แผนภูมิทดสอบความละเอียด 1951 USAF

แผนภูมิทดสอบความละเอียด 1951 USAF (1951 USAF resolution test chart) คืออุปกรณ์ทดสอบความละเอียดทางทัศนศาสตร์ระดับไมโครสโคป ซึ่งถูกกำหนดขึ้นครั้งแรกตามมาตรฐาน MIL-STD-150A ของกองทัพอากาศสหรัฐอเมริกาในปี ค.ศ. 1951 การออกแบบของแผนภูมินี้ประกอบด้วยรูปทรงเป้าหมายขนาดเล็กจำนวนมากที่มีความถี่เชิงพื้นที่ (Spatial Frequency) ลดหลั่นกันอย่างแม่นยำ เพื่อใช้ในการวิเคราะห์และตรวจสอบความถูกต้องของระบบสร้างภาพ เช่น กล้องจุลทรรศน์ กล้องถ่ายภาพ และเครื่องสแกนภาพ ในงานด้านวิศวกรรมทัศนศาสตร์

โครงสร้างและองค์ประกอบของแผนภูมิ

รูปแบบมาตรฐานฉบับเต็มประกอบด้วย 9 กลุ่ม (Groups) โดยในแต่ละกลุ่มจะมี 6 องค์ประกอบ (Elements) รวมทั้งสิ้น 54 องค์ประกอบเป้าหมาย แต่ละองค์ประกอบจะประกอบด้วยเส้นสามเส้นที่สร้างรูปแบบการตีเส้นแบบรอนคี (Ronchi ruling) ขั้นต่ำ

องค์ประกอบทั้ง 54 นี้ถูกจัดวางในลำดับขั้นแบบลอการิทึม (Logarithmic steps) โดยมีความถี่เชิงพื้นที่ครอบคลุมตั้งแต่ 0.250 ไปจนถึง 912.3 คู่เส้นต่อมิลลิเมตร (lp/mm) ซึ่งครอบคลุมตั้งแต่ขีดจำกัดการมองเห็นของดวงตามนุษย์ไปจนถึงขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงทั่วไป

ลักษณะทางกายภาพและการผลิต

อุปกรณ์ที่ผลิตในเชิงพาณิชย์มักอยู่ในรูปแบบของแผ่นสไลด์แก้วใสทรงจัตุรัส ขนาด 2 นิ้ว หรือ 50 มิลลิเมตร โดยใช้กระบวนการโฟโตลิโธกราฟี (Photolithography) พิมพ์ด้วยโครเมียมโลหะ ซึ่งย่อส่วนมาจากแบบร่างต้นฉบับขนาดใหญ่

แผ่นสไลด์มีให้เลือกทั้งแบบภาพบวก (Positive) และภาพลบ (Negative) เพื่อให้เหมาะสมกับเทคนิคการให้แสงในวิธีการทดสอบที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังมีรุ่นย่อส่วนที่มีราคาถูกกว่า โดยการตัดกลุ่มที่ 8 และ 9 ซึ่งเป็นกลุ่มที่มีขนาดเล็กที่สุดตรงกลางแผนภูมิออก เนื่องจากกระบวนการผลิตในระดับนั้นมีค่าใช้จ่ายสูง และความละเอียดในระดับดังกล่าวเกินความจำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันการสร้างภาพส่วนใหญ่

วิธีการวัดความละเอียด

การวัดความละเอียดเชิงพื้นที่ในแนวราบของระบบสร้างภาพ ทำได้โดยการระบุองค์ประกอบที่เล็กที่สุดที่ระบบยังสามารถแยกแยะได้เป็น 3 ยอด (Peaks) ที่ชัดเจน (อาจมีการกำหนดระดับความต่างสีหรือ Contrast ขั้นต่ำเพื่อให้ได้ค่าที่ระมัดระวังมากขึ้น แต่ไม่ใช่ข้อกำหนดบังคับในมาตรฐาน MIL-STD-150A เดิม)

ค่าความกว้างเต็มที่ครึ่งหนึ่ง (Full Width at Half Maximum - FWHM) โดยประมาณของฟังก์ชันการกระจายจุด (Point Spread Function) และระยะห่างระหว่างวัตถุสองชิ้นที่มีความเข้มเท่ากันซึ่งสามารถแยกแยะได้ จะถูกกำหนดโดยคาบของเกรตติ้ง (Grating period) หรือความกว้างของคู่เส้น (Line pair width) ไม่ใช่ความกว้างของเส้นเดี่ยว

ผู้สังเกตจะบันทึกป้ายกำกับขององค์ประกอบนั้น (ซึ่งแต่ละกลุ่มและแต่ละองค์ประกอบภายในกลุ่มจะมีตัวเลขกำกับ) ตัวเลขคู่นี้จะระบุตำแหน่งแถวและคอลัมน์ในตารางซีรีส์ ซึ่งจะนำไปสู่การระบุความถี่เชิงพื้นที่ขององค์ประกอบนั้น และสรุปเป็นค่าความละเอียดของระบบสร้างภาพ

การวิเคราะห์ขั้นสูง

การระบุลักษณะความละเอียดในเชิงวิเคราะห์สามารถทำได้ผ่าน ฟังก์ชันการถ่ายโอนมอดูเลชัน (Modulation Transfer Function - MTF) โดยการพล็อตค่าความต่างสี (Contrast) ของภาพที่สังเกตได้เทียบกับความถี่เชิงพื้นที่ขององค์ประกอบต่าง ๆ นอกจากนี้ยังสามารถตรวจพบและระบุลักษณะของความคลาด (Optical aberrations) ในระบบสร้างภาพได้ โดยการเลื่อนตำแหน่งและหมุนองค์ประกอบภายในขอบเขตการมองเห็นของระบบ

รูปแบบของลวดลาย (Pattern Format)

รูปแบบ MIL-STD-150A ทั่วไปจะจัดวาง 6 กลุ่มในลักษณะเกลียวที่กะทัดรัด แบ่งเป็น 3 ชั้น โดยกลุ่มที่ใหญ่ที่สุดสองกลุ่ม (ชั้นนอกสุด) จะอยู่ด้านข้าง ส่วนชั้นที่เล็กลงจะเรียงตัวเป็นคู่เล็กลงเรื่อย ๆ เข้าสู่ศูนย์กลาง

แต่ละกลุ่มประกอบด้วย 6 องค์ประกอบ เรียงลำดับจาก 1 ถึง 6 โดยในชั้นเดียวกัน กลุ่มเลขคี่จะเรียงตัวต่อเนื่องกันจาก 1 ถึง 6 จากมุมบนขวา ส่วนองค์ประกอบแรกของกลุ่มเลขคู่จะอยู่ที่มุมล่างขวาของชั้น และองค์ประกอบที่ 2 ถึง 6 จะอยู่ทางด้านซ้าย

การคำนวณค่าความละเอียดสามารถใช้สูตร:

ความละเอียด (lp/mm) = 2^{(กลุ่ม + (องค์ประกอบ-1)/6)}

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติมักนิยมใช้ตารางค้นหา (Lookup table) เพื่อความสะดวกในการใช้งาน โดยคำว่า "คู่เส้น" (Line pair - lp) หมายถึงเส้นสีดำหนึ่งเส้นและเส้นสีขาวหนึ่งเส้น