图像增强器的核心性能详解

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PLIF系统在燃烧领域，通常被用于测量火焰中各自由基的浓度。典型的自由基包括OH, CH, NO, HCHO (CH2O), CN, NH等等。部分自由基被火焰自身的能量激发，产生化学荧光，可以被增强型相机直接记录获得；而多数自由基在火焰中为基态，在被适当波长的激光激发后，成为激发态自由基，释放出特定光谱范围的荧光从而被检测到。

在火焰中，通常可以被检测到的光信号包括：

激光诱导产生的荧光。其光强与被激发自由基团数量成线性关系，受压力等多种因素影响。
火焰背景光（不同物质的化学荧光，高温碳烟产生的可见光等等）
火焰中的颗粒产生的激光Mie散射，如碳烟颗粒，未完全燃烧的油滴等。
火焰中分子产生的激光Rayleigh散射
吸收激光能量的碳烟产生的白炽光
被激光激发的其他非目标探测自由基团，如PAH等
其他

因此，往往PLIF可以很容易获得图像结果，但是如何解释测量图像，则需要专业的背景知识，周到细致的测量方案，以及一定的实验技巧。RapidIntense系列图像增强器专业面向PLIF应用而设计，我们从多个维度一起来探寻该系列产品如何帮助用户获得精确的测量结果。

本文只针对于PLIF应用进行分解介绍，例如10Hz PLIF系统只考虑使用P43阳极，而kHz PLIF系统只考虑用P46阳极，因此就不再花篇幅介绍P43与P46区别。同理，不同阴极材料的区别也就不花篇幅介绍了。如果读者感兴趣，欢迎与我们联系。

一、门宽

Mie散射及Rayleigh散射的时间尺度约等于脉冲激光的脉宽，在5-10ns量级；被脉冲激光诱导产生的荧光寿命在10-20ns量级；被激光激发的碳烟产生的白炽光寿命在80ns-us量级；火焰背景光为持续存在的。

因此，当积分时间足够小时，即像增强器的门宽足够小时，荧光信号的光强（信）相对于其他所有光的摄入光强（噪）之比足够高，我们可以获得理想的PLIF结果。相反，当门宽越宽时，像增强器摄入的噪音越高，获得的有效信号的信噪比越弱。

此外，我们需要注意到，即便佩戴了适当的滤光片，依然会有部分Mie散射光以及LII光进入门宽探测范围。这部分噪音会随着图像增强器门宽的提高而放大。通常来说，火焰中的Mie主要由碳烟及未完全燃烧的油滴产生；而进入探测波长范围的LII则主要为小粒径碳烟团。因此在富燃料火焰的工程实际测量中，长门宽图像增强器几乎无法使用。

图像增强器的门宽与其阴极制造工艺有关。一般来说，当所购买产品的门宽在40ns及以上时，图像增强器的阴极不具备快速开关能力，其打开关闭过程较缓慢，且呈现从图像中心向边缘缓慢打开的过程。从下图中可以看出，长门宽图像增强器相比于短门宽图像增强器，即便在相同的门宽下也将采集到更高的噪音。

二、通光孔径

图像增强器的通光孔径是其重要指标，其获取光的能力与直径之比成平方关系。在拍摄相同视野面积时，25mm图像增强器所采集到的光强是18mm产品的2倍。并且，由于光电阴极的加工工艺较为成熟，相对于更大孔径的图像增强器，25mm型号产品在整个光阴极平面上具有更加均匀的打开时间和相位延迟；25mm的磷光屏也具有更加优异的图像亮度均匀性。

25mm的通光孔径还赋予了我们更加灵活的成像相机选择。我们不仅可以通过收缩视野适配PIV相机等小尺寸芯片，并且针对于具有超高感光度的科学级大尺寸sCMOS也可以完美适配。

三、输出分辨率

25mm孔径的图像增强器也并非处处完美，其输出分辨率逊于18mm产品。18mm孔径的图像增强器通常输出分辨率为41-62lp/mm，而25mm产品为21-35lp/mm。但是，这是否意味着25mm产品无法获得清晰的图像呢？并不是这样的。

以RapidImage SC高灵敏度相机为例，其像元尺寸为12um，成像分辨率为2.3MP，为简便计算，当以1:1耦合至图像增强器时，该相机的成像分辨率为41.7lp/mm。刚好满足Nyquist判据，可以对输出分辨率为21lp/mm的图像增强器进行清晰成像。因此，当使用该相机时，超过21lp/mm的输出分辨率并不会带来更清晰的成像。

而耦合至小像元相机时，一方面我们会通过像素合并提高像元尺寸，因为超过2-4百万像素的图像分辨率对于PLIF而言意义不大（作为对比，PIV的矢量分辨率往往只有约200 x 200）；另一方面，我们可以通过适配适当的中继镜，提高在相机端的成像分辨率。

四、中继镜

中继镜的选择主要考虑三个方面因素。1. 中继比；2. 光圈；3. 分辨率。在我们的数据库中，我们收集了多种不同中继比的中继镜，以满足不同相机芯片的适配需求。

不同靶面相机的视野覆盖及最高输出分辨率

五、光电阴极量子效率

光电阴极的量子效率受多方面因素影响。一方面是阴极材质，比如我们常说的S20, S25等。在紫外测量中，S20是常用材料，取决于具体的配方，衍生出各种名称叫法，如S20+，S20B, S20 super，High QE Blue等，本质上都是通过改变S20的碱基配方及工艺，略微提高在紫外波段的量子效率。但是不同批次的产品，这个量子效率会有差异；100ns门宽/55ns门宽/3-5ns门宽的产品，由于阴极表面工艺不同，也会导致量子效率的显著差异。以某进口品牌几个18mm产品的的出厂测试报告为例，可以看到这种差异性。