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测试与测试目标板

测试与测试目标板

以下是成像资源指南第 13.1部分

测试板设计用于帮助评估或校准成像系统的性能(成像质量)。这可能包括排除系统故障;基准测试、认证或评估测量;或者奠定基础以确保多个系统相互兼容。由于成像质量可以由不同组分界定(具体来说,包括分辨率、对比度、调制传递函数(MTF)、景深(DOF)或失真),因此不同系统可能需要不同测试板,而且某些系统可能需要不止一个测试板。

    务必记住一点,仅靠视力查看时,使用测试测试板的结果具有主观性;使用视觉观察取决于查看测试板的人员。例如,与视力为20/25或20/30的人员相比,视力为20/20的人员通常能识别出更高的分辨率或更多细节。此外,经常查看这些测试板的个人的大脑经过训练,由于查看测试板的重复频率或图案,会看到实际上可能不存在的细节。尽管视觉观察有助于对比两个不同的系统,但并不能总是证实结果。如有可能,务必使用软件切证实证测量结果。

分辨率测量测试板
测试板 应用 优点 缺点
USAF 1951 测试视觉系统、光学测试设备、显微镜、高放大倍率视频镜头、荧光和共焦显微镜、照相平印术和纳米技术中的分辨率。 同时测试离散空间频率下的垂直和水平分辨率 必需重新定位测试板才能全面评估系统性能
可能难以确定整个视场何时处于最佳焦点
朗奇刻线法 测试分辨率与对比度 可以同时确定系统在整个视场内的最佳焦点 需要评估的每种频率都需要不同的测试板
衍射测试 无法分析非对称性分辨率降低
星标 对比高度解析或放大的成像系统 可能在测试分辨率和对比度方面的功能最强大 难以确定测试系统在每个元素上达到的准确分辨率
系统对准 可以评估分辨率在多个方向的不断变化,无需重新定位测试板
组件辅助 便于对比不同成像系统 需要高级成像分析软件
表1: 分辨率测试板的应用、优点和缺点。

USAF 1951测试板

USAF 1951测试板是最常用的测试测试板之一,由一组尺寸各异的水平和垂直线条(称为元素)组成(图1)。系统使用这些水平和垂直元素同时测试在离散空间频率下,物体平面中的垂直和水平分辨率(每毫米的线对数,lp/mm)。每个元素都有一组独特的宽度和间隔,以从1到6的数字标识。六个连续编号的元素一起被视为一个组别,每个组别都有一个可以为正数、负数或0的识别号。通常,该编号在从-2到7的范围内。然后,组别编号和元素编号将共同用于确定空间频率。分辨率基于线宽和空间,其中,线长等于线宽的五倍(图2)。一个线对(lp)相当于一条黑线和一条白线。垂直线用于计算水平分辨率,而水平线则用于计算垂直分辨率。

Example of a USAF 1951 Target.
图1: USAF 1951测试板示例。
USAF 1951 Target Specifications.
图2: USAF 1951测试板规格。

定量地说,成像系统的分辨率的定义为在黑白线开始混在一起之前直接定位的组别和元素组合。定量地说,分辨率(以lp/mm为单位)可使用方程式1计算。

(1)$$ \text{分辨率} = 2^{\left( \text{组别编号} + \frac{\text{元素编号} - 1}{6} \right)}$$

USAF 1951测试板经过设计,使元素频率朝测试板中心旋转增加;较高分辨率的元素置于测试板中间。这一安排在测试变焦镜头时很有好处,因为它能在镜头放大倍率导致视场减小时,让分辨率较高的元素保持在视场中,而无需重新定位测试板。

USAF 1951 测试板的限制

USAF 1951 测试板将分辨率较高的元素置于中间,这也会导致一些缺陷。例如,镜头会在视场中间和边角处产生不同级别的分辨率。在大多数情况下,远离视场中间会导致分辨率降低,这使用户必需检查大多数位置的分辨率和对比度。这需要将测试板重新定位在视场周围,并拍摄更多图像以全面评估系统性能,因此会增加测试时间。根据系统是仅聚焦在视场中心还是聚焦在整个视场内,这还会导致一些问题;由于分辨率因位置而异,因此可能难以确定整个视场何时处于最佳焦点。一些镜头在视场中间具有很高的分辨率,但当镜头和相机系统聚焦在图像中间时,视场边角处的分辨率却很低。镜头轻微散焦可以平衡整个视场的分辨率,但通常会降低中间分辨率。不过,降低中间分辨率并不一定是坏事,因为镜头即使在达到平衡焦点时,仍能很好地满足应用要求(图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.
图3a: USAF 1951示例:已重新定位的图像的中间和边角处,最佳焦点仅位于测试板中间。
The center and corner of an image that features balanced focus
across the entire field.
图3b: 在整个视场内具有平衡焦点的图像的中间和边角处。

分辨率在整个视场内的潜在变化会加强在对系统性能得出结论之前,分析所有视场位置的需求。在测试板位于中间时具有最佳性能的镜头可能不能获得最佳总体性能。但是,必需在单一焦点设置中执行所有分析。尽管通过镜头中间确定系统的最佳性能,然后重新聚焦以查看边角处的最佳性能似乎非常直观,但这不会显示系统在部署后的性能,因为通常无法在操作过程中重新聚焦。

    此测试板的某些变型允许通过在测试板上的多个位置重复观察该图案,对整个视场进行分析(图4)。

USAF 1951 Pattern Wheel Target.
图4a: USAF 1951图案轮测试板。
USAF 1951 Variable Contrast and Field Target.
图4b: USAF 1951可变对比度和视场测试板。

朗奇刻线法

某些与USAF 1951测试板关联的问题可以通过使用另一种被称为朗奇刻线法的测试板解决。该测试板在一个空间频率下包含重复线条,它们朝一个方向延伸,并覆盖了测试板的整个表面(图5)。由于整个测试板中存在细节,因此可以同时确定系统在整个视场中的最佳焦点。对于仅需分析一种频率的应用,这可能是一款简单易用的工具。

Ronchi Ruling.
图5: 朗奇刻线法

朗奇刻线法的限制

朗奇刻线法有两个缺点。首先,由于给定测试板仅提供一种频率,因此需要为要评估的每种频率另外提供一个测试板。其次,由于线条仅朝一个方向传播,因此无法对由于像散等因素导致的视场内非对称性分辨率降低进行分析。要克服这些问题,需要将测试板旋转90˚ ,并且另外使用一张图像来分析分辨率。此外,尽管即使在像散情况下,也能平衡镜头焦点以获得最佳焦点,但在将测试板反复翻转时,可能难以找到这一平衡点。

星标

多元素星标可能在测试系统分辨率和对比度方面功能最强大,它结合了USAF和朗奇刻线法的许多优势。星标的每个元素都包含一圈凹凸交替的饼形楔形,按已知角度向中心逐渐变细(图6)。元素的锥形楔形显示了分辨率的不断变化,我们可以在垂直和水平方向以及许多其他方向对其进行评估,而无需重新定位测试板。

在视场内设置许多星标能够确定整个视场内的最佳焦点,同时分析各种分辨率下的水平和垂直信息,从而轻松地比较不同成
像解决方案。图7显示了完整的星标;其他示例图像中比较了两个不同镜头位于测试板中间、中间下方和边角处的突出显示区域。这些示例中使用了Sony ICX625单色传感器(3.45µm像素,总分辨率为500万像素)和白光背光照明器。

Star Target.
图6: 星标。
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.
图7: 由两个具有相同焦距、f#、视场和传感器的镜头(A和B)成像的星标。镜头A在图像边缘和边角处的出众性尤为明显。

星标的限制

其他测试板一样,星标也存在缺陷。由于楔形会导致分辨率不断变化,因此更加难以确定测试系统在每个元素上达到的准确分辨率。尽管可以通过数学方式实现这一点,但在视觉上却很难做到。另外,星标元素的循环性质与非对称性模糊的可能性相结合,使用户难以通过简单的软件工具(如线整形器)从图像中提取信息。要充分利用星标,需要更高级的图像分析软件。

景深(DOF)测试板

DOF测试板能够显示和量化细节远离镜头所聚焦到的平面时,保持良好聚焦的程度。DOF测试板十分简单:已知频率(分辨率)线条按已知角度倾斜,并用来确定保持良好聚焦的程序。线条靠近和远离镜头时会变得更模糊,直到无法再相互区分开来。可以在不同距离下测量对比度,以确定何时丢失所需的分辨率级别;这可以确定镜头在特定设置下的景深限制。图8和图9展示了如何使用景深测试板。

A depth of field target
should be at 45° from the lens.
图8: 景深测试板应该与镜头呈45°。
Sample configurations using a depth of field target.
图9: 使用景深测试板的示例配置。

例如:使用DOF测试板

50mm DG系列镜头

图10 显示了从DOF测试板(设置在与成像路径呈45°角的位置)俯视的垂直安装相机。由于镜头垂直聚焦在测试板中间,因此测试板上方和下方的图像会失焦。图像显示了三种不同的f/#设置,以及虹膜调整会如何改变获取景深的能力。注意:朗奇刻线法也可以用于进行这类测试,因为它们具有固定的频率,而且可以倾斜以创造此效果。倾斜度越大,可测量的景深越多。

Images of a depth of field target taken with a 50mm
lens at f/4, f/8, and f/11.
图10: 使用50mm镜头在f/4、f/8和f/11下拍摄的景深测试板图像

请访问 www.edmundoptics.cn/imaging-lab 查看关于景深EO成像实验室模块1.8

畸变测试板

畸变测试板用于校正系统,以正确测量成像信息的光学错位。这些测试板通常由点、网格或方形图案组成,它们与大多数成像软件的校准惯例兼容,并且可以在整个视场中重新映射或调整测量结果(图11)。图12显示了可以调整的畸变类型。

    图案成像后,其已知大小和间隔将允许进行调整(图13)。

A dot grid distortion
target.
图11: 点网格畸变测试板。
Types of Distortion.
图12: 畸变类型。
Positional difference
can be measured and corrected
with software.
图13: 可以通过软件测量和校正的位置差异。
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