[ Aerotech ] 電光系統測試的運動掃描和數據採集方法

文章來源:https://www.aerotech.com/motion-scan-and-data-collection-methods-for-electro-optic-system-testing/
作者: Tom Markel AEROTECH 航空航天戰略客戶經理

宏惠光電是Aerotech學術界總代理

#白皮書 #電光系統測試 #數據採集方法

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本文討論了可用於測量電光 (EO) 傳感器性能的不同掃描模式和方法。傳感器分辨率、失真、視場 (FOV) 大小、最小可分辨對比度和最小可分辨溫度（在紅外攝像機的情況下）的測量都是通過這些測試測量的性能指標的示例。

使用自動運動系統執行掃描測試可以捕獲許多表徵傳感器性能的數據點，用於開發和生產測試。使用非常準確的系統自動執行這些測試可以進行通過/失敗測試，同時建立生產傳感器符合規格的基線和性能趨勢，可用於發現質量和製造問題。這些自動化測試甚至可以通過使用測量的圖像計量數據實時數字校正 EO 圖像數據來校準光學誤差，從而提高傳感器的均勻性和準確性。

單點目標掃描

EO 成像系統最簡單、最有效的測試之一是通過傳感器 FOV 均勻移動高對比度目標，並在每個位置收集視線位置與傳感器圖像數據。該過程首先通過傳感器 FOV 在定義的模式（通常是正方形、矩形、圓形或十字準線）上編程點對點步驟。在每個測試點，從 EO 傳感器和視線運動編碼器位置同時捕獲數據。

階梯圖案可以是方形或矩形光柵掃描、角掃描或以 FOV 為中心的均勻環的圓形掃描。

圖 1 顯示了單向光柵掃描模式的示例。當需要最高精度時，此掃描模式通常用於執行 EO 傳感器校準。使用單向掃描方法可消除運動系統滯後和測量反沖。這種掃描方法的一個缺點是校準和測量時間較長。

圖 2 顯示了雙向光柵掃描模式的示例。當吞吐量很關鍵時，通常會使用這種掃描模式，因為測試時間會被最小化。此外，如果被測傳感器的分辨率低於運動系統滯後和反沖，則此模式是一種很好的測試方法。這種方法的一個潛在缺陷是運動系統的滯後和反沖會降低整體精度。

圖 3 顯示了包含角測量的光柵掃描模式示例。這種掃描模式有利於快速定位圖像中心，檢查圖像偏斜度並顯示傳感器與成像器光學對準的扭曲和對稱性，這有助於識別裝配錯誤。對於 EO 傳感器安裝在雲台上的應用，此掃描模式可用於測量 EO 傳感器與雲台運動軸的正交性。在機械設置或軟件中執行該對齊錯誤的校正。

圖 4 顯示了使用同心圓和 45° 增量測量點的圓形掃描示例。圓形掃描路徑經常用於在初始組裝期間測量光學望遠鏡的鏡頭對準。該測試通常在溫度室中重複進行，以確定對傳感器在運行中所暴露的溫度範圍的對準靈敏度。最後，這種掃描模式可用於激光點功率分佈測量，並有助於識別由設計或製造問題引起的局部熱點或功率空洞。緊密的螺旋掃描模式也可以獲得類似於同心圓掃描的測量結果。

所有上述掃描模式都可用於測量鏡頭畸變誤差。在每個掃描模式開始時，運動系統將目標對準 FOV 的中心。XY 像素位置和運動編碼器位置存儲為中心參考。整個掃描完成後，將運動編碼器位置與被測單元 (UUT) 感測到的目標 XY 像素位置進行比較，以確定鏡頭畸變誤差。可以從該數據生成傳感器校正查找表。然後通過編程的掃描模式重新運行運動系統，並在軟件中加載錯誤映射校正文件，從而驗證該錯誤映射。

分辨率目標或陣列目標掃描

代替單點目標掃描，二維分辨率目標或目標基準掃描陣列用於在每個運動步驟覆蓋更大的 FOV 區域。這種方法通過在 EO 傳感器中瞬時記錄目標 XY 像素位置的二維陣列來增加單個運動步驟的圖像目標測量位置。它還減少了整個 FOV 的運動步數。圖 5 顯示了這種二維區域光柵掃描方法的示例。

這種方法的一個優點是減少了測量時間。然而，後處理稍微複雜一些，因為它需要拼接圖像和組合數據。

先前在圖 1 到 4 中說明的相同掃描方法可以與這種重疊區域方法一起使用。該技術適用於校準非常大的 FOV 傳感器，例如衛星成像器。這也是一種很好的掃描方法，可以使用安裝在萬向架上的具有窄 FOV 的高分辨率傳感器來測量大面積區域。通過在系統中添加圖像處理，重疊掃描也可用於在萬向節的視野中定位新的或變化的物體。

動態傳感器測試

傳感器動態和圖像處理性能可以通過在視野中以恆定或變化的速率移動物體來測試。測試對象通常是一個小的垂直條或薄板，它們會在均勻的背景和傳感器之間通過。這有時被稱為狹縫測試。根據掃描頻率、目標尺寸和掃描長度，可以使用各種運動裝置，例如旋轉和線性平台。可以通過增加運動速度直到狹縫不再可見來測試傳感器成像帶寬和瞬時成像分辨率。

可以使用之前顯示的相同運動掃描配置文件，但不是在每個測量位置停止，而是使用 UUT 和運動系統之間的緊密同步實時捕獲數據。由於運動系統和傳感器的動態特性，測量精度可能會略低。然而，主要優點是更快的測試時間和更高的吞吐量。

動態測試的數據收集

確保測量數據與測量位置精確匹配在高分辨率動態測試中可能具有挑戰性。更快的掃描速率有利於更高的吞吐量，但 UUT 數據與運動數據的緊密位置同步是必要的。

一些高級運動控制器具有內置的低延遲觸發功能，可用於實現這種緊密同步。Aerotech 運動控制器包括一個基於位置的低延遲輸出觸發信號，稱為位置同步輸出 (PSO)。PSO 允許用戶指定三維空間中的矢量距離以觸發數據收集。可以根據命令距離或實際位置反饋觸發輸出，進一步提高同步保真度。

使用 PSO 等內置控制器功能，無需購買昂貴的高速硬件數據採集系統或開發定制數據採集軟件。

概括

在本文中，討論了各種運動掃描技術的優缺點。使用這些掃描技術以及相關文章中討論的測試設置和驅動技術，將使 EO 測試工程師能夠就有效的測試策略做出更明智的決策。