測試板 - 設計用於校準成像系統的品質
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測試板 - 設計用於校準成像系統的品質

測試板有助於確定成像系統的性能。這包括對系統進行故障排除;基準測試、認證或評估測量;或建立一個基礎以確保多個系統相互良好配合。因為圖像品質可以由不同的組件定義,特別是分辨率、對比度、調製傳遞函數 (MTF),所以不同的系統可能需要不同的測試板,有些系統可能需要多種測試板。


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 目標是最常用的測試目標之一,由不同大小的稱為元素的水平和垂直線組組成(圖 1)。

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圖1: USAF 1951測試板範例。

 

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)。每個元素都有一組唯一的寬度和間距,並用從 1 到 6 的數字標識。六個按順序編號的元素被視為一個組,每個組都有一個標識號,可以是正數、負數或零。該組號的範圍從 -2 到 7。然後將組號和元素號一起用於確定空間頻率。分辨率基於一對線對 (lp),相當於一個黑條和一個空白(圖 2)。

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圖2: USAF 1951測試板的範例。

 

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。


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。

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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。

 

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3)。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。

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圖3: 朗奇刻線法。


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4)。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5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。
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圖4: 星標單元。


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圖5: 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。