便攜式微光夜視儀分辨力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

解 琪，趙俊成，董再天，李宏光，馬世幫，孫宇楠，蒲培培

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

微光夜視技術(shù)，是指專門研究對夜天光或微弱光照明的目標(biāo)反射圖像或輻射圖像的成像技術(shù)，它能使人眼睛可見和不可見的寬光譜微弱的景物變換成亮度增強(qiáng)了的人眼可見光圖像。它借助于微光成像器件，采用光電子成像的方法克服人眼在低照度下以及在有限光譜響應(yīng)下的限制，以開拓人眼的視覺。微光夜視技術(shù)是光電子高新技術(shù)的重要組成部分，在未來高新技術(shù)局部戰(zhàn)爭和夜戰(zhàn)中的作用地位變得更加突出和重要。

微光夜視儀是在微光像增強(qiáng)器的基礎(chǔ)上，加入了物鏡和目鏡等光學(xué)系統(tǒng)，形成了一個(gè)完整的成像系統(tǒng)。微光夜視儀在全世界范圍內(nèi)大量生產(chǎn)，已成為信息化夜戰(zhàn)中必備的一種儀器，廣泛應(yīng)用于夜視單兵偵察、槍瞄、車載、機(jī)載等作戰(zhàn)領(lǐng)域。

在微光夜視儀服役過程中，其現(xiàn)場使用、保養(yǎng)和維修等全壽命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，均需要便攜式微光夜視儀測試系統(tǒng)對不同型號、不同用途的微光夜視儀參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測量和性能評價(jià)，為微光夜視儀使用、保養(yǎng)和維修提供快速準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。

分辨力是衡量微光夜視儀探測能力的重要參數(shù)，是反映其綜合性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。本文研究了一種便攜式微光夜視儀分辨力測試系統(tǒng)，解決目前實(shí)驗(yàn)室分辨力測量裝置體積較大、搬運(yùn)不便，無法滿足現(xiàn)場測量需求的問題[1-5]。

1 便攜式微光夜視儀分辨力測試原理

微光夜視儀的分辨力是指夜視儀剛能分辨開2 個(gè)無窮遠(yuǎn)物點(diǎn)對物鏡的張角（用α 表示）。分辨力能形象地反映夜視儀的成像質(zhì)量，且測量方便。因此生產(chǎn)、科研部門往往用此參數(shù)評價(jià)夜視儀的整體性能。

微光夜視儀分辨力的測量原理是將USAF1951分辨力靶放置在成像物鏡的焦面上，微光夜視儀通過成像物鏡對標(biāo)準(zhǔn)分辨力靶成像，人眼觀察標(biāo)準(zhǔn)分辨力靶上等間隔排列的黑白相間的線條，從分辨力低的單元向分辨力高的單元觀察，找出2 個(gè)方向的線條全部能分辨開的那個(gè)單元號，根據(jù)公式（1）計(jì)算被測微光夜視儀的分辨力:

2 便攜式微光夜視儀分辨力測試系統(tǒng)組成

便攜式微光夜視儀分辨力測試系統(tǒng)原理如圖1所示，由光源組件、供電電池、靶標(biāo)轉(zhuǎn)輪、成像物鏡、照度計(jì)、電池電壓測量反饋模塊、適配器和觸摸顯示屏組成。光源組件包括光源、可變光闌、中性衰減片和和勻化器。光源發(fā)出的光經(jīng)光闌衰減后，再經(jīng)衰減片調(diào)節(jié)使分辨力靶靶面照度滿足測試要求；勻化器將光源發(fā)出的光變?yōu)榫鶆蚬?，使分辨力靶得到均勻照明。供電電池為光源及照度?jì)供電。2 種不同對比度的分辨力靶放置于轉(zhuǎn)輪上，成像物鏡將分辨力靶成像投射至被測微光夜視器件上。照度計(jì)用于測量分辨力靶面照度是否滿足1×10?1lx 和1×10?3lx 的測量條件。電池電壓測量反饋模塊用于監(jiān)測分辨力測試系統(tǒng)供電電池電壓。觸摸顯示屏可實(shí)時(shí)顯示供電電池電壓和靶面照度值，用戶可根據(jù)從被測夜視儀中觀察到的線條，選擇相應(yīng)的組號和單元號，即可顯示測量結(jié)果[6-7]。

圖1 便攜式微光夜視儀分辨力測試系統(tǒng)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of resolution test system for portable low-level-light night-vision viewer

2.1 光源組件

便攜式微光夜視儀分辨力測試系統(tǒng)的光源組件包括光源、可變光闌、中性衰減片和勻化器[8-12]。

1） 光源

光源采用發(fā)光二極管。由于發(fā)光二極管是一種定向發(fā)光的光源，各個(gè)區(qū)域發(fā)出的光線有不同的聚焦點(diǎn)，因此選擇光強(qiáng)分布相對均勻的發(fā)光二極管作為測試系統(tǒng)的光源，如圖2 所示。

圖2 發(fā)光二極管幾何坐標(biāo)下的三維光強(qiáng)分布Fig. 2 Three-dimensional light intensity distribution in geometric coordinates of LED

為了便于安裝發(fā)光二極管，設(shè)計(jì)如圖3 所示的夾具。安裝時(shí)利用定位探針和顯微鏡對發(fā)光二極管端面進(jìn)行高精度定位，以確保發(fā)光二極管的發(fā)光方向與光路保持一致。

圖3 發(fā)光二極管示意圖Fig. 3 Schematic diagram of LED

2） 光闌

可變光闌不改變開口的中心位置，通過連續(xù)調(diào)整中心開口的大小控制通光孔徑的大小。通過改變通光孔徑改變?nèi)肷涞綐?biāo)準(zhǔn)靶面上的照度，調(diào)節(jié)靶面照度達(dá)到（1±10%）×10?1lx和（1±10%）×10?3lx的測量條件要求。

可變光闌如圖4 所示，采用單圓弧型光闌片，每個(gè)光闌片通過旋轉(zhuǎn)交錯(cuò)疊加形成可變光闌孔，光闌片的數(shù)量一般在6～18 片?？勺児怅@設(shè)計(jì)指標(biāo)為：開口直徑3 mm～40 mm，葉片數(shù)量18 片。

圖4 可變光闌結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Structure diagram of iris diaphragm

3） 中性衰減片

中性衰減片衰減倍數(shù)為100 倍，可將靶面照度由（1±10%）×10?1lx 衰減至（1±10%）×10?3lx。

4） 勻化器

由于發(fā)光二極管的定向性不滿足微光夜視儀的校準(zhǔn)要求，因此需要設(shè)計(jì)勻化器作為散射板，將發(fā)光二極管定向光束轉(zhuǎn)化為擴(kuò)展光束。勻化器正面是砂粒磨毛的，反面是光面。勻化器將光源發(fā)出的光變?yōu)榫鶆蚬庹丈渲练直媪Π猩稀?/p>

2.2 供電電池

供電電源為光源及照度計(jì)供電，供電電壓為9 V。

2.3 靶標(biāo)轉(zhuǎn)輪

為了準(zhǔn)確表征微光夜視儀的分辨力，一般情況下要求設(shè)計(jì)不同對比度的分辨力靶。高對比度分辨力靶工作在照度為（1±10%）×10?1lx 條件，對比度為85%～90%；低對比度分辨力靶工作在照度為（1±10%）×10?3lx 條件，對比度為35%～40%。圖5為分辨力靶示意圖。

圖5 分辨力靶示意圖Fig. 5 Schematic diagram of resolution target

2 種對比度的分辨力靶均采用石英玻璃制作，按USAF1951 分辨力靶制作。為了適應(yīng)不同的測量情況，設(shè)計(jì)了靶標(biāo)轉(zhuǎn)輪來實(shí)現(xiàn)不同對比度靶標(biāo)的切換。圖6 為靶標(biāo)轉(zhuǎn)輪剖面圖。

圖6 分辨力靶切換部件剖面圖Fig. 6 Cutaway diagram of resolution target switching module

2.4 成像物鏡

分辨力靶位于成像物鏡焦面處，成像物鏡用于將分辨力靶的像投射到被測微光夜視儀上。成像物鏡焦距200 mm，口徑80 mm，設(shè)計(jì)圖如圖7 所示。

圖7 成像物鏡設(shè)計(jì)圖Fig. 7 Design diagram of imaging objective lens

2.5 照度計(jì)

照度計(jì)監(jiān)測并顯示分辨力靶靶面位置處的照度。照度計(jì)由弱光度探頭、前置放大電路、顯示部分組成，如圖8 所示。其中弱光度探頭由光闌、余弦修正器、V(λ)濾光片、光電二極管組成。

圖8 照度計(jì)示意圖Fig. 8 Schematic diagram of illuminometer

V(λ)濾光片是通過幾片濾光玻璃的組合制成，其作用是與硅光電二極管配合使用時(shí)，其光譜響應(yīng)曲線接近標(biāo)準(zhǔn)視覺函數(shù)曲線，越接近標(biāo)準(zhǔn)視覺函數(shù)曲線說明制作的V(λ)濾光片就越好，如圖9所示。

圖9 光譜響應(yīng)曲線與視覺函數(shù)曲線Fig. 9 Spectral response curve and visual function curve

在分辨力測試中，當(dāng)照度計(jì)探測到的示值為(1±10%)×10?1lx 或(1±10%)×10?3lx 時(shí)，即滿足測試要求。

2.6 電池電壓測量反饋模塊

電池電壓和照度測量反饋模塊主要功能為實(shí)時(shí)監(jiān)測分辨力測試系統(tǒng)供電電池的電壓，對電池的工作狀態(tài)進(jìn)行評估和顯示。

2.7 適配器

設(shè)計(jì)多種適配器解決不同型號的微光夜視儀與測試儀之間的匹配問題。根據(jù)不同型號被測夜視儀尺寸和預(yù)留接口設(shè)計(jì)相應(yīng)的適配器。

2.8 觸摸顯示屏

觸摸顯示屏具有以下功能：實(shí)時(shí)顯示分辨力測試系統(tǒng)的靶面照度值和供電電池狀態(tài)；測試人員根據(jù)自身觀測結(jié)果選擇相應(yīng)的組號和單元號，即可顯示對應(yīng)的分辨力值。

3 微光夜視儀分辨力測量

3.1 微光夜視儀分辨力測量結(jié)果

在微光夜視儀分辨力測量時(shí)，測試人員將被測夜視儀光軸對準(zhǔn)分辨力測試系統(tǒng)主光軸，調(diào)節(jié)被測夜視儀焦距和視距，直至從目鏡中觀察到清晰的分辨力靶圖像[13-15]。

在靶面照度分別為1.03×10?1lx 和1.07×10?3lx條件下，對某微光夜視儀的分辨力參數(shù)進(jìn)行測量。測試人員對分辨力靶第2 組第4 單元和第1 組第3 單元可以完全分辨。該被測夜視儀的出廠值采用反射式原理測量，在靶面照度相同的條件下，測試人員對分辨力靶第1 組第6 單元和第0 組第5 單元可以完全分辨，測量結(jié)果對比如表1所示。

表1 微光夜視儀分辨力測量結(jié)果Table 1 Measurement results of resolution for low-levellight night-vision viewer

從表1 中可以看到，測量值和出廠值吻合較好，但也稍有差別，造成這種現(xiàn)象的原因在于測量原理不同。

3.2 測量結(jié)果不確定度評定

為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)（1）式，需將成像物鏡焦距和分辨力靶線條寬度溯源。因此便攜式微光夜視儀分辨力測試系統(tǒng)測量不確定度來源主要包括：測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1；成像物鏡焦距測量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2；分辨力靶線條寬度測量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3。

1） 測量重復(fù)性引入的不確定度分量u1

測量重復(fù)性用多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，用貝塞爾公式進(jìn)行計(jì)算，測試系統(tǒng)測量重復(fù)性引入的相對測量不確定度為

2） 成像物鏡焦距測量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

成像物鏡焦距其擴(kuò)展不確定度由計(jì)量部門給出，其值為0.3%（k=2），按B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定，成像物鏡焦距測量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2為

3） 分辨力靶線條寬度測量不準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

分辨力靶線條寬度由測量顯微鏡測量，計(jì)量部門給出其擴(kuò)展不確定度為1.3 μm（k=2），按B 類不確定度評定，分辨力靶線條寬度最小值為0.028 mm，則其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

4 結(jié)論

介紹了一種便攜式微光夜視儀分辨力測試系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法，組建了由光源組件、供電電池、靶標(biāo)轉(zhuǎn)輪、成像物鏡、照度計(jì)、電池電壓測量反饋模塊、適配器和觸摸顯示屏等組成的測試系統(tǒng)，并對某微光夜視儀進(jìn)行了測量，完成了測試系統(tǒng)的不確定度評定。本系統(tǒng)彌補(bǔ)了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室測試系統(tǒng)體積較大、不便攜帶的不足，具有廣闊的應(yīng)用前景。