光電系統測試的運動掃描與資料擷取方法
本文重點在於探討可用於量測光電 (Electro-Optic, EO) 感測器性能的多種掃描模式與方法，透過這些測試，可以精準量測感測器的各項性能指標，例如感測器解析度、影像失真、視場 (Field-of-View, FOV) 大小、最低可辨識對比度，以及針對紅外線攝影機的最低可辨識溫度。
運用自動化運動系統執行掃描測試，能夠在開發與生產測試階段，擷取大量表徵感測器性能的資料點，這種採用高精度系統的自動化測試，不僅可用於執行通過/不通過 (pass/fail) 的判定，更能建立量產感測器的規格基準線與性能趨勢，有助於及早發現品質與製造流程中的潛在問題，此外，這些自動化測試甚至能透過量測到的影像計量資料，即時數位校正 EO 影像資料，以補償光學誤差，進而提升感測器的均勻度與準確度。
單點目標掃描
評估 EO 成像系統最簡易且有效的方法之一，即是讓一個高對比度目標在感測器的 FOV 內均勻移動，並在每個位置同步擷取其視線位置與感測器的影像資料，此流程首先需要設定點對點的步進移動，使其在感測器 FOV 內，依循預先定義的圖形，通常是方形、矩形、圓形或十字形，在每個測試點上，系統會同步擷取來自 EO 感測器的資料，以及運動編碼器的視線位置資訊。
步進圖形可以是方形或矩形的光柵掃描、角落掃描，或是以 FOV 為中心的多個均勻同心圓掃描。
圖 1 展示了一種單向光柵掃描圖形的範例，當要求最高精確度時，此掃描圖形常用於執行 EO 感測器的校準，採用單向掃描方式可以有效消除運動系統的磁滯效應與量測背隙，然而，這種掃描方法的一個缺點是需要較長的校準與量測時間。
圖 1. 單向光柵掃描序列示意圖，為消除機械運動中的背隙與磁滯效應，所有量測路徑（如 2→3）皆採單一方向；完成每行掃描後，系統會快速歸位至下一行的起始點（如 4、6），藉此確保最高的定位精度。
圖 2 展示了一種雙向光柵掃描圖形的範例，當對測試效率有較高要求時，此掃描圖形便相當實用，因為它能將測試時間降至最低，此外，若待測感測器的解析度低於運動系統的磁滯與背隙，此圖形也是一個理想的測試方法，不過，此方法的一個潛在風險是，運動系統的磁滯與背隙可能會降低整體的量測精確度。
圖 2. 雙向光柵掃描序列，其特點是來回掃描以縮短測試時間，此方法雖然效率高，但因運動方向在每一行都會反轉（如 2→3 與 4→5），故需注意背隙與磁滯效應可能對量測精度造成影響。
圖 3 展示了一種包含角落量測的光柵掃描圖形範例，此掃描圖形有助於快速定位影像中心、檢查影像的偏斜度，並呈現感測器光學元件與成像器對準的失真與對稱性，進而協助識別組裝錯誤，對於將 EO 感測器安裝在平移/俯仰 (pan/tilt) 雲台上的應用，此掃描圖形可用於量測 EO 感測器相對於雲台運動軸的正交性，而其對準誤差可透過機械結構調整或軟體進行校正。
圖 3. 一種用於快速診斷的掃描圖形，專注於量測視場的中心、軸線與四個角落，此方法能有效率地檢查影像的對稱性、失真與偏斜度，並可用於驗證感測器與運動平台的正交性。
圖 4 展示了一種使用同心圓並在 45° 增量位置設立量測點的圓形掃描範例，圓形掃描路徑常用於在初始組裝階段量測光學望遠鏡的鏡片對準情況，此測試也經常在溫控箱中重複執行，用以判斷感測器在實際操作的溫度範圍內，其對準的溫度敏感度，最後，此掃描圖形也可用於雷射光斑功率分佈的量測，有助於識別因設計或製造問題所導致的局部熱點或功率空洞，而緊密的螺旋掃描圖形也能達到與同心圓掃描相似的量測結果。
圖 4. 此圓形掃描圖形主要用於評估具徑向對稱性的光學系統，透過量測多個同心圓上的點，可檢驗望遠鏡鏡片對準、分析雷射光斑功率分佈，或在溫控環境下評估其熱穩定性。
前述的所有掃描圖形皆可用於量測鏡頭失真誤差，在每個掃描圖形開始時，運動系統會將目標對準至 FOV 的中心，並將此時的 XY 像素位置與運動編碼器位置儲存為中心參考點，在完成整個掃描後，系統會將運動編碼器的位置與待測物 (UUT) 感測到的目標 XY 像素位置進行比較，以確定鏡頭的失真誤差，利用這些資料可以產生一份感測器的校正查找表，接著，透過載入此誤差圖校正檔案的軟體，重新執行運動系統的掃描圖形，即可完成此誤差圖的驗證。
解析度目標或陣列目標掃描
另一種方法是使用二維的解析度目標或目標標記陣列，取代單點目標掃描，這種方式讓每次的運動步進都能涵蓋更大範圍的 FOV 區域，此方法透過在單一運動步進中，瞬時記錄 EO 感測器內目標的二維陣列 XY 像素位置，增加了影像目標的量測點數量，同時也減少了橫跨整個 FOV 所需的運動步進總數，圖 5 展示了此二維區域光柵掃描方法的示意圖，此方法的一個優點是縮短了量測時間，然而，其後續處理稍微複雜，因為需要進行影像拼接與資料整合。
圖 5. 此為二維區域光柵掃描，透過移動一整個目標陣列來覆蓋視場，此方法能大幅減少運動步進次數以加速量測，但後續需透過影像拼接整合資料，增加了後續處理的複雜度。
先前在圖 1 至圖 4 中說明的掃描方法，同樣可與這種重疊區域掃描的方式結合使用，此技術非常適合用於校準具有極大 FOV 的感測器，例如：衛星成像儀，對於需要在廣大區域進行探測、且搭載於雲台上具有窄 FOV 的高解析度感測器而言，這也是一種理想的掃描方式，藉由在系統中加入影像處理功能，重疊掃描還可用於定位雲台監視視場 (field-of-regard) 內新增或變動的物體。
動態感測器測試
藉由讓物體以恆定或變動的速率通過視場，可以測試感測器的動態性能與影像處理性能，測試物體通常是一個細長的垂直條或薄板，使其在均勻背景與感測器之間通過，這種測試有時被稱為狹縫測試 (slit test)，依據掃描頻率、目標尺寸與掃描長度，可使用旋轉平台和線性平台等多種運動裝置，透過逐漸提高運動速度，直到狹縫不再可見，即可測試感測器的成像頻寬與瞬時成像解析度。
先前展示的運動掃描輪廓同樣適用於此，但並非在每個量測位置停止，而是在移動中擷取資料，這需要 UUT 與運動系統之間達成緊密的同步，由於運動系統和感測器本身的動態特性，量測精確度可能會略微降低，然而，其主要優勢在於更快的測試時間與更高的產出效率。
動態測試的資料擷取
在高解析度動態測試中，確保量測資料與量測位置精確匹配可能是一項挑戰，更快的掃描速率有助於提高產出，但這也要求 UUT 資料與運動資料之間必須實現緊密的位置同步。
部分先進的運動控制器內建了低延遲觸發功能，可用於實現這種緊密的同步，Aerotech 運動控制器包含一種以位置為基礎的低延遲輸出觸發訊號，稱為位置同步輸出 (Position Synchronized Output, PSO)，PSO 允許使用者在三維空間中指定一個向量距離來觸發資料擷取，此輸出可以根據指令距離或實際位置回饋進行觸發，從而進一步提升同步的精確度。
使用如 PSO 這類的內建控制器功能，便無需採購昂貴的高速硬體資料擷取系統，或開發客製化的資料擷取軟體。
總結
本文探討了各種運動掃描技術的優點與缺點，結合這些掃描技術以及在相關文章中討論的測試設置與致動技術，將能讓 EO 測試工程師在制定有效的測試策略時，做出更明智的決策。
關於作者
Tom Markel 是 Aerotech 的航太策略客戶經理，負責與全球一些最大的航太製造商進行業務開發和企業關係，作為一名擁有電機工程學位和軟體背景的運動控制工程師，Tom 在 Aerotech 工作超過 21 年，專門為自動化製造和測試設計高精度的運動解決方案，包括 EO/IR 測試系統和戶外雲台系統，在加入 Aerotech 之前，Tom 曾在航太和國防工業擔任系統和測試工程師達 13 年。