視軸校準模組 (BAM)：雷射與成像系統之自動化共軸對位技術

 

多感測器系統的幾何對位需求與量測誤差放大效應

在現代光電載荷（E-O Payloads）的設計中，將可見光相機、中長波紅外線熱像儀以及主動式的雷射測距儀（LRF）或雷射標定器（LTD）整合於單一雲台系統已是標準架構，這類系統的運作前提是：所有感測器的光學視線（Line of Sight, LOS）必須在三維空間中指向同一座標。

從幾何光學的角度來看，發射端（雷射）與接收端（相機）之間若存在微小的角度偏差，該誤差會隨著距離呈線性放大，例如，一毫拉弧度（mrad）的視軸偏差，在距離目標一公里時，將導致雷射落點偏離準星整整一公尺，為了在出廠前控制這類誤差，測試實驗室必須建立一個具備高度可重複性的「光學基準」，並精確量化各感測器視軸與該基準的相對偏移量；然而，在實驗室的光學平台上量測跨波段感測器的微觀偏移，工程師面臨著波長差異、光斑幾何變形以及設備機械漂移等多重技術限制。

三大光學對位難題

在執行視軸校準（Boresighting）與光束特性分析時，測試系統需克服以下三個核心問題：

跨波段捕捉的物理限制與動態範圍需求

進行雷射與成像系統的對位時，首先面臨的是感測波長的不相容性，戰術雷射通常採用一零六四奈米的近紅外波段，或是改用一五四零、一五七零奈米的人眼安全波段，傳統的可見光矽基感測器對超過一千一百奈米的光子缺乏足夠的量子效率；而標準的中長波紅外線熱像儀也無法有效感測這些波段。

為了解決此問題，測試設備必須配置短波紅外線（SWIR，通常為銦鎵砷材料）相機，然而高能量雷射脈衝擊中感測器時，若相機的動態範圍或數位化位元深度不足，光斑中心的像素極易發生飽和（Clipping），飽和現象會削平光束能量的高斯分佈峰值，使系統丟失關鍵的中心能量權重，進而導致後續的空間定位計算產生量化誤差。

光斑畸變與次像素質心定位（Centroiding）的計算挑戰

取得雷射光斑的影像後，系統必須計算該光斑的精確幾何中心，真實的雷射光束受限於發射器的模態與光學鏡片的像差，其能量分佈往往不是完美的對稱圓形，如果僅依賴尋找「最亮像素」來定義光斑中心，其解析度將受限於相機的單一像素實體尺寸，為了達到微拉弧度（µrad）等級的量測精度，系統必須導入「質心定位（Centroiding）」演算法，此演算法透過計算光斑範圍內所有像素的能量權重，得出一個位於像素網格之間的次像素（Sub-pixel）座標。

若測試系統的影像擷取卡無法提供穩定的低雜訊數位訊號，背景的暗電流雜訊將干擾演算法的權重計算，導致量測到的視軸偏移量產生不穩定的隨機跳動。

絕對空間基準的建立與自動準直（Autocollimation）

在進行誤差量測前，測試系統自身必須定義一個絕對的「零點」或「參考視線」，在光學平台上這通常由大型反射式準直儀的光軸來決定；實務上的難點在於，安裝於平台上的測量模組（包含其內部的相機與鏡片），會因為環境溫度變化產生的熱應力或微小的機械震動，而逐漸偏離準直儀的參考光軸。

如果無法即時校正這項設備自身的機械漂移，量測結果將失去公信力。因此，測試系統必須具備物理上的光學反饋機制，讓測量模組能夠「看見」自己的光學中心，並與準直儀的基準線進行自我校準。

視軸校準的系統化硬體配置邏輯

為了解決跨波段感測、提高定位解析度並消除機械漂移，測試實驗室應採用模組化與數位化整合的光學架構，其配置邏輯可歸納為三個主要方向：

首先，採用涵蓋目標波段的專用相機（如 SWIR 或高解析矽基相機），並確保其具備足夠的動態範圍與十二位元以上的數位化深度，以無失真地捕捉雷射能量的梯度；其次，必須在軟體層面整合高階質心定位演算法，將硬體的像素極限推進至次像素的解析度；最後，在光學幾何上，系統需配置高精度的逆向反射器（Retro-reflector），利用自動準直技術，建立一個可追溯且穩定的視軸參考基準。

客觀量化的系統級對位架構

針對多重感測器共軸校準與雷射光束特性化的嚴謹需求，單一儀器或人眼目視比對已無法達到現代標準所需的微拉弧度精度，奧創系統所提供的方案，著重於將高階影像感測、自動準直光學與自動化演算軟體進行深度整合。

為解決光電系統在實驗室或產線上的對位難題，我們推薦導入 SBIR 視軸校準模組 (Boresight Alignment Module, BAM)，此模組透過客觀的數據量化與自動化流程，排除人為操作變數，提供穩定的視線基準與偏差量測。

SBIR 視軸校準模組 (BAM)，透過自動準直與 IRWindows™5 軟體，精準共軸校準多重成像系統與雷射；提供 SWIR 或矽基相機選項，涵蓋 0.4-2µm 波段，。適用於準直儀整合或開放平台。

跨波段擷取與模組化相機配置

為應對不同雷射波長的測試需求，BAM 模組標準配備一部短波紅外線 (SWIR) 相機，其光譜響應範圍涵蓋 850 nm 至 2000 nm，可有效捕捉 1064 nm、1540 nm 及 1570 nm 等常見雷射波段，對於專注於 0.4 至 1.06 微米可見光至近紅外範圍的應用，亦提供矽基 (Silicon) 相機的選配，該相機具備 30 dB 的動態範圍，能有效避免高能雷射造成的光斑影像飽和。

次像素精度之質心定位與光束量測

BAM 模組的影像處理管線採用 12 位元數位化架構，確保影像細節的完整性，此硬體與 SBIR 專屬的 IRWindows™5 自動化測試軟體 深度結合，透過軟體內建的質心定位演算法，系統能精確計算雷射光點的中心，在搭配標準 f/5 光圈比的 STC 準直儀時，其雷射質心定位解析度可達到相機瞬時視野 (IFOV) 的四分之一（約當 4.2 微拉弧度），並確保系統對視軸目標的校準徑向誤差控制在 25 微拉弧度以內；此外該模組亦支援光束發散角量測，量測範圍涵蓋 80 至 2500 微拉弧度，精度可達 ±10% 或 ±12 微拉弧度。

IRWindows™5 是一款先進的 IR/EO 感測器自動化測試軟體，支援紅外線、可見光與雷射系統效能測試，具備直覺式 GUI、gRPC 遠端介面、強化 SQLite 資料庫與即時分析工具 (連續 MTF/Boresight)。提供完整硬體/軟體統包解決方案，提升測試精度與效率。

自動準直技術與絕對光學基準

為了確保系統量測基準的穩定性，消除設備自身的機械漂移，每一套 BAM 模組皆隨附一個精度達 1 角秒 (arc second) 的逆向反射器，使用者可利用此反射器執行自動準直程序，將準直儀所定義的視線精確轉移至模組內的相機，建立堅固且可重複的視軸參考基準；模組設計分為兩種：可直接與 SBIR STC 系列準直儀無縫整合的標準型，以及適用於開放式光學平台的配置，提供實驗室架設的彈性。

透過 BAM 模組 與 IRWindows™5 的整合，工程師可將繁複的感測器與雷射對位流程自動化，透過標準數據報表量化系統偏差，有效提升光電產品的測試產能與出廠可靠度；若需進一步的系統規格配置建議或光學介面評估，歡迎聯繫奧創系統技術團隊，我們將依據您的待測物特性提供專業的系統規劃。