) t e 以为： e p 2 q 詈8 i n d _ 2 ) 式中”，。一电子拐能及葜在r 和z 方向上的分登； 一电子疆莉角： ? 一撅闽距： 一极溷电匿。 荧巍屡将电子动能转换戏光能，不仅应该其有斋的转换效率，褥盈它静发射 悲谱要翘g 曼蹲或与之糕会熬f 级光魄鼹极懿豌应梧鼗。 微光条传下，单级象管驰亮度往缝不够裹，需要多绂增强。早期数多级象管 是由单级援金起来的，成为级联管。毁联管的特黠阅题是多级象管躺鼹合方式秘 隅台元件。早期曾采用过光学透镜，后来采用薄云母片，觋在几乎全部采用光学 圩维面板。 溉江天学绶l 学证l 宅叟 2 2 象管的主要特性参数 象管不仅是辐射探测器件，藤虽还是成象器件l “”“l 。 乍为辐射探测嚣件， 它必须其有离鹃董予效率鞠信愚放大能力，以便给出足够静亮度。为谎弱这一毪 能，通常采用光电阴极灵敏度和象管亮度增蘸来描述；作为成象器件，它必须髌 寿小熬懑象凡鹰失_ 囊，合逶戆凡露放大率，尽可簏矗黔蹇度扩簸麓力，强疆傻足 够的视角和对比，对这些特性通常用放大率、畸变、对比损失以及调制传递黼数 寒整述：终为探溅器 譬秘成象器 孛浆练合据橱，鞭鬻分瓣率，鼹察灵敏疫阙隘及 信嗓比等参量来描述。 2 2 1 光电阴极灵敏度 光电阴极灵敏度系措光电阴极输出的光电流与输入光邋缀之比。由于不同光 源蠢不赋的发射光谱，露光魄翱投对不薅波长黪臻入光畜不耀懿灵敏痰( 光惫弱 极觅谱特性的选择波) ，因此在应用技术中采用光灵敏度和单色辐射灵敏度两个 参数米表征光电阴极的灵敏艨。按照隧家标准g b t 1 4 1 8 4 9 3 ，采鼹光通量绒辐 射荡率可分溺得到光灵敏度媛辐射灵敏度。 2 2 2 等效鹭景照度 豢象誊予完全鬟港熬琢襞审，稳上王馋魄悉后，荧光羼主仍然会发基一定裹 匿的光。这种无照射时荧光脬的发光称为象瞥的暗背景。暗背景产生的原因主要 廷悲惫鞠较豹热电予笈瓣和餐爽微敕雩| 起兹场致发瓣。暗鸷暴在变象警释徽光镑 中的液现是不同的。变象管的暗背景均匀发亮，而微光管则出现闪烁，这是内于 舔 孛繁予瓣臻鹜景竞震大体秘警，露穗蕊不阚，联孩鞠稷嚣上瓣毫予发舞数瓣毒； 同，微光管的数目小，相对涨落就大，放出现闪烁。 b 于暗背景的存在，在荧光 嚣巴瓣嚣标秘其蠲戮鬻景载霾象上都鼗趣了一个营景亮度，馒燮象戆对晓下酶， 甚 在微弱照明下产生的图象有可能被淹没在背景中丽不能辨别。 除上述酶鬻景终，鲞管予受裂辐照时还癸引起一霉l l 与入瓣信号无关瓣黪热鹜 繁亮度。它主要来源予离子反馈和光箴馈。 峨毽景对象管图象对比款影噙可以鼹鹜爨等效照度f 搿 来量度。背最等 殴照褒酌定义跫：为使荧光潞亮度等于背景亮度，在光电阴极丽上所需的等效输 照度僵。如果象管的浇度增菇为g 、，在光电阴极没有受到光照射时测 导荧光爨 的消瑟景亮度为驾，辩膂景等效照瘦为： 4 浙江人学坝l 学位论义 e m ，：碱c z - ( 2 3 ) 因为当光电阴极面上的输入照度为e ，而荧光屏的亮度为b 时，亮度增益应该是 g 月：7 r ( b - - b b ) ( 2 4 ) 所以( 2 - 5 ) 可写成 e 。= 击e s ， 根据( 2 7 ) 式，调节输入照度使荧光屏亮度为暗背景亮度的两倍( 即7 = 2 皖) ， 2 2 3 增益特性 足够的亮度是观察图象的必要条件，而输出亮度的大小，在入射照度一定时， 由亮度增益所决定。亮度增益通常定义为象管输出亮度l 与阴极面入射照e 。之 比的7 【倍，即 g z = 瓦x l 亮度的单位是c d m 2 ，对郎伯光源的增益为 g ，：m “ 式中m 一为光出射度( 1 m m ! ) 。 2 2 4 输出亮度均匀性 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 荧光屏输出亮度均匀性系指当象管的光电阴极接受均匀的输入光时，荧光屏 上静点输出光亮度的起伏程度有差异。该点的法向输出光亮度l ，与中心的法向 输出光亮度三。之比称为相对输出光亮度的三。由于象管是轴对称系统，输出光 亮发均匀性多用两个相互垂直的直径上各点的相对光亮度曲线表示。 2 2 5 调制传递函数 调制传递函数“1 3 是光学传递函数的一个组成部分。如果一个非相干的、 光强按余弦分布的物通过一个线性的光学系统，由光学系统给出的象仍是同频率 一一塑坚查兰竺! ! 兰些堡塞 余弦分布，只不过象的调制度较物的调制度有所下降，象的位楣相对于物的位 4 日有所移动；并且象调制度降低的程度和位相移动的多少取决于物的光强分布的 空间频率。这个函数关系称为光学传递函数o t f ( o p t i c mt r a n s f e rf 乜n cc i o n ) 。 它的具体形式表征了光学系统成象的特性，因此成为评价象质的比较客观的方 法。 下面用一维的简单情况来说明以上结论： 设在物平面x ：处有一条光强为的亮线，经光学系统后在象面上是个扩 展了的象，其强度分布为 x x ( 2 - 8 ) 幽2 - 3 线光强的物及其象的线扩展函数 如图2 - 3 ( a ) 所示。如果物平面的x 。，x ：两处各有一条相互独立的( 不相干的) 亮线，光强度分别为和五，则通过线性的光学系统后在象面上得到的光强度 分布为 ，= ，i + ，2 = ，l ( 工一r 1 ) + ，2 矗( 一一石2 ) ( 2 - 9 ) 如图2 3 ( b ) 所示。考虑到线性系统的空间不变性，上式的向( x 一x ) 和力( x 1 一x ，) 应具有相同的形式，因此( 2 - g ) 式可写成 ，= ( ，l + ，2 ) ( x x ) ( 2 1 0 ) 即啄的光强分布由两个弥敞斑的光强叠加而成。 于是，在物平面上是一个连续的光强分布z ( x ) 时，则象平面上的光强分布为 ，( x ) = ，( x ) 矗( x 一工) c 厶： ( 2 一1 1 ) i 峨在数学上叫做函数i ( x ) 等于函数斤( x 一x ) 对函数，( r ) 的卷积。也就是泷， 一j 坠壁燮兰垡堡兰 物的象是线扩展函数刘物函数的卷积。从图2 - 6 ( i ) 可以看出，( 2 11 ) 式的物 理意义是：象面上的强度分斫ii ( x ) 足各，( x ) h ( x t x ) 叠加后的结果。 分别对物、象慢皮分布进j j ：他立时变换，可得物、致的频谱函数， ，( ) 2i 。( x ) e “凼 ( 2 1 2 ) ，( 甜) = f 。f ( x ) e d x( 2 1 3 ) 现以空间频率代替上式中的圆频率，因0 9 ：2 万，故 ，( ，) 。m ) e - * 2 4 x d r ( 2 - 1 4 ) ，( 厂) = rf ( x ) e “面出 ( 2 1 5 ) 再以( 2 - 1 1 ) 代入( 2 15 ) 式得 ，( ，) = ，( x ) ( x x ) d xl e 。r 出 = 方一j 弦“2 4 r 1 办，o ) e - , 2 + x d x ( 2 1 6 ) 、2 一1 6 ) 式中的第一部分积分是线扩展函数h ( x x ) 的傅立叶变换，汜为，： 第二部分积分是物面光强度分布r 一的f 释立叶变换，i 己为，付，则该式可写成 ，( 厂) = h ( f ) ，( - ，) 鼓 w 卜器 r t ) 表 r i e t 浚光学系统的频谱特性。如当仔y = l 时， ，n 7 = ，r 桫，表示光 学系统对任意谐波成分是完全透明的，并划各次谐波厄他相上的位移，这是理想 光学系统的情况。实际上肌i ) 永远小于1 ，并是空| 、h j 频率，1 的函数。这个表示系 统讨频谱的通过特性的，n 就足光学传递函数o f f 。此，光学系统的o t f 就是 【已学系统线扩展函数的傅立叶变换。 可见，光学系统的f ) t f 是个复合数： ( 厂) = 向( x ) p 州咖出( 2 - 1 8 ) 邑i 向实部是线扩展函数h ( x ) 的f 啦立叶余弦变换 皿( ) = ( t ) c 。s 2 面c x ( 2 1 9 ) 部足线扩展函数( * 。) 的傅五j ir 正弦变换： 浙江大学硕上学位论文 它的实部是线扩展函数h ( x ) 的傅立叶余弦变换： h 。( ) = 厅( z ) c o s 2 z r f x d x 其虚部是线扩展函数h ( x ) 的傅立叶正弦变换： h 。( ，) = 二向( x ) s i n2 c 出 于是( 2 - 1 8 ) 式可以写成 u ( f ) = h 。( ，) 一埘。( ，) 如果用它的模r ( ，) 和幅角p ( f ) 来表示，则 ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) h ( f ) = t ( f ) e ”门 ( 2 - 2 2 ) 其中 7 1 ( ) = h ；( ) + 疗；( ) ( 2 - 2 3 ) w 胁c 留篇( 2 - 2 4 ) 这个，f 称为调制( 度) 传递因子，它随空间频率，的关系函数称为调制传递 函数( m o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ) ，简记为m t f 。 象管调制传递函数测试装置原理如图2 4 所示： l2 舭 34678 图2 4 象管调制传递函数测试装置 l 一光源：2 一狭缝；3 平行光管；4 一物镜；5 一被测象管 6 一显微物镜：7 光电倍增管：8 一正弦板。 白 。i 忆 浙江大学硕士学位论文 所谓分辨力，是指当标准铡试板通过象管后，在荧光屏的每毫米长度上用目 测法尚能分辨得开的黑白相间等宽矩形条纹的对数( 即“空间频率”数) ，所用 单位是“线对毫米”，符号为删脚。 ， 例如某象管的分辨力是3 0 1 p z n r # ，就是指空间频率小于或等于3 0 j p 彻, 对 比度为1 0 0 的测试图案通过象管后能够看清，而大于3 0 p 删q 的测试图案则模 糊不清，就是再放大几倍也分辨不出条纹。 测量分辨力所用标准测试板的图象形式很多，应按照被测仪器的使用要求来 选择。比较常用的一种是栅格状，共有五块，每块由2 5 个单元组成，如图2 5 所示。每一单元又由互成4 5 度的四个方向的条纹组成。各组条纹的宽度从第一 到第2 5 单元依次按等比级数增加。所谓能分辨出的线对数是指四个方向的条纹 能同时分辨出，如果不能同时看清，则认为该组是不可分辨的。 图2 5 栅格形分辨力测试板图2 6 射线形分辨力测试板 另一种是射线形分辨力板，如图2 6 所示，由完全对称的3 6 对黑白相间的 射线组成，测试时是观察弥散圆( 即模糊圆) 的大小来确定分辨力，如果弥散圆 的直径为口其周长为n 口则此时的分辨力是3 6 “d ( 1 p 册) 圆是椭圆，则按长 轴的数值来计算。 因为分辨力是用目视方法测定的，所以要考虑测试者的对比灵敏度阈值，而 此值又往往是一不确定的量，这就影响了测试结果的重复性。但由表卜1 的数据 呵以知道，当背景亮度超过1 0 1 熙提，目标视角大于1 0 时，对比灵敏域值的波 动就不大了。所以在测量分辨力时，要求对分辨力板的照度足够强，以保证成象 条纹的亮度大于1 0 。熙提，同时让眼睛通过一个几十倍的显微镜来观察，以使视 角在l o ，以上。图2 7 是几种单级变象管的分辨力曲线，可以看出，分辨力随着 分絮耄慧慧鬈蒿黧搿慧三出现科舰两个象管所测定 l 羹嚣慧：誓蔫纂鬈譬嚣罢簇薹篡嚣嚣纂鬈! ；萋霁梁麓 黧鐾篇篡嚣篇；蒜亲鬻鬻i 雾乏、誓享 旱嚣篙冀晌嚣茎是翥薯嚣黧舅嚣婴蠡? 蓦孟端舅耄翥器罢裹 兹篡老黧鬈黧鬻主蔷冀：吾誓翟薹雾磊篡 虽使用简单，但并不是全面评定象管成象质量的理想力纭。日月u 匕匕戡灯”。刀蕊耀 喜 亨 r 萎 一士 _ t “爿r 一 到阴极丽中心的距离( m m ) 图2 7 变象管的分辨力曲线 1 一b x 3 1 1 ：筘4 b x l o l ：3 一b x 2 0 l ：4 _ b x 2 0 l ：5 一b x 2 0 l 。 。黧萎套蔫毳囊耄震嘉慧雾蓑鬟麓；蒜耋篡蒹茎鬟雯 氅苎篓懋嚣篇鬻嚣嚣很未盖教栗再簇翼轰簇豢：、 擞然麓誊裟冀著裁发嘉裂翟。笛瑟鞴涌 篓燮篙黧篡毳戛繁戮篇罂茹茹滞茹j 热纛黧漂凫淼翥蒜焉羹裂焉茹蕃 范围内，荧光屏发光效率不变。因此通过测量荧光屏明最灭茕熳“4 ”“ 浙江大学硕上学位论文 2 2 8 固定图案噪声 固定图案噪声，包括复丝间固定图案噪声( 象管荧光屏显示的相躯复丝间亮 度差异) 和复丝边界固定图案噪声( 象管荧光屏显示的复丝内部与边界间的亮度 差异) ，这种噪声呈丝网状，是表征象管增益特性的重要参数。 2 2 9 信噪比 象管输出亮度的统计涨落所产生的闪烁噪声通常用信噪比来表示“。在使用 象管进行微光探测时，如果仅仅得到信号电流，而没有同时测量噪声电流的话， 意义是不大的。信号与噪声的比值( 信噪比) 才能表明从图象中可以获取信息的 程度。信噪比愈高，则图象质量愈好，信息愈容易辨认。所以信噪比是衡量象管 成象质量的一个重要指标。 信噪比中的信号电流一般是指峰一峰值，噪声电流是指均方根值。 象管在产生输出信号的同时，不可避免地也产生噪声。噪声的来源有很多： 光阴极的量子噪声，光电导靶噪声，次级发射靶面噪声，电子束散弹噪声，管内 倍增器噪声，以及前莺放大器噪声等等。其中部分是光电转换过程中产生的， 另部分是象管中附加的，还有一部分是前置放大器产生的。在显示器的荧光屏 上，噪声表现为杂乱无章、起伏不定的“底色”。噪声的存在，降低了图象的清 析度，使信号不容易辨认。信号与噪声的比值( 信号电流的峰一峰值与噪声电流 的均方根值之比) 称为“信噪比”。信噪比越高，则信号越容易辨认，图象质量 越高。对于微光象管，因为信号微弱，噪声的影响尤为突出。所以，噪声分析具 有十分重要的意义。噪声的产生是一个随机过程，需要用概率论的方法来分析。 因为采用标准光源，这里的信噪比是指：在规定电子测量系统带宽内，象管输出 信号的平均值与输出信号中噪声均方根之比。 2 2 1 0 象质评价 象质评价用来评判象管荧光屏的显示质量，找出象管的缺陷，表现为不同大 小的亮斑、暗斑个数。 当用1 0 倍放大镜观察象管荧光屏并调节光电阴极上的辐射光照等级以获得 最佳光斑对比度时，对比度超过其周围区域3 0 的不透明或暗斑，应不超过表2 一l 所规定的尺寸和数量“。非圆斑的尺寸应根据面积等于圆斑面积来加以确定。 当两斑点之间的距离不超过两者中最大一个斑点的尺寸时，则这两个斑点应看成 是一个斑点，其尺寸应等于两斑点最大尺寸之和再加上它们之间的距离。由于测 浙江大学硕士学位论文 量带有主观性，所以有关一致性的异议应当通过在争议区的分辨率实验来加以证 明。 表2 一l ， 在0 2 2 英寸直径的圆在0 2 2 和05 8 英寸在0 5 8 英寸直径及 斑点尺寸d内的斑点数目鱼径的两个圆所界的荧光屏总直径所界的 圆环内的斑点数目圆环内的斑点数目 d o 0 1 5 英寸0 00 0 0 1 2 d o 0 1 5 英寸0 12 0 0 0 9 d o ，0 1 2 英寸058 o 0 0 6 通 卡 恒j 一 选通 图3 1 0 数据采集系统示意图 现以多功能光度计为例，说明数据采集的实现过程。多功能光度计通讯接口 e j 四位半m d 转换器i c l 7 1 3 5 实现，其外观封装和部分、管脚如图3 1 l 所示。 经i c l t l 3 5 转换后的数字信号输出是b c d 码输出，艮、b 4 、b 。、b ，是b c d 码数 字输出端，d 。、d 。、d 。、d ：、d 。是b c d 码数据的位同步信号输出端，分别选通万、 千、百、十、个位。将7 1 3 5 的以上信号输出端及过量程、欠量程、极性、量程 选择等信号输出端与p c i 一9 1 ll 数据采集卡的1 6 位数据输入端相连。数据采集开 始后，采集程序一次获得1 6 位的数字信号，根据具体连线方式检查过量程、欠 量程及忙信号，当7 1 3 5 转换完成且数值在规定量程内时，检查位同步输出信号， 根据d s d 。值获得相应选通位的b c d 码值，直到获得全部的五位数值。同时，可 以通过检查极性信号及量程选择信号，确定数据的正负及小数点位置。由此，便 通过数据采集获得了多功能光度计的读数。 ( m s d ) d 5 ( l s b 、b l 8 2 ( m s b ) b 8 b 4 图3 1 l 四位半a d 转换器i c l 7 i 3 5 集成块的封装及部分管脚 3 2 dd 脱町阱 浙江大学顾：l 学位论文 本系统还应用了数字图象采集系统。c c d 摄象头数字图象的采集工作由微视 公司( m i c r o v i e w ) 的产品一图象采集卡m v p c i - v 2 实现，该卡的工作原理图如 图3 1 2 所示，由多路选择模块选取不同通道的模拟图象信号，在图象卡中做a d 转换处理，然后经p c i 桥接模块送到计算机的p c i 总线上，于是视频图象通过计 算机p c i 总线实时传递至计算机内存，最后经c p u 处理后将采集图象实时在v g a 卡上显示，实现图象同屏显示工作方式。它的采样位数( 黑白方式) 为8 b i t ： 可稳定接收视频信号。将此卡插入计算机的p c i 总线插槽，安装好卡的驱动程序， 再配上摄象机及相应的应用软件就可以构成一个灰度图象的采集和处理系统。 图3 1 2 图象采集卡m v p c i v 2 的工作原理框图 图象采集卡m v p c i v 2 由于采用p c i 总线结构，图象数据可以实时存储到计 算机内存中，并在屏幕上显示，使得连续序列图象的分析处理与以往相比有了突 破性的改变。由于借用了计算机的内存，可以替代以往价格昂贵的大幅存图象采 集卡，使图象卡的成本大幅下降，并省去了监视器。并且图象处理运算在主机内 存中执行，有利于提高处理速度，充分发挥c p u 的运算能力，方便编程与开发。 3 2 3 系统测试软件 本测试系统软件用v i s u a lc + + 5 0 开发完成。v i s u a lc + + 5 0 是m i c r o s o f t 公司推出的开发w i n d o w s 9 5 和w i n d o w sn t 平台上3 2 位应用程序的强大的可视 化多媒体应用开发工具“。随着w i n d o w s 操作系统的发展，w i n d o w s 程序变得越 来越复杂，应用程序的开发周期越来越长，v i s u a lc + + 中提供的m f c ( m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s s m i c r o s o f t 基本类) 提供了一套强有力的c + 十类，它们在 很大程度上屏蔽了隐藏在上层应用程序背后的w i n d o w s 编程的复杂性，而且对于 有经验的程序员仍保留了使用低层系统级调用功能，因此具有很大的灵活性，编 程效率高。在整个程序设计和编写过程中，贯彻了面向对象的编程思想，从而使 浙江大学硕士学位论文 开发的程序在可读性、易维护性以及性能稳定实用等方面都得到了有力的保障。 本文在测试软件的开发过程中遵守了软件工程的规范，从设计到维护都尽量应用 软件工程的思想加以实现，所以系统的软件表现出较好的可复用性和可扩展性。 1 面向对象的程序设计与编程 面向对象的程序设计“训( o o d ) 是指从依照“各种对象间一面互通消息一 面改变自己的状态”的方式进行计算这样一个出发点来设计软件。面向对象的目 标是对试图利用计算机进行问题求解和信息处理的领域，尽量使用对象的概念， 将问题空间中的现实模型映射到程序空间，由此得到的自然性可望克服软件系统 的复杂性，从而得到问题求解和信息处理的更高性能。 面向对象编程( o o p ) “踟使程序的数据( 类成员变量) 和处理该数据的函数 ( 类方法) 能整齐地封装进对象里。另一好处是用于访问对象的数据成员与方法 的语法使得o o p 代码比以前的过程式程序设计的代码更容易读和维护。这种自包 含式的、自动的对象使得o o p 可以比过程式程序设计方法更快、更好地生成代码。 面向对象的语言的基本要素包括：对象、方法和消息、类、类的层次和继承。 下面就对这几个要素逐一说明。 在面向对象的程序设计中，对象是最基本的概念。它是指包含了组相关的 数据及其处理过程( 算法) 的单位。也就是说： 对象= 算法+ 数据结构 如何使一个对象完成某种处理呢? 这是通过对象发送消息的方式完成的。消 息通常含有这些信息：接收消息的对象名、消息的种类和必要的数据，就是说， 向某一特定的对象发出请求，请它用消息中所包含的数据完成所指定的工作。这 时候，接受消息的对象内部的( 针对收到的消息) 某一特定的方法( 程序) 被执 行，其结果以某种形式送回给发送消息的对象。一般情况下，该消息也将导致接 收消息的对象内部状态的改变。 面向对象的程序设计中的重要概念之一是多态性。例如，对“+ ”这样一个 消息，整数对象和分数对象在处理方法上完全不一样。把同一消息发送给不同的 对象，随不同对象而实现不同操作的安排方式就叫“多态性”。 上面对对象作了介绍，那么以何种方式来对这样一个对象进行定义呢? 为了 构造具有相同性质但又独立活动的对象，就需要引入“类”的概念。类是为建立 一个对象而需要的样本。在程序中作为一个实体进行活动的实际对象则被认为是 该类中的一个实例。纯粹的面向对象的程序设计中，认为所有对象都是某一类的 实体。 在类之间可以存在层次结构。原生类( 父类) 可以定义他的派生类，派生类 还可以进一步定义比它级别更低的派生类。继承的含义是派生类中的实例将全盘 地继承其父类中的实例所具有的一切性质，父类中定义的内部数据和方法在派生 3 4 浙江大学硕士学位论文 类中百分之百有效。如果派生类中不增加某种新的定义，该派生类中的实例就会 与其父类中的实例在行为上完全一致。 例如，本程序从c d i a l o g b a r 类派生出新类c d r a w d l g b a r ，在c d r a w d l g b a r 类中添加了用于绘制图形的成员函数及相关成员变量。这样，c d r a w d l g b a r 的实 例除了继承了c d i a l o g b a r 类中的实例所具有的悬浮、停靠等性质，还可以调用 新增加的绘图功能，实现对话框条显示图形。 2 系统软件结构 图3 一1 3 测试系统软件结构 由于测试系统的特殊要求，整个测试系统用来完成要求的十个象管参数的测 试，而各个测试项目又有其各自的要求，因此系统软件采用如图3 一1 3 所示的结 构。整个应用程序主体由相对独立的十个测试项目组成( 图3 一1 3 中项目1 一项 目1 0 ) ，每个测试项目分别有各自的窗口类、视类和文档类，用来管理各自的窗 仁1 、视和文档。以项目1 为例：窗口类c t e s t l w n d ，视类c t e s t l 、i e w 和文档类 c i 、e s t i d o c 分别管理第一个测试项目对应的窗口、视和文档。这样的安排使得各 个测试项目相对独立，使程序的可读性增强，并易于维护。另外，程序中添加了 若干个辅助类，如图象处理类等，这些辅助类作为公共类，供各个测试项目根据 需要调用。这样，对于几个测试项目都需要的功能，可以通过调用这些辅