非光學合路多光譜光源於紅外線、可見光與雷射測試之應用
現代光電技術 (Electro Optical technology) 的飛速發展，特別是在紅外線和雷射技術領域的突破，正推動著感測系統朝向更小型化、高度整合化的方向演進，這些先進系統不僅大幅提升了軍事目標在遠距離下的偵測與辨識能力，更在環境監測、工業檢測及科學研究等多元領域展現出巨大潛力，特別是新型系統透過整合雷射照明 (laser illumination)、雷射測距 (laser ranging) 以及距離閘控感測器 (gated sensors)，實現了前所未有的遠距視覺洞察力，這些創新功能有效增強了既有的中波紅外線 (MWIR) 與長波紅外線 (LWIR) 在全天候環境下的運作效能，同時也提升了在低光照條件下可見光與近紅外線 (VNIR) 的成像品質，賦予使用者更多元的手段來觀測關鍵目標，因此，測試產業面臨著一項迫切需求：開發能夠在所有相關光譜波段精確產生影像、並為距離閘控系統 (range-gated systems) 提供精準時間脈衝刺激的測試解決方案，以確保這些尖端光電系統的性能符合預期。
為應對此挑戰，致力於光電測試解決方案的 Santa Barbara Infrared (SBIR)，近期研發出一種創新的非光學合路多光譜光源 (Non-optically Combined Multi-spectral Source)，此光源能夠將均勻的紅外線光源與均勻的雷射及可見光源有效結合，專門用於各類先進光電 (EO) 系統的綜合測試，其設計目標清晰，不僅適用於實驗室環境中對包含紅外線成像儀和距離閘控相機的複雜監視系統進行精密檢測，亦能滿足新興的多光譜/整合感測系統在實際現場環境下的測試需求，本文將對此光源進行描述，並提供與光電 (EO) 測試相關的性能資料，包括在相關光譜波段的輸出、穩定性和解析度。
引言
紅外線與可見光/近紅外線/雷射整合感測系統的出現，已證明其在提升戰場性能和減少「刺激過載」方面的多功能性，此類整合或多光譜成像儀的世代，對更先進的測試提出了要求，這些測試需要能夠驗證其同步、混合訊號的能力，SBIR 新開發的整合式積分球光源與內建差分黑體，是為這些系統提供多波段刺激的一種創新方法。
SBIR 已將此新型合路光源實現為兩種版本：多光譜光源 (MSS) 系統在一個積分球中整合了二極體雷射和一個延伸式黑體源，以在 1064 nm 和 1550 nm 雷射波長產生獨立輸出，同時在 MWIR 和 LWIR 頻段輸出，混合輸出可用於紅外線和短波紅外線 (SWIR) 相機的光軸對準 (boresighting)（可搭配如 SBIR 光軸校準模組等設備輔助進行），為小型解析度目標提供背光照明，並對距離閘控SWIR相機進行距離測試。
多波長光源 (MLS) 則整合了石英鎢鹵素燈源以及黑體源，此實施方式明確是為現場可攜式應用而開發，因為它無需像傳統方法那樣使用分光鏡 (beamsplitters) 從外部合路光源，結果是為前線部署的軍用光電設備支援提供了一個體積更小、重量更輕的測試儀。
圖1. SBIR 多光譜光源 (MSS) 的剖面圖，此剖面顯示了黑體、雷射二極體組件、雷射偵測器埠和輸出埠。
圖2. 多波長光源 (MLS) 組件的剖面圖，此剖面顯示了帶有黑體插件和亮度光源擋板的球體，球體後方的組件是燈/衰減器。
如圖1和圖2所示，組件光源的輸入在積分球內部進行合路，無需使用分光鏡，MWIR 和 LWIR 輸出由構成改良球體後壁的延伸式黑體源提供，此（圓形）黑體表面可由待測物 (UUT) 透過球體的出光孔徑直接觀測，其中心定義了光學中心線，黑體的直徑經過設計並安裝於球體，使黑體表面與球體表面之間留有微小間隙，這使得黑體與積分球的額外熱負載隔離開來，黑體的尺寸超過了球體的可視區域，因此測試系統透過出光孔徑「看」不到這個間隙。
為了在可見光和近紅外線 (NIR) 光譜波段實現高反射率，黑體源板上塗覆了一種特殊的可見光/近紅外線 (VIS/NIR) 白色塗層，該塗層在 3-5 µm (MWIR) 和 8-12 µm (LWIR) 波段同時具有高發射率（即呈現黑色），這種「白色黑體」是申請專利的 MSS 和 MLS 的關鍵元件，其高可見光/近紅外線 (VIS/NIR) 反射率幾乎與積分球其餘部分的反射率相匹配，因此保留了積分球的性能 – 包括光通量和均勻性，針對現場部署的 MLS，則選擇了一種類似的塗層，其在可見光到短波紅外線 (SWIR) 波段的光學性能較低，但具有更高的耐用性。
與球體光軸成直角的兩個埠用作輸入埠，MSS 的一種實現方式整合了 1064 nm 和 1550 nm 的雷射二極體，用於測試距離閘控相機（成像光達），這些二極體以脈衝模式運作，所有的脈衝和時序電子電路都整合在光源模組中，該時序電路類比閘控相機系統中照明雷射脈衝的傳輸時間，因此可以在閘控相機正常運作的情況下進行光學測試，輸入能量透過使用步進馬達驅動的衰減葉片進行調整，與雷射輸入埠相對的埠是可見光源的輸入埠，SBIR 在一款小型化現場可攜式光電測試儀中實現此光源時，採用了石英鹵素燈，其輸入功率由衰減葉片控制，並透過燈的電流控制來調整和穩定色溫。
與輸入埠正交的兩個埠用於回饋偵測器，在雷射光源的實現方案中，使用了一個高速磷砷化鎵銦 (InGaAs) 光二極體，內建轉阻放大器 (transimpedance amplifier)、積分電路和類比數位轉換器 (ADC)，對於可見光源，則整合了一個「智慧型」v-Probe，這是 SBIR 的標準產品，可在超過9個數量級的範圍內提供可見光偵測，此可見光偵測器也內建了具有4個增益級的轉阻放大器和一個 ADC，v-Probe 將校準資料儲存在內部快閃記憶體中，使其可在現場更換而無需重新校準。
圖3. 使用 MSS 作為光源，由距離閘控相機產生的美國空軍 (USAF) 解析度目標影像，波長 1.54 微米，圖片由 Northrop Grumman Corporation 的 Curtis Webb 提供。
圖4. 用於所述兩種光源之黑體上的白色塗層的反射光譜。
MSS 與 MLS 實施方案
MSS 被建構成一個獨立的光源模組，類似於 SBIR 的標準系列黑體和可見光源，這些組件由兩部分組成：a) 光源「頭部」，通常是一個封閉單元，位於目標輪後方，為投影系統（例如紅外線目標投影儀）提供背光以呈現給待測物 (UUT)；以及 b) 控制器，可放置於工作檯或安裝在測試站的機架中，控制器與測試電腦連接，並帶有前面板顯示器，方便使用者快速檢查狀態或進行操作，圖3顯示了使用 MSS 作為光源，透過準直儀觀看美國空軍解析度目標的距離閘控SWIR相機所拍攝的測試影像。
另一方面，MLS 則是專為堅固、輕量化的軍用測試系統而設計，它沒有外部外殼，是包含一個目標輪的光源模組的一部分，此模組可滑入準直儀外殼本身，但透過一個隔板結構 (bulkhead structure) 與準直儀進行熱隔離。
MSS 在積分球處整合了近紅外線 (NIR) 雷射光源和一個黑體，而 MLS 則整合了一個可見光源，替代的實施方案可以包含所有三種光源：紅外線 (IR)、可見光 (VIS) 和雷射 (LASER)，既可以作為實驗室單元，也可以作為輕量化現場可攜式光電測試裝置的一部分，具備測試雷射接收器和測距儀的能力。
性能資料
黑體
所述兩種光源的黑體部分源自 SBIR Infinity 系列標準光源（類似於黑體校準源的概念），溫度量測和控制使用 iProbe 執行，該探頭將校準資料儲存在探頭本身，這使得未校準的設備可以透過簡單地更換為已校準的 iProbe 來進行校準，而無需將整個設備送回工廠或其他校準中心，這些光源由熱電致冷器 (thermoelectric coolers) 驅動，能夠實現相對於環境溫度 -15 至 +60°C 的差動控制，其精確的溫度控制可透過如高精度差動溫度計等儀器進行驗證，每個球體的黑體部分都覆蓋著一種客製化塗層，該塗層在電磁波譜的可見光到短波紅外線 (SWIR) 部分具有反射性（即「白色」），而在 MWIR 和 LWIR 部分則具有高發射性（即「黑色」），圖4顯示了用於兩種光源的塗層的半球反射光譜。
所選用的塗層是為了最適合預期的用途，MLS 預期用於現場應用，需要高機械強度塗層，為 MLS 選擇的塗層在 SWIR 區域的反射率有所下降，儘管反射率仍然相當高，但這種下降對球體的效率有顯著影響，由於光線在離開球體前會發生多次反射，因此每次光線從黑體表面反射時，反射率的降低都會被放大，在此光源中，獲得足夠的雷射功率輸出是一個重大的挑戰，因此有必要使用在 SWIR 光譜中具有盡可能高反射率的塗層，同時在 MWIR 和 LWIR 區域保持合理的高發射率，由於 MSS 是為實驗室應用而設計，因此可接受機械強度較低的塗層，圖4中所示的 MSS 塗層，相較於 MLS 中使用的塗層，其雷射輸出增益約為 30%。
圖5. MLS 黑體的穩定性曲線圖，此資料顯示在最高和最低溫度以及略高於環境溫度時，具有次 mK (milli-Kelvin) 等級的穩定性，Sigma、最大值和最小值如表1所示。
表1. 圖5所示穩定性資料的統計數據。
設定點 (Set Point) |
5.0000 |
30.0000 |
85.0000 |
|
sigma |
0.0001 |
0.0001 |
0.0003 |
|
最大值 (max) |
5.0002 |
30.0002 |
85.0008 |
|
最小值 (min) |
4.9995 |
29.9998 |
84.9993 |
黑體的測溫響應 (thermometric response) 與 SBIR Infinity 系列其他黑體相當，測試系統性能是評估紅外線成像儀（如各類型紅外線熱像儀）的重要部分，期望快速的溫度轉換和短的安定時間以減少測試時間，在最小可解析溫差 (MRT) 量測的情況下，防止過衝 (overshoot) 極為重要，過衝可能導致觀察者錯誤地低估系統的 MRT，穩定性也是必要的，許多測試要求變動量級在 1mK 或更小，在 MLS 的設計驗證期間收集的資料如圖5至圖7和表1所示，顯示了快速、良好控制的轉換，具有最小的過衝 (overshoot) 和次 mK (milli-Kelvin) 等級的穩定性。
圖6. 小幅度溫度轉換，此圖顯示 100 mK 和 10 mK 的轉換，兩種情況下的過衝均小於 1 mK，並且在 15 秒內均穩定在 1 mK 以內。
圖7. 5 K 溫度轉換，此圖顯示從 25°C 到 30°C 的 5 K 轉換，插圖中顯示的過衝為 6 mK，溫度在 45 秒內穩定至 1 mK。
可見光源
MLS 上的可見光源也利用了 SBIR 標準產品的組件，衰減器機制允許在 8 個數量級範圍內進行控制，而無需添加濾光片或其他次級衰減裝置，此衰減器由步進馬達控制，在整個操作範圍內，其相對於期望值的解析度優於 0.2%（見圖8），可見光偵測器類似於前面提到的 iProbe，校準資料儲存在探頭上，該偵測器內建快門，可進行暗電流測量以改善低光照度下的性能，它也具備溫度控制功能，可減少暗電流漂移以及（較小程度上的）增益漂移，偵測器會自動在 4 個增益級之間切換，以在不飽和的情況下達到最佳訊噪比，此偵測器可量測低至約 5E-6 ft-L 的亮度，系統準確度為 2% 或 5E-6 ft-L，以較大者為準，圖9顯示了系統在 1E-5 至 1000 ft-L 設定點範圍內的穩定性。
圖8. MLS 中的亮度解析度，此圖顯示 MLS 亮度光源的解析度，以設定點值的百分比表示，變化是由於所用葉片的形狀造成的。
雷射光源
除了黑體之外，MSS 還包含兩個脈衝雷射光源，一個光源波長為 1064 nm，另一個為 1550 nm，兩個雷射都透過球體上相同的入射埠輸入，並共用一個衰減器，一次只能發射其中一個雷射，在啟動雷射之前，使用者必須選擇雷射光源波長、脈衝寬度、觸發模式和觸發源以及輸出輻射率。
具有窄輸出頻段的二極體元件中可用的雷射功率是該系統的主要限制之一，MSS 系統能夠產生從 20 ns 到 500 ns 的脈衝寬度（見圖10），技術規格要求時間積分輸出輻射率從 0.4 到 85 nJ/cm²/sr，為了最大化球體的光通量，其設計得很小（直徑2英寸），剛好足以在其半英寸出光孔徑直徑上達到額定 2% 的均勻性。
雷射光源的時序電路使其能夠在自由運行模式 (free-run mode) 下運作，在此模式下會產生連續的輸出脈衝流，此模式對於待測物 (UUT) 的設定和對準很有用，當系統設定完成後，通常的時序模式是測距模式，MSS 會為每個觸發事件產生一個返回脈衝，返回脈衝可以延遲以模擬從 100 公尺到 100 公里的距離，解析度為 5 公尺，準確度為 +/- 3 公尺，MSS 具有 T0 輸出，無需發射待測物 (UUT) 雷射即可進行距離測試，T0 訊號用於告知外部測試設備待測物 (UUT) 雷射已發射，並標記距離延遲的開始。
圖9. 亮度穩定性，顯示在 1E-5、1E-3、1 和 1000 ft-L 時的穩定性，在 1E-5 情況下，Sigma/平均值約為 10%，其他所有情況下均 < 0.5%。
圖10. MSS 中的可變脈衝寬度，此圖顯示由 MSS 可選擇脈衝寬度產生的各種脈衝寬度，上升和下降時間約為 5 ns，在最初的 20 ns 後脈衝形狀相對平坦，並且隨著脈衝寬度的增加沒有出現不良的假影。
結論與展望
當前及未來的感測技術，正廣泛利用寬頻光譜靈敏度以及雷射照明和閘控技術，以獲取更優異的目標辨識能力和更高的解析度，這些精密裝置的測試工作，因而需要嶄新的儀器設備，這些設備必須能夠同時以特性精良且受到嚴格控制的多光譜照明來激發感測器，以全面評估其性能。
隸屬於 HEICO 紅外線的 Santa Barbara Infrared (SBIR)，針對此需求開發了一種創新性的多光譜均勻光源設計，此設計的獨到之處在於無需使用傳統的合路光學元件，即可將可見光、近紅外線 (NIR)、短波紅外線 (SWIR)、中波紅外線 (MWIR)、長波紅外線 (LWIR) 以及雷射光源整合至單一緊湊的單元中，此項設計最初是為滿足一項特定需求：提供均勻的大面積脈衝雷射照明，並與 MWIR/LWIR 照明相結合，以便能同時為位於準直儀焦點處的解析度目標提供背光照明，後續，此初步設計更進一步被調整和優化，以支援在用於測試可見光/紅外線整合瞄準具和複雜感測系統的堅固耐用、小型化目標投影儀中，實現 MWIR/LWIR 與可見光照明的有效合路。
展望未來，SBIR 的持續研發方向包括將雷射、可見光與紅外線光源進一步整合至一個功能更全面、整合度更高的單一系統中；同時也將繼續深入研究新型的反射與發射特性塗層及材料科學；並積極開發創新的測試方法學，以因應快速演進的光電測試挑戰。
對於尋求此類尖端多光譜測試解決方案的客戶，奧創系統 (Ultrontek) 扮演著至關重要的角色，作為 SBIR 在台灣的緊密合作夥伴，奧創系統是一家專業的解決方案與系統整合提供者，我們專注於為客戶提供全面的系統規劃，並可依照客戶的具體應用需求，提供高度客製化的整合服務與技術支援，奧創系統憑藉其豐富的整合經驗與專業知識，能夠協助客戶將如 SBIR 的 MSS 和 MLS 等先進光源，以及相關的配套設備如 SBIR 原廠的 目標輪 與 光軸校準模組，乃至於各種高品質的黑體校準源、積分球光源、高精度差動溫度計、紅外線準直儀、紅外線熱像儀 和 紅外線目標投影儀 等精密儀器設備，無縫整合到其測試流程中，確保客戶獲得最佳的測試效能與投資回報。