Mesure de la qualité des objectifs. MTF et SlantEdge

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Mesure de la qualité des objectifs. MTF et SlantEdge

Messagede JMP76 » 06 Mar 2020 14:09

Bonjour à tous,

Je pense avoir trouvé une/LA méthode pour mesurer la qualité des objectifs en microscopie et en macroscopie. Mes travaux sont en cours et je risque par moment de dire des bêtises. J'espère pouvoir mener cette quête avec votre aide (et indulgence)

Je vais utiliser dans cet article des méthodes de traitement du signal, et je vais probablement faire des raccourcis que certains trouveront vertigineux. Mais tout cela s'appuie sur des théories mathématiques élaborées et complexes pour ceux qui ne les ont pas étudiées.

1- La FTM ou MTF
est à comparer à la bande passante souvent utilisée pour qualifier la qualité des appareils audio. En Audio on parle de Hertz=cycle/seconde. En Optique on parlera de FTM en lp/mm (paire de lignes / mm)

La théorie (complexe) pour établir la bande passante en optique (FTM) conduit à un résultat très étrange: La courbe est exactement celle de la lumière fournie par un système de 2 diaphragmes identiques que l'on décale! Il s'agit donc de l'intersection de 2 cercles identiques dont les centres se décalent!

La courbe théorique (parfaite) de la FTM est de cette forme:
Clipboard02.jpg
Fichier simulation D:\Dropbox\Doc\Microscopie\RelaisOptique\Projectif.xls
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard02.jpg (26.23 Kio) Vu 1225 fois

Clipboard02b.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard02b.jpg (5.72 Kio) Vu 1221 fois

Couleurs:

- Orange: Courbe théorique
- vert: Courbe approximative souvent utilisée. Notera le passage par le point singulier: x =f/fc =50% y =40%
- Bleue: Erreur en utilisant la courbe approximative (verte)
Note: les abscisses devraient être 0 100 200 ... je n'ai pas été capable de corriger Excel! désolé

La courbe orange présentée correspond à une optique MSplan 10x 0.25

On peut remarquer qu'il est commun d'utiliser une courbe approximative (en vert) qui a la propriété de passer par 3 points singuliers
[x=0 y=1] [x=fc/2 -> y=40%] [x=fc y=0]
Mais aujourd'hui on a des ordinateurs, cette approximation n'est plus utilisée.

Fc est la fréquence de coupure de l'objectif. Au delà il n'y a que du bruit ou des artefacts inutiles.

Limite de fréquence Fc
Clipboard02c.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard02c.jpg (14.47 Kio) Vu 1221 fois

Mes premières mesures seront faites avec un obj 10x 0.25

la fréquence de coupure=fc=910 lp/mm. Le point singulier sera x=455 lp/mm et MTF=0.4=40%
Que conclure de tout cela?: Eh bien, on en est qu'au début! Car rien ne nous permet de mesurer les caractéristiques d'un objectif à une fréquence donnée, puis de tracer des courbes...


2- Un peu de théorie du signal
Pour ceux qui ont fait un peu de maths, ils devraient se souvenir qu'il y a une relation entre les bandes passantes et les temps de montée d'un signal. En gros si on analyse les fronts des signaux on peut en déduire les BP, et réciproquement, si on connait les BP, on peut en déduire les fronts!
Cette technique est utilisées dans les box ADSL. Un µP analyse le front, en déduit la BP, en déduit la correction de BP à effectuer, apporte un calcul de filtrage grace à un DSP et ... ce n'est pas le sujet de cet article!

Ah, il y a un rapport entre la FTM et la forme d'une transition optique? Eh oui!

Mais alors, il suffirait d'analyser une transition entre du noir et du blanc pour obtenir la qualité d'un objectif. OUI, OUI, OUI
Mais sous certaines conditions:
- faire du sur-échantillonnage avoir au moins 5 ou 6 pixels par limite de ...
- Avoir une belle transition noir/blanc (et de vrais beaux noirs)
- pas d'autres optiques dans le circuit lumineux
- à suivre

J'ai commencé mes manips sans prendre conscience de ces conditions. Le reste de l'article ne sera donc pas parfait et devra être refait...

3- Mes manips

Je dispose d'un téléphone S6 Samsung facile à connecter sur mon BHS.

Il me donne des photos du style
Splan_10x_0.30_1_t.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Splan_10x_0.30_1_t.jpg (14.97 Kio) Vu 1221 fois

Ne soyez pas choqué! C'est exprès! On devine le diaphragme -> pour indiquer que le réglage du microscope doit être parfait. Le diaphragme sera légèrement agrandi.

On devine le cercle indiquantr le champ oculaire: c'est exprès, car il y aura des mesures de diamètres. On voit dans ce cercle un demi-cercle éclairé et un demi-cercle noir. Le tout avec un beau bord noir. Et cela a été difficile de fabriquer un beau bord noir. Il doit être franc, net, régulier, sans taches, ... Car tout va se jouer sur la qualité/régularité de ce bord noir
Mais cela ne va pas être possible!
Regardez la transition au niveau du pixel: (ici 3 rangées de pixels)
Clipboard01b.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard01b.jpg (5.21 Kio) Vu 1220 fois

La transition se fait sur une dizaine de pixels, et le signal va être en forme d'escalier (non continu) Impossible de faire une analyse avec un signal très grossier. J'ai perdu mon temps.
Dernière édition par JMP76 le 06 Mar 2020 15:10, édité 3 fois.
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Re: Mesure de la qualité des objectifs. MTF et SlantEdge

Messagede JMP76 » 06 Mar 2020 14:10

Puis au fil des jours on se dit qu'on doit pouvoir améliorer les choses: J'ai plusieurs milliers de transitions dans mon image. Ne peut-on faire une analyse statistique?
20200304_180406a_t.jpg
Traçons un canal
Exif et Meta MicroCartouche 20200304_180406a_t.jpg (19.86 Kio) Vu 1219 fois

On va détecter l'orientation de la figure, tracer un canal, et faire une analyse statistique dessus.

Reste le problème des 10 pixels du motifs. Il faudra multiplier cela par au moins x25 !
Je vais alors utiliser une méthode ancienne (que j'ai découvert il y a 50 ans) qui permettait d'analyser des signaux répétitifs de 5 GHz avec des oscilloscopes de 100 MHz. D'une trace à l'autre on décalait les signaux de 0.1 nS... (approximation)

Dans le cas présent cela se traduit par légèrement décaler le canal d'analyse, et magiquement, d'une manière synthétique on obtient une transition sur 256 pixels! Et cela permet maintenant de faire des calculs de Fourier (passer de transition à FTM)

Calculs compliqué, surtout à mon age, erreurs en cascades, bidouilles, simplification, découvertes de plein de méthodes inconnues, de langages, ... une vraie quête du Graal!
Clipboard08.jpg
Reconstitution d'une transition (une centaine de pixels)
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard08.jpg (48.74 Kio) Vu 1219 fois

Et tout d'un coup j'ai trouvé LA solution: Quelqu'un de beaucoup plus jeune avait fait le travail!

Mais il restait à l'adapter à la microscopie.

4- SlantEdge Hans Hallgass

41- retourner la photo jusqu'à avoir le noir du coté gauche
Clipboard01_t.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard01_t.jpg (18.35 Kio) Vu 1219 fois

42- Zoomer à 100 %
Clipboard03_t.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard03_t.jpg (17.63 Kio) Vu 1218 fois

43- Sélectionner un rectangle horizontal
Clipboard05_t.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard05_t.jpg (25.12 Kio) Vu 1218 fois

44- Run MTF (à suivre...)
Dernière édition par JMP76 le 06 Mar 2020 14:54, édité 3 fois.
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Re: Mesure de la qualité des objectifs. MTF et SlantEdge

Messagede JMP76 » 06 Mar 2020 14:10

44- Run MTF
Clipboard07_t.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard07_t.jpg (50.61 Kio) Vu 1215 fois


5- Conclusions préliminaires

On peut utiliser Slant Edge en microscopie. Cependant le logiciel fournit une échelle Spatial Frequency illisible. (les nombres se chevauchent)

On va donc utiliser fictivement un capteur 10x plus grand, et mentalement x10 la fréquence indiquée.
Attention il s'agit de manip préliminaires (le nb de pixel H est faux, il devrait être de 5312

...


6- Problèmes à analyser
Est-ce bien valable d'utiliser les dimensions du capteur de téléphone?

Car on n'a pas projection directe sur le capteur! Il y a plusieurs relais optiques: oculaire x10, objectif du téléphone, prismes avec défauts ...

7- Méthode finale (pré-released)

71- Considérations
On cherche la FTM du coté objet. Ce sera pour vérifier que l'objectif est de précision et a bien une acuité de 1.1 µm.

1,1 µm =Lambda/2*NA avec Lambda=0.55µm NA=0.25 G=10x

Il faut retranscrire les données du capteur au niveau de l'objet, car on cherche le nombre de paire de ligne au niveau de l'objet (de la lame ou de l'échantillon)

Dans le cas du téléphone S6, on a le cercle qui tangente

Image Resolution: 5312 x 2988 (15.9 MP, 16:9)
Clipboard10_t.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard10_t.jpg (12.03 Kio) Vu 1213 fois


On va mesurer (en pixels) le diamètre du cercle.
ici 3263 px

Avec une lame de référence on va mesurer le diamètre en mm

[au pif, sachant que le champ oculaire est de 26.5 mm, et que le grandissement de l'objectif est 10x.
Le champ au niveau de l'objet/lame sera de 26.5/10 =2.65 mm]

On pourra dire que le capteur fait 2.65mm pour 3263 px. Valeurs que l'on reportera dans le logiciel.

En réalité on reportera 26.5mm et 3263 px sachant qu'il faudra multiplier par 10x la lecture de l'abscisse lp/mm (car sinon les chiffres se superposent)

NB Manips avec PSP
Clipboard13_t.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard13_t.jpg (54.04 Kio) Vu 1214 fois

et après correction manuelle de l'image (26.5 -> 2.65, rajout de 0 aux chiffres 10, 20, ... -> 100, 200, ...)
Clipboard14_t.jpg
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard14_t.jpg (62.74 Kio) Vu 1215 fois

(Les chiffres verts ne sont pas corrigés)

..

72- On notera

L'importance des mesures et évaluations.

Une erreur de 10 % sur la mesure du diamètre introduit une errer de 10 % dans la fréquence de coupure de la MTF!

Exemple, j'ai pris ci-dessus l'hypothèse d'avoir un champ de 2.65mm. En réalité je n'ai que 2.0 mm.
Clipboard15.jpg
Objectif MSplan 10x Olympus, lumière LED blanche, Champ 2 mm et 3263 px (montage BHS avec équipement EPI)
(Les chiffres verts ne sont pas corrigés. LP corrigés. 20200303_185047.jpg)
Exif et Meta MicroCartouche Clipboard15.jpg (56.78 Kio) Vu 1215 fois

Attention: Sur le S6, si on utilise la loupe pour affiner la mise au point, il faut penser à revenir à la fonction x1 pour voir le cercle entier. sinon cela ne fonctionne pas.

.
73- Critiques sur la méthode (ici)

Ces tests sont faits sur un BHS equippé epi/fluo en DIC... pas l'idéal pour débuter des manips! (l'urgence de l'excitation!)

Ce n'est pas un système simple. D'autres parts on utilise un téléphone pour la capture d'image (donc oculaire +zoom du téléphone. Il y a probablement de l'over-sampling (mieux que 2 px/dot) ce qui est une bonne chose.

Manips à refaire: Capteur directe (au foyer) Monter un reflex au foyer, sur le BHS diascopie (Splan) sans DIC...

Je suis en train de préparer un capteur en prise directe... à suivre!

PS Désolé pour les fautes d'orthographe, il me fallait rester sur la création du contenu... (instants magiques)
Dernière édition par JMP76 le 06 Mar 2020 14:52, édité 1 fois.
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Messagede JMP76 » 06 Mar 2020 14:37

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Messagede JMP76 » 06 Mar 2020 15:01

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Re: Mesure de la qualité des objectifs. MTF et SlantEdge

Messagede JMP76 » 07 Mar 2020 14:38

Bonjour,

Mes manips avec un capteur au foyer me donnent des soucis...

Je prépare une suite/correction pour tenir compte de l'échantillonnage du capteur (loi en sin x /x). Il me faut aussi trouver la correction en ce qui concerne le remplissage imparfait du pixel...
Puis éliminer le filtre anti-aliasing du capteur...

J'attends d'abord vos réactions

Cordialement
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Re: Mesure de la qualité des objectifs. MTF et SlantEdge

Messagede Olivier21 » 07 Mar 2020 15:25

Bonjour Jean-Marie

je lit avec intérêt ton post sur l'utilisation de la FTM. c'est un gros travail !

C'est effectivement la méthode qui était utilisée pendant très longtemps en Photo (test de Chasseur d'image ! Ya longtemps...) mais je me souviens aussi qu'ils ont abandonné cette méthode pour passer à des sujets standardisés avec le numérique.

De tête, la justification dont je me souviens était qu'un objectif pouvait donner des résultats très différents sur des boitiers / capteurs différents et qu'ils ne pouvaient pas tester toutes les combinaisons. Ils utilisent une scène test rassemblant des objets susceptibles de révéler différents problèmes : finesse de résolution, moirage, reflets, rendu des couleurs...

La méthode que tu proposes permet d'apporter des éléments objectifs et chiffrés de comparaison mais un autre utilisateur pourra -t-il transposer les résultats à sa situation ? Pour évaluer son propre dispositif cela semble très bien, notamment pour évaluer sa progression, l'améliorer, car on maitrise la mise en oeuvre.

De la même manière que je suis également d'accord avec Daniel pour dire que les mires ne permettent pas, à elles seules, de juger complètement du rendu d'un dispositif, j'ai peur que ce soit la même chose avec la FTM.

Penses tu qu'une fois que tu auras fait tout tes tests, le protocole sera facile à appliquer par des personnes qui n'ont pas le bagage théorique que tu peux avoir ? cela te prends combien de temps pour mener un test ?

Je continue de suivre avec attention !

Olivier
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Re: Mesure de la qualité des objectifs. MTF et SlantEdge

Messagede JMP76 » 08 Mar 2020 12:51

Bonjour,

Oui, c'est un gros travail (d'analyse et de maturation) mais j'ai l'impression que cela n'intéresse pas les foules. Ce n'est pas très motivant pour continuer. D'autant plus que les manips pour faire avancer le schmilblick sont lourdes, épuisantes et fastidieuses.

De tête, la justification dont je me souviens était qu'un objectif pouvait donner des résultats très différents sur des boitiers / capteurs différents et qu'ils ne pouvaient pas tester toutes les combinaisons.

Mon but est de mettre au point une méthode qui justement éliminera les caractéristiques des capteurs, et devrait rendre les mesures identiques sur différents poste de mesure. Si on n'y arrive pas, ce sera du temps perdu.

mais un autre utilisateur pourra -t-il transposer les résultats à sa situation ?
C'est ce que je vise. Mais évidemment il faudra que d'autres fassent des mesures, qu'on les compare, et trouve la méthode délivrant des chiffres identiques.
Il reste que la méthode dépend de la zone sélectionnée et que les résultats dépendent beaucoup de la qualité du réglage de netteté. Il faudra probablement cumuler les courbes en un nuage de courbes. Tout cela reste des manips à faire...

... pour dire que les mires ne permettent pas,... de juger complètement du rendu d'un dispositif, ... la même chose avec la FTM.
C'est l'intérêt d'obtenir des courbes : il n'y aura plus de d'interprétations erronées.

le protocole sera facile à appliquer
Oui ce sera facile. J'ai bien conscience que tout le monde n'est pas opticien (je ne le suis pas, moi non plus) Il faut que les manips soient rapides, simples, faciles à mettre en oeuvre.
J'ai passé beaucoup de temps à expliquer la méthode, certains ont le bagage pour en discuter, d'autres essayeront de comprendre le processus de pensée.(en faisant abstraction des formules. J'aurai pu en mettre beaucoup, pour faire plus scientifique. Je les ai toutes à portée de main -ou dans ma tête-). Comme disait un de mes professeurs, un enfant de 7 ans doit pouvoir comprendre. Et vous avez tous plus de 7 ans!

Le protocole se résumera à:
- avoir une mire commune (se préparer une lame pour dia et une pour epi)
- avoir un caméra avec si possible du sur-échantillonnage (caméra genre 1/2.3")
- prendre une (série de) photos (avec une mise au point différente) et noter les conditions
- et lancer l'analyse
Faire 5 mesures éliminera les erreurs statistiques (cas extrêmes)
Une mauvaise mise au point conduit à une déformation connue. Les courbes suivant ce type de forme seront donc à refaire.

En conclusion, il n'y a pas besoin d'avoir de bagage théorique. La FTM est une bande passante (lp/mm) d'un système optique (c'est comme les BP en Audio -Hz-)
En audio vous multipliez la BP du micro, avec la BP du préampli, avec la BP de l'ampli, et la BP du HP. En optique vous multipliez la BP du condenseu, par la BP de l'objectif, par la BP du relais optique, par la BP de l'oculaire, par la BP du téléphone, ...)

A vous lire. Cordialement
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Re: Mesure de la qualité des objectifs. MTF et SlantEdge

Messagede Tempo » 08 Mar 2020 14:11

Si ça m'intéresse mais j'ai d'autres idées.... Il me faut juste une mire adaptée (1000 €) pour les tester mais pour le moment j'ai d'autres préoccupations.....
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Re: Mesure de la qualité des objectifs. MTF et SlantEdge

Messagede Jean-marc » 08 Mar 2020 15:26

Salut
Tu sais bien que cela m’intéresse, d’autres certainement, mais nous n’avons pas lieu d’intervenir
Merci d’aller au bout...
A+
JM

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