Testing 및 Targets

Test target은 이미징 시스템의 성능(이미징 품질)을 평가하고 교정(calibration)하는 데 도움이 되도록 고안되었습니다. 여기에는 시스템 문제 해결, 비교분석, 인증 또는 측정 평가, 그리고 여러 가지 시스템이 서로 조화롭게 작동하도록 보장하기 위한 기초 확립 등이 포함됩니다. 이미지 품질은 다양한 요소들, 특히 resolution, contrast, Modulation Transfer Function (MTF), Depth of Field (DOF) 또는 distortion의 영향을 많이 받기 때문에 시스템별로 서로 다른 target이 필요하며 일부 시스템에는 두 개 이상이 필요할 수도 있습니다.

Test target을 사용한 결과는 시각적으로만 보면 주관적일 수 있다는 점을 유념하는 것이 중요합니다. 시각적 관찰은 target을 보는 사람에 따라 달라집니다. 예를 들어, 20/20 시력을 가진 사람은 대개 20/25 또는 20/30 시력을 가진 사람에 비해 보다 높은 resolution을 구분해 낼 수 있습니다. 게다가, 이러한 target을 정기적으로 보는 사람들은 target의 반복적인 주파수나 패턴을 봄으로써 실제로 존재하지 않는 디테일을 보도록 두뇌가 훈련되어 있을 수 있습니다. 시각적 검사는 두 가지 시스템을 비교하는 데 도움이 될 수 있지만 결과의 유효성을 검증하는 데 있어서는 경우에 따라 적합하지 않을 수도 있습니다. 가능하면 측정값을 제대로 검증하기 위한 소프트웨어를 사용하는 것이 중요합니다.

표 1: Resolution Target의 용도, 장점 및 단점.

The USAF 1951 Target

가장 많이 이용되는 test target 중 하나는 USAF 1951 target으로서, 각기 다른 사이즈의 가로 및 세로 라인(element로 불리움)으로 구성되어 있습니다(그림 1). 가로 및 세로 element는 object plane에서 상이한 spatial frequency(line pairs per millimeter 또는 lp/mm)의 세로 및 가로 resolution을 동시에 테스트하는 데 사용됩니다. 각 element는 고유의 너비와 간격을 갖고 있으며 1부터 6까지의 번호로 구분됩니다. 이와 함께 6개의 연속적인 번호가 부여된 element를 하나의 그룹으로 간주하며 각각의 그룹은 양수, 음수 또는 0으로 이루어진 식별 번호를 갖습니다. 일반적으로 이 번호의 범위는 -2부터 7 사이입니다. 그룹 번호 및 element 번호를 함께 사용해 spatial frequency를 결정합니다. Resolution은 막대 너비와 간격을 바탕으로 하며 막대의 길이는 막대 너비의 5배에 해당됩니다(그림 2). 한 개의 line pair(lp)는 한 개의 검정 막대와 한 개의 흰색 막대에 해당됩니다. 세로 막대는 가로 resolution을 계산하는 데 사용되며 가로 막대는 세로 resolution을 계산하는 데 사용됩니다.

그림 1: USAF 1951 Target의 예.

그림 2: USAF 1951 Target 규격

질적인 면에서, 이미징 시스템의 resolution은 검정과 흰색 막대가 서로 흐릿해지기 시작하기 직전의 그룹 및 element의 조합으로 정의됩니다. 양적인 면에서 resolution(lp/mm 단위)은 공식 1에 의해 계산할 수 있습니다.

USAF 1951 target은 target 중심을 향해 나선형으로 element의 frequency가 증가하도록 고안되었으며 높은 resolution의 element가 target 중심에 배치됩니다. 이러한 배열은 target 재배치 필요성을 없애 zoom lens를 테스트할 때 도움이 됩니다. 이는 lens magnification이 FOV 감소를 유도해 더 높은 resolution의 element가 FOV 안에 남아 있게 하기 때문에 가능합니다.

USAF 1951 Target의 한계

USAF 1951 target에는 더 높은 resolution의 element를 중앙에 배치함으로써 발생되는 몇 가지 단점이 있습니다. 예를 들어, 렌즈는 중앙에서 FOV의 모서리 부분과 다른 레벨의 resolution을 갖습니다. 대부분의 경우에 field 중심에서 멀어질수록 resolution은 저하되므로 다양한 위치에서 resolution과 contrast 레벨을 측정하는 것이 중요합니다. 이로 인해 시스템 성능을 제대로 평가하려면 field of view 둘레에 target을 재배치하고 추가 이미지를 이용할 필요가 있으며, 이 점은 테스트 시간 증가로 이어집니다. 이는 또한 시스템이 FOV의 중심에만 초점을 맞추고 있는지, 아니면 전체 FOV에 걸쳐 초점을 맞추는지에 따라 문제를 야기할 수 있습니다.
Resolution은 위치에 따라 달라지기 때문에 전체 FOV가 best focus에 맞춰지는 때를 파악하기 어려울 수 있습니다. 일부 렌즈는 렌즈와 카메라 시스템의 초점이 이미지 중심에 맞춰져 있을 때 FOV 중심에서는 높은 resolution을 확보하지만, 모서리에서는 resolution이 아주 낮아집니다. 약간의 렌즈 defocusing은 대개 중심부에서의 resolution을 다소 저하시키지만 field 전반의 resolution에 균형을 찾아줄 수 있습니다. Balanced focus에 맞추더라도 렌즈는 여전히 용도별 요구 사양을 아주 잘 만족시킬 수 있기 때문에 이러한 center resolution의 손실은 꼭 나쁜 것만은 아닙니다(그림 3).

그림 3a: USAF 1951 예: Best focus가 target 중앙에서 맞춰지도록 재배치된 이미지의 중심부 및 모서리.

그림 3b: 전체 field에 걸쳐 balanced focus를 보이는 이미지의 중심부 및 모서리.

Field of view 전체에 걸친 resolution의 변화 가능성은 시스템 성능에 대한 결론을 내기 전에 모든 field 위치를 분석해야 할 필요성을 강화시킵니다. 중심에서 target과 최적의 조합을 이루는 렌즈가 전체적으로는 그렇지 못할 수 있습니다. 하지만 모든 분석을 단일 focus 설정에서 수행하는 것이 아주 중요합니다. 렌즈 중앙에서 시스템의 최대 성능을 파악한 뒤 초점을 다시 잡아 모서리의 최대 성능을 파악하는 것이 간단할 것으로 보일 수도 있지만 이렇게 하면 작동 중에 초점 조절이 사실 불가능한 경우가 많기 때문에 시스템을 배치했을 때 어떤 성능을 보여 줄지 알 수 없게 됩니다.

이 target의 수많은 위치에 패턴을 반복 배치함으로써 전체 FOV에 걸친 분석을 가능케 하는 변형된 버전들이 있습니다(그림 4).

그림 4a: USAF 1951 Pattern Wheel Target. 

그림 4b: USAF 1951 Variable Contrast 및 Field Target.

Ronchi Rulings

USAF 1951 target과 관련된 몇 가지 이슈는 Ronchi ruling이라는 또 다른 target을 통해 극복할 수 있습니다. 이 target은 단일 spatial frequency에서 target의 전체 표면에 걸쳐 한 방향으로 이어지고 반복되는 라인들로 구성되어 있습니다(그림 5). 전체 target에 걸쳐 디테일이 존재하기 때문에 전체 field에 걸친 시스템의 best focus를 동시에 파악할 수 있습니다. 한 가지 주파수만 분석하면 되는 용도에서 이것은 사용하기 쉽고 간단한 도구입니다.

그림 5: Ronchi Ruling.

Ronchi Rulings의 한계

Ronchi ruling에는 두 가지 단점이 있습니다. 첫 번째, 주어진 target이 한 가지 주파수만 제공하기 때문에 평가해야 할 주파수별로 또 다른 target이 필요합니다. 두 번째, astigmatism과 같은 요소의 결과로 인해 시야 전반에 비대칭 resolution 저하가 발생해 라인이 한 방향으로만 퍼져나가 이를 분석할 수 없게 됩니다. 이를 극복하기 위해 target을 90˚ 회전시키고 두 번째 이미지를 사용해 resolution을 분석해야 합니다. 아울러, 렌즈의 초점을 best focus에 맞춰 조절할 수 있긴 하지만 astigmatism의 경우 target을 앞뒤로 뒤집을 때 이러한 조절이 어려울 수 있습니다.

Star Target

시스템의 resolution과 contrast 테스트를 위한 가장 강력한 target인 multi-element start target은 USAF와 Ronchi target의 다양한 장점들이 결합되어 있습니다. Star target의 개별 element는 원형으로 교차하는 positive 및 negative 파이 조각 모양의 쐐기(pie-shaped wedge)로 이루어져 있으며 중심부로 갈수록 일정 각도로 가늘어집니다(그림 6). Element의 뾰족한 쐐기(tapered wedge)는 target을 재배치하지 않고도 세로 및 가로 방향 모두, 그리고 그 밖의 다양한 방향에서 resolution의 연속적인 변화를 평가할 수 있게 해 줍니다.

Field of view 전체적으로 많은 star를 배치해 FOV 전체의 best focus를 파악함과 동시에 다양한 resolution에서 가로 및 세로 정보를 분석할 수 있게 해 다양한 이미징 솔루션을 쉽게 비교할 수 있습니다. 그림 7에서는 star target 전체를 보여 줍니다. 각각 중앙, 중앙 하단, 그리고 타겟의 모서리 쪽에 강조 표시되어 있는 영역들이 서로 다른 렌즈 두 개를 사용했을 때 각각 어떻게 보이는지 별도의 이미지를 통해 비교합니다. 이 예에서는 3.45µm 픽셀에 전체 resolution이 5백만 화소에 달하는 Sony ICX625 monochrome sensor와 백색광 back light illuminator를 사용합니다.

그림 6: Star Target.

그림 7: Star target을 focal length, f/#, field of view, 그리고 센서가 동일한 두 개의 렌즈(A와 B)를 이용해 촬영한 이미지. 렌즈 A의 우수성이 이미지 가장자리 및 모퉁이에서 뚜렷하게 나타납니다

Star Target의 한계

다른 target들과 마찬가지로 star target에도 단점이 있습니다. 쐐기 모양의 resolution이 연속적으로 변화하기 때문에 테스트 시스템이 각각의 element에서 측정하는 정확한 resolution을 파악하기 어렵습니다. 수학적으로는 계산할 수 있지만 시각적으로는 쉽지 않은 일입니다. 게다가, star element가 원형이고 비대칭적인 blurring 발생 가능성이 있어 이미지에서 정보를 추출하는 profiler같은 간단한 소프트웨어 도구의 사용이 상대적으로 어렵습니다. Star target을 최대한 활용하려면 고급 이미지 분석 소프트웨어가 필요합니다.

Depth of Field (DOF) Targets

DOF target을 이용하면 디테일이 렌즈의 초점면으로부터 멀어질 때 초점이 얼마나 잘 유지되는지 시각적으로 정량화해 볼 수 있습니다. DOF target은 상당히 간단합니다. 알고 있는 주파수(resolution)의 라인들이 주어진 각도로 끝이 잘려져 있고 이를 이용해 focus가 얼마나 잘 유지되는지 파악합니다. 라인이 렌즈에 가까워지거나 멀어짐에 따라 점점 희미해지면서 각각의 라인을 구분할 수 없게 됩니다. Contrast 측정은 다양한 거리에서 수행해 원하는 수준의 resolution을 잃게 되는 순간을 파악할 수 있습니다. 이를 통해 특수 설정에서 렌즈의 DOF limit를 측정하게 됩니다. 그림 8과 9에서는 Depth of Field target 사용 방법을 보여 줍니다.

그림 8: Depth of field target은 렌즈와 45° 각도를 이루어야 합니다.

그림 9: Depth of field target을 사용한 샘플 구성

예: DOF Target 사용

50mm DG Series Lens

그림 10에서는 이미징 경로에 45° 각도로 고정된 DOF target을 내려다보고 있는 세로로 장착된 카메라를 보여 줍니다. 렌즈는 target 중심에 수직으로 초점이 맞춰져 있기 때문에 target의 맨 위와 맨 아래에서는 이미지의 초점이 맞지 않게 됩니다. 이미지는 세 가지 서로 다른 f/# 설정, 그리고 조리개 조절을 통해 depth of field 확보 능력이 어떻게 바뀌는지 보여 줍니다. 참고: Ronchi ruling은 주파수가 고정되어 있고 이런 효과를 낼 수 있게 기울일 수 있어 Ronchi ruling을 사용해도 이러한 종류의 테스트를 수행할 수 있습니다. 팁(tip)이 커질수록 측정 가능한 DOF도 커집니다.

그림 10: f/4, f/8, 그리고 f/11에서 50mm 렌즈로 촬영한 depth of field target의 이미지.

www.edmundoptics.co.kr/imaging-lab을 방문해 Depth of Field에 대한 EO Imaging Lab 모듈 1.8을 참조하십시오.

Distortion Targets

Distortion Target은 이미징 정보의 광학 왜곡 수준을 정확하게 측정하기 위해 시스템을 보정하는 사용됩니다. 이들 target은 대개 점, 바둑판 무늬 또는 사각 패턴으로 이루어지며 대부분의 이미징 소프트웨어가 갖고 있는 교정용 루틴과 호환되고 FOV 전체(그림 11)의 측정치를 변경하거나 조정할 수 있습니다. 그림 12에서는 조정 가능한 distortion 유형을 보여 줍니다.

일단 패턴을 촬영하고 나면 패턴의 이미 알고 있는 사이즈 및 간격을 통해 조정할 수 있습니다(그림 13).

그림 11: dot grid distortion target.

그림 12: Distortion 유형

그림 13: 위치 차이는 소프트웨어를 통해 측정 및 수정될 수 있습니다.