解 琪，趙俊成，董再天，李宏光，馬世幫，孫宇楠，蒲培培

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

微光夜視技術，是指專門研究對夜天光或微弱光照明的目標反射圖像或輻射圖像的成像技術，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下的限制，以開拓人眼的視覺。微光夜視技術是光電子高新技術的重要組成部分，在未來高新技術局部戰(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器的基礎上，加入了物鏡和目鏡等光學系統(tǒng)，形成了一個完整的成像系統(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，廣泛應用于夜視單兵偵察、槍瞄、車載、機載等作戰(zhàn)領域。

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)進行現(xiàn)場測量和性能評價，為微光夜視儀使用、保養(yǎng)和維修提供快速準確的測量數(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鍵指標之一。本文研究了一種便攜式微光夜視儀分辨力測試系統(tǒng)，解決目前實驗室分辨力測量裝置體積較大、搬運不便，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 個無窮遠物點對物鏡的張角（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準分辨力靶成像，人眼觀察標準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 個方向的線條全部能分辨開的那個單元號，根據(jù)公式（1）計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、靶標轉(zhuǎn)輪、成像物鏡、照度計、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計供電? 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。觸摸顯示屏可實時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，各個區(qū)域發(fā)出的光線有不同的聚焦點，因此選擇光強分布相對均勻的發(fā)光二極管作為測試系統(tǒng)的光源，如圖2 所示。

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

為了便于安裝發(fā)光二極管，設計如圖3 所示的夾具。安裝時利用定位探針和顯微鏡對發(fā)光二極管端面進行高精度定位，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)肷涞綐藴拾忻嫔系恼斩龋{(diào)節(jié)靶面照度達到（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，每個光闌片通過旋轉(zhuǎn)交錯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@設計指標為：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要求，因此需要設計勻化器作為散射板，將發(fā)光二極管定向光束轉(zhuǎn)化為擴展光束。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供電，供電電壓為9 V。

2.3 靶標轉(zhuǎn)輪

為了準確表征微光夜視儀的分辨力，一般情況下要求設計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。為了適應不同的測量情況，設計了靶標轉(zhuǎn)輪來實現(xiàn)不同對比度靶標的切換。圖6 為靶標轉(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，設計圖如圖7 所示。

圖7 成像物鏡設計圖Fig. 7 Design diagram of imaging objective lens

2.5 照度計

照度計監(jiān)測并顯示分辨力靶靶面位置處的照度。照度計由弱光度探頭、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，其光譜響應曲線接近標準視覺函數(shù)曲線，越接近標準視覺函數(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，當照度計探測到的示值為(1±10%)×10?1lx 或(1±10%)×10?3lx 時，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時監(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)進行評估和顯示。

2.7 適配器

設計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留接口設計相應的適配器。

2.8 觸摸顯示屏

觸摸顯示屏具有以下功能：實時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)果選擇相應的組號和單元號，即可顯示對應的分辨力值。

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，測試人員將被測夜視儀光軸對準分辨力測試系統(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：測量重復性引入的標準不確定度分量u1；成像物鏡焦距測量不準引入的標準不確定度分量u2；分辨力靶線條寬度測量不準引入的標準不確定度分量u3。

1） 測量重復性引入的不確定度分量u1

測量重復性用多次實驗結(jié)果的標準偏差表示，用貝塞爾公式進行計算，測試系統(tǒng)測量重復性引入的相對測量不確定度為

2） 成像物鏡焦距測量不準引入的標準不確定度分量u2

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

3） 分辨力靶線條寬度測量不準引入的標準不確定度分量u3

分辨力靶線條寬度由測量顯微鏡測量，計量部門給出其擴展不確定度為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，則其相對標準不確定度為

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)及其設計方法，組建了由光源組件、供電電池、靶標轉(zhuǎn)輪、成像物鏡、照度計、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)彌補了現(xiàn)有實驗室測試系統(tǒng)體積較大、不便攜帶的不足，具有廣闊的應用前景。