高階光電測試：標靶定位系統物理極限與目標輪配置策略

 

2026 光電感測測試的嚴苛環境與法規演進

進入 2026 年，隨著低軌衛星遙測載荷、無人載具（UAS）多光譜偵搜系統以及先進駕駛輔助系統（ADAS）的高階熱成像技術爆發，光電與紅外線感測器（E-O/IR）的硬體極限已被推升至前所未有的境界；現代焦平面陣列（FPA）的像素間距持續微縮至次微米等級，且熱靈敏度指標如雜訊等效溫差（NETD）已逼近毫開爾文（mK）的極端領域。

在這樣的技術背景下，國際測試標準與法規面臨了全面的升級，例如：針對軍用光電系統介面與測試的 MIL-STD-1931 標準、評估空間解析度的 ISO 12233 標準，以及針對機器視覺感測器的 EMVA 1288 規範，皆對測試設備的「空間定位精度」與「熱動態穩定度」提出了極度嚴苛的要求，測試規範之所以越來越嚴格，是因為現代感測器的訊號雜訊比極高，且具備極寬廣的動態範圍，任何來自測試設備本身的機械微震動、標靶對位誤差，或是標靶板與黑體輻射源之間的熱干擾，都會在光學放大的過程中被劇烈放大，並被待測物（UUT）捕捉為效能缺陷。

為了執行高階的性能特徵化測試，工程師必須在精密控制溫度的黑體輻射源與待測物之間，插入具有特定空間頻率與幾何形狀的「標靶（Targets）」，負責承載、切換並精確定位這些標靶的精密機電設備，即為「目標輪（Target Wheel）」或稱標靶定位系統，在現代高標準的實驗室中，目標輪早已超越單純的機械輔助工具，它是一個高度精密的光機電整合核心，其機械公差、熱穩定性與光學對位能力，直接決定了數以百萬計研發專案的驗收成敗。

工程師在實務上遭遇的三大核心難題

在進行諸如最小可解析溫差（MRTD）、最小可偵測溫差（MDT）以及調變轉換函數（MTF）等業界標準測試時，測試系統必須在極具挑戰性的動態範圍內，提供精確的空間頻率特徵與微小的溫差梯度，實務上，研發工程師與國防工業分析師經常面臨以下三大技術痛點：

難題一：次微米級別的空間定位重複性與光軸偏移

在測量高解析度紅外線相機的調變轉換函數（MTF）時，工程師通常會使用狹縫標靶（Slit）或邊緣標靶（Edge），MTF 測試的物理意義在於評估光學系統對不同空間頻率特徵的對比度保留能力，這要求標靶的邊緣必須極度精準地對齊感測器的像素陣列，甚至需要進行次像素級別的微掃描。

如果目標輪的旋轉定位機構採用傳統的直接驅動或缺乏高精度制動設計，在經過多次旋轉切換後，往往會產生微小的機械背隙與磨損，業界對於高階標靶定位系統的極限要求是，孔位至孔位的定位重複性必須小於千分之一英吋（小於 0.001 吋），一旦大於這個誤差值，搭配長焦距準直儀的高倍率放大後，標靶邊緣在感測器焦平面上成像的相位將發生嚴重的光軸偏移（Boresight Shift）與影像抖動。

這種微米級的定位誤差，會導致系統在採樣數據並運算傅立葉轉換時產生嚴重的相位失真，使得 MTF 曲線在高頻區域急遽衰減，工程師在實務上經常發現，連續兩次測試同一待測物卻得到截然不同的解析度數據，其根本原因往往不在於待測物本身，而在於標靶定位系統無法維持極限標準內的絕對重複性。這種不確定性直接摧毀了測試數據的公信力。

難題二：輻射度校正中的熱梯度干擾與動態穩定性

在評估紅外線系統的靈敏度（如 MRTD 測試）時，系統會將精密控制溫度的差分黑體輻射源作為「目標溫度」，而將目標輪本身的標靶金屬基板作為「背景溫度」，理想狀態下，標靶板必須與環境溫度保持絕對的熱平衡，且不能受到後方黑體輻射源的熱輻射影響而產生局部溫度梯度。

然而，實務上的巨大難題在於，當黑體輻射源設定在極端溫度（例如高於或低於環境溫度數十度）時，熱能會透過輻射與對流不可避免地傳遞給前方的標靶板與轉輪機構，此外，目標輪內部配備了驅動馬達與位置編碼器，馬達運轉時亦會產生廢熱，如果標靶輪的材質熱傳導率不均勻，或是缺乏強化的熱遮蔽與高熱質量（Thermal Mass）穩定設計，標靶板表面將出現難以察覺的溫度不均勻現象。

這意味著感測器所「看」到的背景溫度並非單一常數，從而導致背景與前景之間的真實溫差偏離了設備設定的精確差分溫度，在進行精確到小於百分之二攝氏度的嚴苛靈敏度測試時，這種由標靶輪機構引起的熱梯度干擾，會導致測試設備自身的雜訊等效溫差超過待測物，讓工程師陷入無法釐清雜訊來源的困境。

難題三：高通量自動化測試中的動態範圍與物理空間限制

現代先進載荷與車用光電系統往往同時配備可見光攝影機、短波紅外線（SWIR）、中/長波紅外線（MWIR/LWIR）以及雷射測距儀，工程師必須在極短的時間內，完成包含多光譜視軸共軸校準（Boresight Testing）、空間雜訊分析與串擾評估等多維度的複雜測試，這要求標靶定位系統必須能夠容納數量龐大且種類繁多的標靶。

工程師面臨的第三大難題是物理空間與動態測試範圍的衝突，為了涵蓋廣角大視場（WFOV）系統的測試需求，必須使用物理尺寸極大的標靶；然而，為了容納大孔徑標靶（例如高達五英吋直徑），轉輪的體積與重量將急遽增加，這不僅嚴苛考驗承載馬達的扭力與制動精度，更會佔用光學平台上寶貴的空間。

另一方面，進行多光譜共軸對位測試時，通常會使用極小孔徑的針孔標靶，傳統紅外線黑體無法提供足夠的可見光能量，若缺乏無縫整合的可見光照明模組，工程師必須中斷測試，手動拆卸紅外線黑體並換上可見光積分球，這種物理上的拆裝過程會徹底破壞原有的光學基準，導致共軸測試失效；缺乏智慧化整合與通訊介面（如 IEEE-488 或乙太網路）的標靶輪，將需要工程師撰寫龐大且容易出錯的底層程式碼，最終成為整條自動化測試產線中最脆弱的瓶頸。

目標輪配置策略——孔徑、孔位與輻射源的完美幾何搭配

為了徹底解決上述痛點，建構無懈可擊的測試平台，在選購與配置標靶定位系統時，必須依據嚴謹的幾何光學與熱輻射涵蓋率來進行系統級的搭配，高階測試架構的配置核心邏輯，主要圍繞著三個關鍵變數的權衡：目標孔徑大小（Target Size）、目標輪孔位數量（Number of Positions），以及黑體輻射源的發射面積（Emitting Surface Size）。

目標孔徑大小的光學幾何選擇邏輯

目標孔徑決定了標靶的實體物理尺寸，選擇多大的標靶，取決於待測物的視場角（FOV）以及所搭配的準直儀焦距，我們可以用純粹的幾何敘述來理解這個光學觀念：在準直儀的焦平面上，標靶的實體尺寸除以準直儀的有效焦距，即等於該標靶在無窮遠處所投射出的極限角度（即最大目標張角）。

如果待測物是一個廣角（Wide FOV）的紅外線警示系統或車用全景熱像儀，它需要觀測面積廣大的標靶，這時就必須選擇高達 3 英吋甚至 5 英吋的超大孔徑目標輪；反之，如果是針對具備超長焦距、極窄視場角的星象追蹤儀或反裝甲導彈尋標器，1.44 英吋或 2 英吋的孔徑通常已足以完全涵蓋其全部視場。

孔位數量與機構物理極限的權衡

孔位數量直接決定了自動化測試腳本的流暢度，在複雜的驗證流程中，可能需要連續執行多種空間頻率的四條棒標靶測試（MRTD）、狹縫標靶測試（MTF）、針孔標靶測試（對位）以及全開孔測試。

• 十二孔位配置（業界標準黃金比例）：
  這是在自動化測試效率與實體機箱體積之間取得的最佳平衡，十二個孔位足以裝載一套完整的標準測試標靶集，且其物理極限可支援至 2 英吋或 3 英吋的標靶孔徑，這種配置能大幅減少人為介入更換標靶的次數，是多功能研發實驗室的首選。
• 六孔位配置（巨型標靶專用）：
  當測試應用需要極端廣角的投射，必須使用高達 5 英吋的大尺寸標靶時，受限於輪盤總直徑的物理極限與馬達承載能力，目標輪通常只能容納六個孔位，這類配置專為大型紅外線搜索追蹤系統（IRST）的驗證而生。
• 十六孔位配置（高密度自動化產線專用）：
  針對需要極高產量的產線，十六孔位提供最大的標靶多樣性，工程師可以將多組不同應用的標靶一次性載入，結合自動化軟體實現「一鍵測到底」的終極效率。

與黑體輻射源的搭配法則：絕對覆蓋率與全視場均勻性

這是在系統整合中最常被忽略，卻對測試準確度最具決定性的物理原則：黑體輻射源的發射面尺寸，必須絕對大於目標輪的標靶孔徑。

這個原則背後的概念是為了確保「全視場輻射均勻性」，黑體表面的輻射能量分布，在靠近邊緣處往往會因為邊界效應出現微小的熱梯度衰減，如果我們使用一個 4 英吋發射面的黑體來背光照明一個高達 5 英吋的標靶孔徑，標靶邊緣將無法獲得輻射能量，導致嚴重的輻射暈影與光學失真。

基於物理尺寸的適配性，嚴謹的系統搭配策略如下：

• 針對 1.44 英吋至 2 英吋孔徑 的目標輪，應完美搭配具備 4 英吋發射面積（4" x 4"） 的差分溫度黑體，這能確保標靶背後的輻射源完全處於黑體最核心、最均勻的「甜密點」。
• 針對 3 英吋孔徑 的目標輪，建議至少搭配 6 英吋發射面積（6" x 6"） 的黑體輻射源，以確保大尺寸四條棒標靶的邊緣溫差與中心溫差絕對一致。
• 針對 5 英吋巨型孔徑 的目標輪，必須強迫搭配高達 8 英吋（8" x 8"）甚至 12 英吋 的巨型黑體，以提供足夠的熱輻射覆蓋面積，徹底消除邊緣熱衰減效應。

從模擬到驗證的一站式解決方案

以系統級思維突破測試極限

面對上述嚴苛的測試標準與物理難題，單一儀器往往難以竟全功，要解決次微米級的定位誤差、複雜的熱梯度干擾，以及跨光譜自動化測試的空間瓶頸，現代研發實驗室需要的絕不是零散硬體的拼湊（Box Moving），而是經過精密計算與光機電深度融合的系統級架構。

奧創系統深知高階光電測試的痛點，我們引以為傲的優勢在於提供 SBIR 「從光學模擬、精確激發、目標定位到自動化驗證的一站式方案 (Turnkey Solution)」，針對標靶定位系統的嚴苛需求，我們推薦導入 SBIR 所提供的高階自動化目標輪與測試靶標系列產品（Automated Target Wheels & Targets）。

SBIR 300 系列電動目標輪提供優於 0.001" 的定位重複性、高熱穩定性與零背隙設計；專為搭配黑體與積分球光源，支援 MRT、MDT、MTF、NEDT 自動化測試。是國防、工業與研究應用的理想選擇，並可選配對準照明器。

奧創系統推薦配置與技術優勢

在目標輪的機械與熱力學設計上，我們推薦的 SBIR 解決方案採用了頂尖的零背隙定位機構，有別於需要持續供電以維持位置的直接驅動馬達（這會產生大量干擾廢熱），該系統具備卓越的機械制動設計，能提供小於千分之一英吋的極致「點對點定位重複性」，這項特性徹底解決了高頻 MTF 測試中的光軸偏移痛點，能有效協助客戶符合規範中最嚴格的空間解析度驗證要求。

針對嚴苛的熱動態穩定度，我們推薦的目標輪具備強化的熱屏蔽、擋板設計與高熱質量（High Thermal Mass）基板，無論搭配何種極端溫度的差分黑體校正源，皆能確保標靶與背景呈現完美的等溫分佈，系統更內建高解析度溫度感測器，解析度可達 0.01°C 或 0.001°C，確保環境熱梯度的絕對透明化。

SBIR Infinity 差分黑體，具備 iProbe 獨立校準與 VANTABLACK 超高發射率選項，專為研發人員提供 mK 級穩定度與高均勻性，適用於精密的 NUC、MRT、MTF 紅外線感測器特性量測
為了滿足多光譜共軸對位（Boresight）的挑戰，SBIR 的一站式方案能將目標輪與可調光度照明器（Illuminator）進行無縫硬體整合，當進行紅外線與可見光共軸測試時，照明器能以精確的機械結構切入光路，從側邊將可見光能量注入針孔標靶中，這使得同一個針孔同時具備紅外線溫差與可見光亮度，工程師無須移動任何硬體，即可一次性完成跨波段的精準共軸誤差量測，極大地提升測試效率。


SBIR 全方位雷射測試解決方案，涵蓋 LRTM 測距模擬、BAM 同軸校準、TEM 脈衝分析、PLD 目標投影及 MSS 多光譜源，為您的光電系統提供精確性能特性化。
在測試架構的多樣性上，SBIR 提供從 6 孔位至 16 孔位、1.44 英吋至高達 5 英吋孔徑的全矩陣選擇，同時能完美匹配對應尺寸的 黑體校正源（涵蓋 4 英吋至 12 英吋發射面）、光源積分球 與 紅外線準直器。


SBIR Infinity VSX 系列積分球系統提供超均勻、高精度的寬頻光源，適用於感測器、相機、光度計等設備的精確校準與測試。具備寬廣動態範圍、多種控制介面及軟體支援，實現自動化測試流程。

更重要的是，這套硬體系統能與 SBIR 的 IRWindows 5 自動化測試軟體 進行深度整合，透過乙太網路或 IEEE-488 介面，研發人員只需透過直覺的圖形化介面，即可一鍵執行連續 MTF 量測、自動化 MRTD 判讀與 3D 雜訊分析，這套軟硬體無縫結合的大腦，將龐大的數據自動寫入資料庫並產出標準報告，徹底排除了人為操作的變數。

此圖展示了 SBIR VS 系列在準直模式下進行待測物 (UUT) 光學特性分析的設置範例，IRWindows PC 透過訊號線連接至 UUT，而 UUT 的光路徑則對準 Infinity VS 系列光源系統；此光源系統包含可見光發射器及 目標輪，發出的光線會經過 準直儀 的處理，形成均勻的平行光束投射至 UUT；位於 IRWindows PC 下方的 Infinity 控制器負責整體光源系統的運作，此配置目的在於精確地量測和分析 UUT 在平行光照射下的各項光學特性。
 

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