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大视场优势明显！科学解析和暴力拆解LUCIE型夜视仪

看北朝 2017-11-14 浏览136次

微光夜视仪的成像效果主要是像增强管和光学设计两方面影响。
LUCIE采用的是折射光路单管双目设计，51度宽视场。这种设计好处是相比单目单筒，使用者不需要多适应就能自如使用，相比40度视场的PVS-7系列（单目单筒使用者有一只眼睛观察实景，近距离事态感知能力较好），宽视场在室内、近距离观察更为方便。但是，这也意味着光学上的部分取舍。
首先，由于像增强管的分辨率是一定的，视场越大，意味着实际成像角分辨率越低。美军几乎所有单兵夜视观察镜从平衡的角度考虑，都用40度视场设计。而微光瞄准镜往往只有几度的视场。这也是某些用不上好管子的民用夜视仪视场设计很窄的原因。
其次，单管双目设计是通过分光棱镜将像增强管后端荧光屏的成像等分，分别在两个目镜中显示，这意味着每个目镜的成像都会比原来暗。
像增强管方面。LUCIE并不是个年轻姑娘了，法、德、英、奥等国从90年代下半期就开始装备，原初军版的管子性能在现在来说早已落后，但幸运的是，欧洲像增强管主要供应商，法荷photonis/DEP公司新产品保持了尺寸和供电上的延续性，LUCIE可以兼容新旧各种超二代管。
超二代是1989年欧洲提出的概念，既利用三代像增强管的新技术改进二代管，提升其性能。具体来说就是：
1.改进多碱阴极，提高阴极灵敏度和带宽，提高光电转换效率。
2.放弃了二代管静电聚焦倒像管结构（通过静电场将光电阴极产生的电子聚焦后通过MCP微通道板增强，然后在荧光屏上成像。这种结构增益稍高，长度较大），采用双贴近薄片管。（光电阴极紧贴微通道板，微通道板紧贴荧光屏，双贴近，容易提高分辨率，管子体积小，但需要荧光屏后光纤正像）
3.改进前后贴近距离，缩小微通道直径，增加长径比，提高分辨率。
4.及时吸纳诸如自动脉冲门控供电电路、白磷屏这些新技术，提高管子性能。
通过这种技术途径，法、荷先后推出Gen II+、SuperGen/SHD-3、XD-4、XR-5多级别的超二代管。参数基本上追平了美国系的三代、三代半微光像增强管性能。
这几种级别的超二代管性能见数据列表：
GenII+

SHD-3

XD-4

XR-5

对比美国不同年代军用三代管的品控标准：

Omnibus Classes Based on MX10160

Contract Omni I Omni II Omni III Omni IV Omni V Omni VI Omni VII Omni VIII

Comments Early Gen3 - Not all that far above Gen2 of era. Another early Gen3, again not that advanced. The first advanced Gen3 with significant improvement is S/N Significant increase in photocathode performance levels. Very advanced. See's introduction of Gen4. Continual improvement of the technology. Autogated Thin-Film Replaces US specs for Gen4. First contract Aug 2010 Specs released 23 Dec 2010

Resolution lp/mm 36 45 51 64 64 64 64 64

S/N 16.2 16.2 19 21 21 25 28 25 min

Photocathode sensitivity uA/lm@2856K 1000 1000 1350 1800 1800 2000 2200 2000

Sensitivity at uA/lm@830nm 100
60@880 100 135 190 190 230@830
100@880 120@880 190@830 80@880

Gain fL/fc 20,000-35,000 40,000-70,000 40,000-70,000 40,000-70,000 40,000-70,000 50,000-80,000 50,000-80,000 25,000-110,000

MTF@2.5lp/mm 0.83 0.83 0.9 0.92 0.92 0.92 0.92 Nominal

MTF@7.5lp/mm 0.58 0.6 0.7 0.8 0.8 0.8 0.8 Nominal

MTF@15lp/mm 0.28 0.38 0.45 0.61 0.61 0.61 0.61 0.61

MTF@25lp/mm 0.08 0.18 0.2 0.38 0.38 0.38 0.38 0.38

Halo (mm) 1.47 1.47 1.47 1.25 1.25 0.90 0.70 1

Phosphor P-20 P-20 P-20/P-43 P-43 P-43 P-43 P-43 P-43

Year 1982 1985 1990 1996 1999 2002 2006 2010

EBI (x10^-11) 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 3 3

注释：
几个关键性能参数：
S/N（信噪比）
Photocathode sensitivity（阴极敏感度，单位是微安/流明）
Gain（增益，此指标意思是，在20微勒克斯光照的环境下，像增强管能将光放大多少的程度，公制单位是坎德拉/平方米/勒克斯，但美国数据的单位是尺/坎德拉，二者换算关系是公制单位X圆周率，表中数据后标有pi的是表示已经乘以圆周率，可以美制单位比较的数据）
MTF（调制传递函数，表示成像与实际输入图像对比度之间的比值，数值因空间频率（大约当作画面中物体大小）不同而相异）
Halo（成像中，点光源周围的晕圈）
EBI（等效背景照度，可以理解为能够显像的最低环境照度，单位是微勒克斯，美国喜欢用流明/平方厘米，所以和欧洲数据对比时，美国数据要乘以10^10）
注意，表中的gen2+和SHD3的数据是当今销售品的数据（体质较差而分类进入这个级别），早年这两个品系的管子数据远远不如现在表中的好看。
另外，美国管子分辨率一项习惯计算包含中心和边缘的平均分辨率，且表中美国数据是品控标准，实际上成品管子分辨率上欧洲SR-5与美国三代半基本没什么差别。
对比指标最高的XR-5和omnibus7品控标准，我们可以看到：在分辨率和信噪比上，顶级超二代和顶级三代半平手；调制传递函数、等效背景照度、晕圈上超二代优于三代半（超二代没有防离子回馈膜，这方面有先天优势。因为三代使用GaAs砷化镓阴极，需要通过其表面的氧铯化合物获得负亲和势力，而氧铯化合物要保持稳定才能保证阴极的灵敏。而微通道板中电子经过倍增形成电子云，使微通道板中的残留气体分子电离，产生正离子回馈，轰击光电阴极，破坏氧色化合物，所以三代管需要用三氧化二铝防离子回馈膜保护光电阴极，但这个膜同样也过滤掉了部分正向移动的电子，对成像造成不利，电子在通过防离子回馈膜时发生的散射，会加剧晕圈。），但在阴极灵敏度、增益上，超二代要弱于三代半。
通过数据对比，大致了解了LUCIE可能的成像特点，我们现在来结合实践对比。
LUCIE流初的，大多数是使用 photonis XX1866H管的，这种管子属于比较老的SuperGen/SHD-3级别。如下图。

此管子大体性能与美军的OmnibusIII管子接近，典型分辨率在48lp/mm，信噪比在20左右，这样性能的管子，结合LUICE光学设计上较低的实际角分辨率和暗视野，性能可想而知。这也难怪能听到吐槽性质的评论。
但LUCIE本来就是可以升级管子的，根据生产时间不同，用的管子会逐次更新。这次用来对比测试的一个英军版本LUCIE就是个例子，这台机器装的是XR-5级别的管子。测试参照对比对象是一个美国空军合同，管子时间上等同于Omnibus6的AVS-9 R4949TG（TG等于thin film @ auto-gate 薄防粒子回馈膜+自动门控），此外，为了对比排除光学系统超二代与三代半管的成像效果/LUICE的光学设计对成像负面影响有多大，还另准备了一支新的omnibus7 MX-10130D/UV管。
LUCIE原装XR-5管状态与AVS-9对比。
上为LUCIE，下为AVS-9成像。

LUCIE大视场优势非常明显，LUCIE的目镜也是大视场设计，手机在眼罩标准出瞳距离上甚至照不全整个出瞳光斑，这在佩戴使用舒适性上很好。
AVS-9视野明显比LUCIE亮（照片因为有手机的自动测光，感觉不明显）
成像颜色LUCIE的P22屏如绝大多数二代管一样，是偏深绿色的，美国三代管用的P43管，偏黄绿。
仔细看图片细节，比如第一组图中烟囱旁的废电线，第二组图金杯的轮毂和滤网，第三组图杂物堆。AVS9显然比LUCIE能获取更多的图像细节。
这一结果和理论分析上，大视场，低实际角分辨率、目镜分光、低灵敏度/增益的结果一致。
给LUCIE更换三代半管测试，由于LUCIE使用管子与PVS7使用的MX10130管子外形尺寸、供电规格完全一致，所以可以同机更换对比。而omnibus7的管子品控标准比monibus6更为严格（见前面参数表），甚至高于美军正在执行的omnibus8合同（王师没钱了，性能标准降到连omnibus6都不如）品质应该比测试这个avs-9的管子更高更高。

LUCIE机身是方盒结构，普通螺丝固定，拆装非常简单，不像美式夜视仪，需要专用工具拆卸紧固圈。

内部结构非常简单，物镜和反射棱镜、目镜和分光冷静、像增强管、供电/控制模块。像增强管是侧放，和所有二代以及早期PVS7一样，通过插头供电，美军现在的三代管已经改为触点供电，但也留了插孔兼容插座。同样，这只XR-5管子也留了触点铜片，兼容美式机器。

目镜系统的分光棱镜结构，直接从管子荧光屏后接出，把光线分配给两只目镜。

物镜组，很小，简单的小镜头后接反射棱镜直接抵住管子输入端。

美制管子完美兼容。

换下的XX3066管，2010年后photonis的新型号产品，成像算是超二代中很高的水平。
管子更换很轻松，非常顺利，伴随着美国三代半管子独特的高频声，正常开机工作。

可以看到，LUCIE更换比avs9所用更好的管子后，视野亮度有提升，但细节分辨率依然不如avs9。
总结上面两次对比。结论如下。
1.LUCIE是个有性格的姑娘，大视场、双目、小纵向尺寸，能把使用者伺候得很舒服。但视野亮度、分辨率，尤其是暗处分辨率，不如同级别的美制夜视仪。
2.XR-5超二代管确实性能不俗，性能非常接近顶级的三代半管。
3.虽然法国、德国、俄国的朋友们不是太愿意承认，超二代在阴极灵敏度、增益上确实和三代有差距，使用中比较容易看出来。而超二代在等效背景照度、调制传递函数这些方面的优势比较不容易看出来。
我国的微光像增强管目前在单兵夜视仪上投入实用的主要是超二代管，其技术直接来源于北方公司本世纪初引进的DEP XD-4管（80年代初云光的二代管技术也是引进荷兰DEP），北方公司目前宣称已经可以做Photonis 2014年才提出的4G级别管子。虽然没有大量生产装备，但由于砷化镓阴极的灵敏度，感光范围以及可以向长波段延伸的特点，我国也没有放弃三代像增强器的开发。也许今后能感光常见热成像波段，单光学通道微光热成像融合的像增强器，能在三代管的基础上诞生。