1  NVIS 測試挑戰
NVIS組件包括飛行員和從事夜間操作的人員實際佩戴的護目鏡，以及夜視鏡附近使用的照明組件和組件。
現代NVIS護目鏡的工作原理是收集并放大紅色和近紅外（通常在615 nm至900 nm波長窗口内）中的低水平光，在該窗口中會發生大量月光和星光的光譜輸出。 這使得護目鏡佩戴者能夠在人眼感到黑暗的環境條件下很好地看到。
在實際操作中，NVIS通常用于包含大量顯示器和其他點亮指示器的軍用車輛，這些指示器本身會産生大量的紅外光。 在1980年代初，當将這些高靈敏度護目鏡引入飛機駕駛艙時，發現用于照明駕駛艙顯示屏和開關面闆的小型鎢絲燈的近紅外能量會影響護目鏡的性能。 這提示需要定義允許的IR輻射以确保NVIS兼容性。
在照明不兼容的環境中使用NVIS時，它會自動降低增益以降低系統靈敏度并避免過載，從而補償似乎是高水平的環境紅外光。 不幸的是，這使NVIS無法檢測到飛機外部的弱光信号，從而造成了一個黑暗的場景，使飛行員幾乎蒙蔽了雙眼。
爲了确保NVIS與其他夜間可使用的光源之間的兼容性，制定了軍事标準（MIL-L-85762），其中規定了各種光源可以産生的紅外輻射的允許量，以确保 NVIS兼容性。
随後完成了對MIL-L-85762的修訂，其中定義了除原始AN / PVS-5飛行員夜視成像系統（ANVIS）之外的其他類型夜視設備的照明兼容性要求。 MIL-L-85762A定義了一個新的相對響應函數稱爲“ Class B NVIS”，并将舊的ANVIS相對響應函數重新定義爲“ Class A NVIS”。NVIS輻射度的計算方法保持不變。 僅需要定義NVIS設備的類别（在MIL-L-85762A中，A類= NRA，B類= NRB）。
由于整個1980年代和1990年代夜視技術的重大進步，以及新的顯示和指示器技術的激增，與NVIS兼容性的問題變得更加突出。 結果，2001年采用了新的NVIS兼容性規範（MIL-STD-3009）。但是，MIL-STD-3009繼承了MIL-L-85762A中定義的分光輻射計的相同性能要求。 如今，一些光譜輻射儀生産商提供的儀器可以滿足此标準中指定的靈敏度和色度要求。 但是，所有NVIS分光光度計都不相同。
自發布以來，将MIL-STD-3009應用于各種照明組件已獲得了許多經驗。 超過15年後，某些人認爲MIL-STD-3009已經過時了。 附錄A是需要更新的部分，其中列舉了可見光和近紅外光譜的各個區域中NVIS分光光度計的最低靈敏度。 具體而言，MIL-STD-3009第A.3.2段規定:
分光光度計作爲一個完整的系統組裝時，應具有足夠的靈敏度，以允許在10 nm的半功率帶寬下測量等于或小于下表中所列水平的輻射水平，并能測量均方根噪聲信号 比例爲10：1。

規定的10：1信噪比旨在确保系統噪聲對測量結果的影響可忽略不計。 但是，認識到這些靈敏度很難實現，并且指定的信噪比可能不足以進行準确的測量，因此實際上編寫了MIL-STD-3009來允許更改某些測試條件，以便進一步提高信噪比。
例如，在附錄B中，描述了咨詢信号燈的樣品測量和計算。 在B.3段（NVIS輻射度計算）中，提供了以下指導:
如本标準表III所示，咨詢信号所需的NVIS輻射亮度Lr爲0.343 cd /m²（0.1英尺朗（fL））。 如果可以證明照明設備的亮度和輻射度是成比例的，則可以在額定驅動條件下或在足以産生51.5 cd /m²（15 fL）的驅動力下進行照明測量，以較小者爲準（ 如本标準第5.7.12節所述）。 這将增加光譜輻射度的信噪比，但對于輻射度與亮度不成比例變化的LCD之類的設備，必須小心限制。（我們的重點）
顯然，該規範的作者認識到，較高的信噪比将産生更好的測量結果。 他們認爲通過允許将被測設備（DUT）驅動到更高的輸出電平來改善信噪比是合理的，隻要可以證明該設備的亮度和輻射度可以成比例。 但是，他們還認識到某些照明組件（尤其是LCD顯示器）的行爲方式無法以人爲的高亮度進行測量。 因此，對于這些照明組件，必須将DUT的亮度設置爲指定的水平（0.5 fL）。 并且，在這些情況下，測量系統在以相對較低的NIR能量工作時必須提供所需的信噪比。 因此，對于LCD顯示器測量，光譜儀必須比其他照明類别更加靈敏。
因此，當測量産生NVIS輻射水平接近指定限值的LCD顯示器時，滿足當前指定的阈值靈敏度的分光輻射計就成爲問題。具體地說，信噪比爲10：1意味着測量結果可能比顯示器實際産生的輻射度高出10％。對于想要優化其産品設計并避免不必要的産品過度設計的LCD顯示産品制造商，較高的信噪比光譜儀将是有利的。較高的信噪比可以更精确地測量NVIS輻射，這反過來又使設計人員可以減少設計餘量，并更接近規定的極限進行工作。例如，在生産過程中肯定會有性能變化，但是即使在變化範圍内，産生較高輻射水平的那些單元仍可以滿足規格。面臨的挑戰是如何獲得準确，可靠的NVIS輻射度測量值，以避免由測試系統（而不是特定單元的運行特性）引起的那些單元的錯誤故障。

2  滿足一個更高的标準
NVIS計量設備的大多數供應商都滿足于設計其儀器以滿足MIL-SPEC的最低要求。 畢竟，這就是規範。 但是，擁有50多年高精度光譜輻射測量經驗的Gamma Scientific早就意識到了MIL-SPEC的缺點，以及對尋求實現NVIS兼容性的制造商的負面成本影響。
爲滿足測量NVIS兼容性的更精确方法的需求，Gamma Scientific開發了GS-1290-NVIS系列NVIS分光輻射儀。 盡管MIL-SPEC和競争系統的目标是10：1的信噪比（SNR）測量比率，但Gamma Scientific的這些新儀器的設計和制造目的是提供100：1或更高的SNR。 計量系統性能水平的提高使制造商能夠确保其産品完全符合MIL-SPEC，而不會因不必要地使優質産品失效而帶來不利影響。
Gamma Scientific GS-1290-NVIS系列産品使用RadOMAcam，這是一種帶有透鏡系統的望遠鏡，該透鏡系統收集來自DUT的光并将其聚焦到光纜中。 一系列可選的孔徑使采樣視場的範圍從3.2 mm減小到最小72 um。 較小的視野使儀器能夠測量DUT上的極小光斑。 例如，這可用于測量顯示器上的單個字符，甚至單個字符的筆畫。.
RadOMAcam還包含一個内部LED，該LED将一個點投射到DUT上以指示精确的測量區域，并且可以在監視器上查看該點的精确位置，以方便測試過程中的精确對準。 盡管某些競争産品具有類似的功能，但這些産品會遮擋顯示器上的實際光斑位置，從而使對準更加困難。 最後，光纜将收集到的光饋入光譜輻射儀，該光譜儀使用光栅和溫度控制的CCD陣列檢測器以高精度測量光的光譜成分。
Gamma Scientific産品體現了許多重要的技術進步，使這些GS-1290-NVIS儀器能夠提供早先引用的更高水平的性能，但在成本和測量速度方面仍保持競争力。 這些措施包括在儀器本底噪聲，雜散光去除，光譜精度和動态範圍等方面對競争産品的改進。 值得探讨如何解決每個問題。

3  制造更好的設備
至關重要的是，NVIS測量系統要比設備要測量的靈敏度更高，才能報告準确的輻射水平。 實現此目标的必要步驟之一是降低儀器的本底噪聲。
CCD光譜儀中的主要噪聲源是探測器陣列本身。 它的噪聲水平取決于環境溫度和應用于傳感器的冷卻量。 GS-1290-NVIS光譜輻射儀采用雙級熱電冷卻系統，該系統将CCD穩定在比基于單級冷卻設計的同類系統更低的環境溫度下。 具體而言，在Gamma Scientific産品中，CCD冷卻并穩定到-15°C，而競争産品通常僅冷卻到-5°或-10°。 由于CCD噪聲與工作溫度之間存在非線性關系，因此，這種明顯較小的溫度差會導緻本底噪聲的數量級差增加。
 “噪聲”的另一個重要來源是雜散光。 在分光輻射計的光學系統中，實際上有幾個潛在的雜散光源。 當然，我們的光學設計和制造方法均經過優化以消除或最小化雜散光，但是僅憑這些措施不足以将其降低到準确NVIS測量所需的水平。
雜散光會影響光譜儀的光譜純度，即精确和準确地測量波長的能力。 光譜純度是必需的，因爲MIL标準中定義的加權函數必定與波長有關，并且這些加權值從可見光區域到近紅外區域迅速變化。 分光輻射計中的雜散光可能會以錯誤的波長（通常不是輸入光譜的波長）顯示爲報告的能量。 在NVIS測量應用中，如果在可見光水平相對較高的情況下測量的紅外輻射水平極低，則将測量值分配給錯誤的波長可能會對結果準确性産生重大影響。 映射到NIR範圍的像素捕獲的可見光譜中的雜散光可以以類似于熱噪聲分量的方式降低測量的NVIS輻射。
爲了将雜散光抑制提高到一個新水平，我們提供了由美國國家标準技術研究院（NIST）開發的可選雜散光表征和校正方法。 這項技術先前是由Gamma Scientific在較早的光譜輻射儀産品中實施的，但是GS-1290-NVIS系列産品進行了進一步的專有改進，以将雜散光抑制級别降低到<10–4（在633 nm下）。
Gamma Scientific具有顯着先進的CCD光譜儀性能的另一個主要領域是動态範圍擴展。 這在NVIS測量中很重要，因爲被測照明組件中的可見光區域和NIR區域之間通常存在很大的輻射範圍。
通常，基于CCD的光譜輻射儀使用一次測量來分析光譜功率分布。 設置測量積分時間，以使峰值波長剛好低于檢測器的飽和點。 但是，這種方法意味着低電平信号可能靠近測量本底噪聲。 爲了解決這個問題，Gamma Scientific開發了一種新的軟件算法來擴展系統的有效動态範圍，從而極大地改善了測量噪聲特性，尤其是當存在高水平可見光時，對于IR區域的測量。

圖1. LED背光AMLCD顯示屏的測量結果顯示在原始檢測器信号的黑線圖中，AD計數爲4,000,000至1可用動态範圍。 這是使用增強的數據采集技術來完成的。 紅色曲線是多次原始A到D掃描的信噪比（SNR），以百分比表示。

所有這些努力的結果是，Gamma Scientific GS-1290-NVIS的動态範圍達到了七個數量級以上，本底噪聲低于10-16 W /cm²/ sr / nm。 相反，最佳競争産品的動态範圍限制爲六個數量級，本底噪聲爲10-14 W /cm²/ sr / nm（差兩個數量級）。 較高的本底噪聲使這些競争産品無法可靠地區分優質DUT和不良DUT。

圖2.使用圖1中的原始A到D信号進行噪聲确定，确定了100：1信号對噪聲靈敏度水平的阈值靈敏度，并以紅色繪制。 在此100：1 SN比靈敏度水平下，在380至930 nm大部分光譜範圍内，該性能的靈敏度比MIL-STD-3009所需阈值高1000倍。 這意味着與其他NVIS分光輻射儀系統相比，測量速度更快，光斑尺寸更小。

圖3.将原始A到D計數和阈值靈敏度函數相乘，然後應用光譜純度改善函數，可提供以Watt /cm²/ sr / nm爲單位的絕對光譜輻射率。 可以通過NVIS加權功能對其進行縮放，以驗證通過/失敗标準。

4結論

許多用于NVIS兼容性測試的光譜輻射儀供應商聲稱他們的産品符合當前的MIL-SPEC。 但是對于某些類型的照明組件（例如LCD），準确測量NVIS輻射水平是一個挑戰.對于那些照明組件的制造商而言，對光譜輻射儀系統的投資超過了MIL-STD-3009中的最低性能要求，實際上可以節省金錢，方法是使他們能夠更準确地測量真實NVIS輻射水平并證明其産品的合規性，而無需進行昂貴的返工或設計變化。
Gamma Scientific通過其GS-1290系列NVIS分光輻射計解決了這些問題。 這些儀器遠遠超過了MIL-SPEC的要求，同時仍保持了與其他系統相比的成本競争力。 結果使制造商能夠确保NVIS兼容性，而不會不必要地增加其自身的開發和生産成本。

圖4.此處顯示了電子和電光顯示器駕駛艙組件類别的最終NVIS A級分析結果。