解 琪，赵俊成，董再天，李宏光，马世帮，孙宇楠，蒲培培

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

引言

微光夜视技术，是指专门研究对夜天光或微弱光照明的目标反射图像或辐射图像的成像技术，它能使人眼睛可见和不可见的宽光谱微弱的景物变换成亮度增强了的人眼可见光图像。它借助于微光成像器件，采用光电子成像的方法克服人眼在低照度下以及在有限光谱响应下的限制，以开拓人眼的视觉。微光夜视技术是光电子高新技术的重要组成部分，在未来高新技术局部战争和夜战中的作用地位变得更加突出和重要。

微光夜视仪是在微光像增强器的基础上，加入了物镜和目镜等光学系统，形成了一个完整的成像系统。微光夜视仪在全世界范围内大量生产，已成为信息化夜战中必备的一种仪器，广泛应用于夜视单兵侦察、枪瞄、车载、机载等作战领域。

在微光夜视仪服役过程中，其现场使用、保养和维修等全寿命周期的各个环节，均需要便携式微光夜视仪测试系统对不同型号、不同用途的微光夜视仪参数进行现场测量和性能评价，为微光夜视仪使用、保养和维修提供快速准确的测量数据。

分辨力是衡量微光夜视仪探测能力的重要参数，是反映其综合性能的关键指标之一。本文研究了一种便携式微光夜视仪分辨力测试系统，解决目前实验室分辨力测量装置体积较大、搬运不便，无法满足现场测量需求的问题[1-5]。

1 便携式微光夜视仪分辨力测试原理

微光夜视仪的分辨力是指夜视仪刚能分辨开2 个无穷远物点对物镜的张角（用α 表示）。分辨力能形象地反映夜视仪的成像质量，且测量方便。因此生产、科研部门往往用此参数评价夜视仪的整体性能。

微光夜视仪分辨力的测量原理是将USAF1951分辨力靶放置在成像物镜的焦面上，微光夜视仪通过成像物镜对标准分辨力靶成像，人眼观察标准分辨力靶上等间隔排列的黑白相间的线条，从分辨力低的单元向分辨力高的单元观察，找出2 个方向的线条全部能分辨开的那个单元号，根据公式（1）计算被测微光夜视仪的分辨力:

2 便携式微光夜视仪分辨力测试系统组成

便携式微光夜视仪分辨力测试系统原理如图1所示，由光源组件、供电电池、靶标转轮、成像物镜、照度计、电池电压测量反馈模块、适配器和触摸显示屏组成。光源组件包括光源、可变光阑、中性衰减片和和匀化器。光源发出的光经光阑衰减后，再经衰减片调节使分辨力靶靶面照度满足测试要求；匀化器将光源发出的光变为均匀光，使分辨力靶得到均匀照明。供电电池为光源及照度计供电。2 种不同对比度的分辨力靶放置于转轮上，成像物镜将分辨力靶成像投射至被测微光夜视器件上。照度计用于测量分辨力靶面照度是否满足1×10−1lx 和1×10−3lx 的测量条件。电池电压测量反馈模块用于监测分辨力测试系统供电电池电压。触摸显示屏可实时显示供电电池电压和靶面照度值，用户可根据从被测夜视仪中观察到的线条，选择相应的组号和单元号，即可显示测量结果[6-7]。

图1 便携式微光夜视仪分辨力测试系统原理图Fig. 1 Schematic diagram of resolution test system for portable low-level-light night-vision viewer

2.1 光源组件

便携式微光夜视仪分辨力测试系统的光源组件包括光源、可变光阑、中性衰减片和匀化器[8-12]。

1） 光源

光源采用发光二极管。由于发光二极管是一种定向发光的光源，各个区域发出的光线有不同的聚焦点，因此选择光强分布相对均匀的发光二极管作为测试系统的光源，如图2 所示。

图2 发光二极管几何坐标下的三维光强分布Fig. 2 Three-dimensional light intensity distribution in geometric coordinates of LED

为了便于安装发光二极管，设计如图3 所示的夹具。安装时利用定位探针和显微镜对发光二极管端面进行高精度定位，以确保发光二极管的发光方向与光路保持一致。

图3 发光二极管示意图Fig. 3 Schematic diagram of LED

2） 光阑

可变光阑不改变开口的中心位置，通过连续调整中心开口的大小控制通光孔径的大小。通过改变通光孔径改变入射到标准靶面上的照度，调节靶面照度达到（1±10%）×10−1lx和（1±10%）×10−3lx的测量条件要求。

可变光阑如图4 所示，采用单圆弧型光阑片，每个光阑片通过旋转交错叠加形成可变光阑孔，光阑片的数量一般在6～18 片。可变光阑设计指标为：开口直径3 mm～40 mm，叶片数量18 片。

图4 可变光阑结构示意图Fig. 4 Structure diagram of iris diaphragm

3） 中性衰减片

中性衰减片衰减倍数为100 倍，可将靶面照度由（1±10%）×10−1lx 衰减至（1±10%）×10−3lx。

4） 匀化器

由于发光二极管的定向性不满足微光夜视仪的校准要求，因此需要设计匀化器作为散射板，将发光二极管定向光束转化为扩展光束。匀化器正面是砂粒磨毛的，反面是光面。匀化器将光源发出的光变为均匀光照射至分辨力靶上。

2.2 供电电池

供电电源为光源及照度计供电，供电电压为9 V。

2.3 靶标转轮

为了准确表征微光夜视仪的分辨力，一般情况下要求设计不同对比度的分辨力靶。高对比度分辨力靶工作在照度为（1±10%）×10−1lx 条件，对比度为85%～90%；低对比度分辨力靶工作在照度为（1±10%）×10−3lx 条件，对比度为35%～40%。图5为分辨力靶示意图。

图5 分辨力靶示意图Fig. 5 Schematic diagram of resolution target

2 种对比度的分辨力靶均采用石英玻璃制作，按USAF1951 分辨力靶制作。为了适应不同的测量情况，设计了靶标转轮来实现不同对比度靶标的切换。图6 为靶标转轮剖面图。

图6 分辨力靶切换部件剖面图Fig. 6 Cutaway diagram of resolution target switching module

2.4 成像物镜

分辨力靶位于成像物镜焦面处，成像物镜用于将分辨力靶的像投射到被测微光夜视仪上。成像物镜焦距200 mm，口径80 mm，设计图如图7 所示。

图7 成像物镜设计图Fig. 7 Design diagram of imaging objective lens

2.5 照度计

照度计监测并显示分辨力靶靶面位置处的照度。照度计由弱光度探头、前置放大电路、显示部分组成，如图8 所示。其中弱光度探头由光阑、余弦修正器、V(λ)滤光片、光电二极管组成。

图8 照度计示意图Fig. 8 Schematic diagram of illuminometer

V(λ)滤光片是通过几片滤光玻璃的组合制成，其作用是与硅光电二极管配合使用时，其光谱响应曲线接近标准视觉函数曲线，越接近标准视觉函数曲线说明制作的V(λ)滤光片就越好，如图9所示。

图9 光谱响应曲线与视觉函数曲线Fig. 9 Spectral response curve and visual function curve

在分辨力测试中，当照度计探测到的示值为(1±10%)×10−1lx 或(1±10%)×10−3lx 时，即满足测试要求。

2.6 电池电压测量反馈模块

电池电压和照度测量反馈模块主要功能为实时监测分辨力测试系统供电电池的电压，对电池的工作状态进行评估和显示。

2.7 适配器

设计多种适配器解决不同型号的微光夜视仪与测试仪之间的匹配问题。根据不同型号被测夜视仪尺寸和预留接口设计相应的适配器。

2.8 触摸显示屏

触摸显示屏具有以下功能：实时显示分辨力测试系统的靶面照度值和供电电池状态；测试人员根据自身观测结果选择相应的组号和单元号，即可显示对应的分辨力值。

3 微光夜视仪分辨力测量

3.1 微光夜视仪分辨力测量结果

在微光夜视仪分辨力测量时，测试人员将被测夜视仪光轴对准分辨力测试系统主光轴，调节被测夜视仪焦距和视距，直至从目镜中观察到清晰的分辨力靶图像[13-15]。

在靶面照度分别为1.03×10−1lx 和1.07×10−3lx条件下，对某微光夜视仪的分辨力参数进行测量。测试人员对分辨力靶第2 组第4 单元和第1 组第3 单元可以完全分辨。该被测夜视仪的出厂值采用反射式原理测量，在靶面照度相同的条件下，测试人员对分辨力靶第1 组第6 单元和第0 组第5 单元可以完全分辨，测量结果对比如表1所示。

表1 微光夜视仪分辨力测量结果Table 1 Measurement results of resolution for low-levellight night-vision viewer

从表1 中可以看到，测量值和出厂值吻合较好，但也稍有差别，造成这种现象的原因在于测量原理不同。

3.2 测量结果不确定度评定

为了保证测量结果的准确性，根据（1）式，需将成像物镜焦距和分辨力靶线条宽度溯源。因此便携式微光夜视仪分辨力测试系统测量不确定度来源主要包括：测量重复性引入的标准不确定度分量u1；成像物镜焦距测量不准引入的标准不确定度分量u2；分辨力靶线条宽度测量不准引入的标准不确定度分量u3。

1） 测量重复性引入的不确定度分量u1

测量重复性用多次实验结果的标准偏差表示，用贝塞尔公式进行计算，测试系统测量重复性引入的相对测量不确定度为

2） 成像物镜焦距测量不准引入的标准不确定度分量u2

成像物镜焦距其扩展不确定度由计量部门给出，其值为0.3%（k=2），按B 类标准不确定度评定，成像物镜焦距测量不准引入的标准不确定度分量u2为

3） 分辨力靶线条宽度测量不准引入的标准不确定度分量u3

分辨力靶线条宽度由测量显微镜测量，计量部门给出其扩展不确定度为1.3 μm（k=2），按B 类不确定度评定，分辨力靶线条宽度最小值为0.028 mm，则其相对标准不确定度为

4 结论

介绍了一种便携式微光夜视仪分辨力测试系统及其设计方法，组建了由光源组件、供电电池、靶标转轮、成像物镜、照度计、电池电压测量反馈模块、适配器和触摸显示屏等组成的测试系统，并对某微光夜视仪进行了测量，完成了测试系统的不确定度评定。本系统弥补了现有实验室测试系统体积较大、不便携带的不足，具有广阔的应用前景。