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測試板

測試板

成像資源指南第13.1部份

測試板設計用於幫助評估或校準成像系統的效能(成像品質)。這可能包括排除系統故障;基準測試、認證或評估測量值;或者奠定基礎以確保多個系統之間進行良好配合。由於圖像品質可以由不同組分界定(具體來說,包括分辨率、對比度、調製轉換函數(MTF)、景深(DOF)或畸變),因此不同系統可能需要不同測試板,而且某些系統可能需要多種測試板。

I    務必記住的是,僅靠目視時,使用測試測試板的結果具有主觀性;使用視覺檢查取決於查看測試板的人員。例如,與視力為20/25或20/30的人員相比,視力為20/20的人員通常能識別出更高的分辨率或更多細節。此外,經常查看這些測試板的個人,他們的大腦經過訓練而可以看到實際上可能不存在的細節,原因是查看測試板重複出現的頻率或模式。儘管視覺檢查有助於對比兩個不同的系統,但並不總能驗證結果。若可能,務必使用軟體來真正驗證測量值。

分辨率量測測試板
測試板 應用 優點 缺點
USAF 1951 測試視覺系統、光學測試設備、顯微鏡、高放大倍率視訊鏡頭、螢光和共焦顯微鏡、光微影技術和奈米技術中的分辨率 同時測試離散空間頻率下的垂直和水準分辨率 必須重新定位測試板才能全面評估系統效能
可能難以確定整個視場何時處於最佳焦點
朗奇刻線法 測試分辨率與對比度 可以同時確定系統在整個視場內的最佳焦點 需要評估的每種頻率都需要不同的測試板
繞射測試 無法分析非對稱性分辨率降低
星標 對比高分辨或放大的成像系統 在測試分辨率和對比度方面的功能可能最強大 難以確定測試系統在每支鏡頭達到的準確分辨率
系統對位 無需重新定位目標板,就可以評估分辨率在多個方向的不斷變化
組裝協助 便於對比不同成像系統 需要進階影像分析軟體
表1: 分辨率測試板的應用、優點和缺點。

USAF 1951測試板

USAF 1951測試板是最常用的測試板之一,由不同尺寸的稱為單元的水平和垂直線組構成(圖1)。系統使用這些水平和垂直單元來同時測試物件平面中、於離散空間頻率下的垂直和水平分辨率(每公釐的線對數或lp/mm)。每個單元都有一組獨特的寬度和間隔,採用1到6的數字來標識。六個按續編號的單元一起被視為一組,每組都有一個可以為正數、負數或0的識別編號。通常,此編號介於-2到7的範圍內。然後,組編號和單元編號將共同用於定義空間頻率。分辨率基於線寬和空白,其中,線長為線寬的五倍(圖2)。一個線對(lp)相當於一條黑線和一條白線。垂直線用於計算水平分辨率,而水平線則用於計算垂直分辨率。

Example of a USAF 1951 Target.
圖1: USAF 1951測試板範例。
USAF 1951 Target Specifications.
圖2: USAF 1951測試板的範例。

定義上,成像系統的分辨率是指正好位於黑白線界限開始變模糊前處的組和單元組合。另外,分辨率(用lp/mm表示)可使用公式1來計算。

(1)$$ \text{Resolution} = 2^{\left( \text{Group Number} + \frac{\text{Element Number} - 1}{6} \right)}$$

USAF 1951測試板經設計,使得單元空間頻率朝測試板中心方向呈螺旋式增長;較高分辨率的單元置於測試板中間。這種配置在測試變焦鏡頭時有益,因為當鏡頭放大倍率造成視場縮小時讓較高分辨率的單元依然保持在視場中,從而無需重新調整測試板。

USAF 1951測試板的限制

USAF 1951測試板將較高分辨率的單元置於中心,的確具有一些缺點。例如,鏡頭會在視場中心和邊角處產生不同級別的分辨率。大多數情況下,遠離視場中心會造成分辨率降低,因此在不同位置檢查分辨率和對比度變得很重要。這需要將測試板重新定位在視場周圍,並拍攝更多圖像以全面評估系統效能,因此會增加測試時間。根據系統是僅聚焦在視場中心還是聚焦在整個視場內,這也會帶來一些問題; 由於分辨率因位置而異,因此難以確定整個視場何時處於最佳焦點。一些鏡頭在視場中心可取得很高的分辨率,但當鏡頭和相機系統在圖像中心聚焦時,視場邊角處的分辨率卻很低。鏡頭均焦調焦以平衡整個視場內的分辨率,但通常會降低中心分辨率。不過,降低中心分辨率並不一定是壞事,因為鏡頭即使在達到平衡焦點時,仍能很好地滿足應用要求(圖3)。

USAF 1951 Example: The center and corner of an image that has
been repositioned so that the best focus is only in the middle of the target.
圖3a: USAF 1951範例:已重新定位的圖像的中心和邊角處,使得最佳焦點僅位於測試板中間。
The center and corner of an image that features balanced focus
across the entire field.
圖3b: 在整個視場內具有平衡焦點的圖像中心和邊角處。

要評價鏡頭的分辨率性能需要測試整體的圖像(不同視場)才能做最後的判定。在測試板放置於視場中心時具有最佳效能的鏡頭,不見得是最佳的鏡頭總體效能。但是,必須針對單一調焦位置調整後分析不同視場性能。儘管透過鏡頭中心區域容易找出的最佳效能,然後再重新聚焦以檢查周邊視角的最佳效能,但這不會顯示系統最後的效能,因為通常實際操作過程中無法重新聚焦。

    藉由測試版上周期性子單元圖像放在視場內的不同位置,對整個視場進行分析(圖4)。

USAF 1951 Pattern Wheel Target.
圖4a: USAF 1951圖案輪式測試板。
USAF 1951 Variable Contrast and Field Target.
圖4b: USAF 1951可變對比度和視場測試板。

朗奇刻線法

某些與USAF 1951測試板關聯的問題,可以透過使用其它被稱為朗奇刻線法的測試板來解決。此測試板由一個空間頻率下的重複線構成,它們朝一個方向延伸,覆蓋了測試板的整個表面(圖5)。由於整個測試板中有細節,因此可以同時確定系統在整個視場中的最佳焦點。對於僅需分析一種頻率的應用,這可能是一款簡單易用的工具。

Ronchi Ruling.
圖5: 朗奇刻線法。

朗奇刻線法的限制

使用朗奇刻線法存在兩個缺點。首先,由於給定測試板僅提供一種頻率,因此要求為需要評估的每種頻率提供一個不同的目標板。其次,由於線條僅朝一個方向傳播,因此無法對由於像散等像差造成的視場內非對稱性分辨率降低進行分析。要解決這個問題,需要將測試板旋轉90°,並且另外使用一張圖像來分析分辨率。此外,雖然在像散情況下也能平衡鏡頭焦點以獲得最佳焦點,但在將測試板來回翻轉時,可能難以找到這一平衡點。

星標測試板

多單元星標測試版可能在測試系統分辨率和對比度方面功能最強大,它結合了USAF和朗奇刻線法的諸多優勢。星標的每個單元由一個圓構成,圓是由凹凸交替的餅形楔形、依已知角度向中心漸縮而形成(圖6)。個別單元的錐形楔形顯示了分辨率的持續變化,我們可以在垂直和水準方向以及許多其他方向對其進行評估,而無需重新定位測試板。

視場內擁有許多星標透過能夠確定整個視場內的最佳焦點,同時於各種分辨率下分析水平和垂直資訊,從而輕鬆地比較不同成像解決方案。圖7顯示了完整的星標;其他範例圖像中比較了兩個不同鏡頭位於測試板中心、中間下方和邊角處的突出顯示區域。這些範例中使用了Sony ICX625單色傳感器(3.45µm像素,總分辨率為500萬像素)和白光背光照明燈。

Star Target.
圖6: 星標單元。
A star target is imaged with two lenses (A and B) with the same focal length, f#, field of
view, and sensor. The superiority of lens A becomes apparent along the edge and in the corner of
the image.
圖7: 由兩個具有相同焦距、f#、視場和傳感器的鏡頭(A和B)成像的星標。鏡頭A在圖像邊緣和邊角處的優越性變得很明顯。

星標測試板的限制

與其他測試板一樣,星標測試版也存在缺陷。由於楔形會提供連續變化的分辨率,因此更加難以確定測試系統在每個單元上達到的精確分辨率。儘管可以透過數學方式實現這一點,但在視覺上卻很難做到。另外,星標外型圓形的子單元有機會產生非對稱性模糊影像,難以使用簡單軟體工具(如線分析器)來從圖像中擷取資訊。要充分利用星標,需要使用更進階的圖像分析軟體。

景深(DOF)測試板

在細節遠離鏡頭所聚焦到的平面時,景深測試板能夠顯示和量化保持聚焦的良好程度。景深測試板相當簡單:已知頻率(分辨率)的線依已知角度傾斜,並用來確定保持聚焦的良好程度。當線條開始連在一起並且遠離鏡頭變得模糊,直到它們無法再相互區分開來。可以在不同距離下測量對比度,以確定何時失去所需的分辨率級別;這可以確定鏡頭在特定設定下的景深限制。圖8和圖9展示了如何使用景深測試板。

A depth of field target
should be at 45° from the lens.
圖8: 景深測試板應與鏡頭呈45°夾角。
Sample configurations using a depth of field target.
圖9: 使用景深測試板的示範方法。

例如:使用景深測試板

50mm DG系列鏡頭

圖10 顯示了從景深測試板(設定在與成像路徑呈45°角的位置)俯視的垂直安裝相機。由於鏡頭垂直聚焦於目標板中間,因此目標板上方和下方的圖像會失焦。圖像顯示了三種不同的f/#設定,以及光圈調整會如何改變獲取景深的能力。注意:朗奇刻線法也可以用於進行這類測試,因為它們具有固定的頻率,而且可以傾斜來創造此效果。傾斜度越大,可測量的景深範圍越大。

Images of a depth of field target taken with a 50mm
lens at f/4, f/8, and f/11.
圖10: 使用50mm鏡頭於f/4、f/8和f/11下拍攝的景深測試板的圖像

轉到 www.edmundoptics.com.tw/imaging-lab 檢視關於景深EO成像實驗室模組1.8

畸變測試板

畸變測試板用於校正系統,以便正確測量成像資訊的光學錯位。這些測試板通常由點、網格或方形圖案組成,它們與大多數成像軟體的校準慣例相容,並可在整個視場中重新對應或調整測量值(圖11)。圖12顯示了可以調整的畸變類型。

圖案成像後,其已知大小和間隔映射進行調整(圖13)。

A dot grid distortion
target.
圖11: 網格畸變測試板。
Types of Distortion.
圖12: 畸變的類型。
Positional difference
can be measured and corrected
with software.
圖13: 可以使用軟體測量和校正的位置差異。
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