Anleitung zur Verwendung eines 200-mm-Festbrennweitenobjektivs (Teil B): Untersuchung des Lichtstrahlverlaufs und Überprüfung auf Vignettierung

1. Einleitung

Ein Kameraobjektiv steuert, wie viel Licht in das optische System eintritt, und zwar mithilfe einer Blende (auch als Blendenstop bezeichnet). Dabei handelt es sich um eine variable Öffnung, die durch überlappende Metalllamellen gebildet wird. Abbildung (??) zeigt eine Blende im Stil einer Fotokamera in verschiedenen Einstellungen, von vollständig geöffnet bis fast geschlossen. Wenn sich die Blende schließt, wird die Öffnung kleiner und ihre Form wird zunehmend durch die Geometrie der Lamellen bestimmt. Dies beeinflusst direkt, welche Lichtstrahlen durch das Objektiv gelangen und den Sensor erreichen dürfen.

Wenn man die Blende weit öffnet, kann mehr Licht in das optische System gelangen, was zu einem helleren Bild führt. In dieser Konfiguration passieren jedoch viele Lichtstrahlen die äußeren Bereiche der Linse, wo Aberrationen in der Regel am stärksten sind, was zu einer stärkeren Bildverzerrung und einer geringeren Schärfe führt. Durch das Schließen der Blende werden die Lichtstrahlen auf den zentralen Teil der Linse beschränkt, was in der Regel zu einem schärferen Bild führt, jedoch auf Kosten einer geringeren Helligkeit. In der Praxis entsteht dadurch ein Kompromiss zwischen einem hellen Bild mit geringerer Schärfe und einem dunkleren Bild mit verbesserter Klarheit.

In diesem Abschnitt erstellen wir einen praxisorientierten Vorab-Workflow, der ausschließlich die 3D-Strahlenverläufe und das Detektorbild verwendet, um drei Fragen anhand einer visuellen Analyse zu beantworten: (i) Wo befindet sich die Blende und welche Strahlen werden durchgelassen? (ii) Wie unterscheiden sich paraxiale (haupt-)Strahlen von marginalen Strahlen? und (iii) Gibt es eine Beschneidung oder Vignettierung, die die Leistung außerhalb der optischen Achse beeinträchtigen könnte?

2. Suchen Sie die Haltestelle und vergewissern Sie sich, dass sie geöffnet ist.

In der 3D-Ansicht suchen Sie das Blendenobjekt (in der Regel eine Platte mit einer kreisförmigen Öffnung). Drehen Sie die Szene so, dass Sie sehen können, wie Lichtstrahlen auf die Blende treffen und diese durchqueren (??). Anhand dieser Blende lässt sich am schnellsten erkennen, wie viel Licht das Objektiv tatsächlich auf das Bild projizieren kann. Obwohl alle optischen Elemente vor der Blende beleuchtet sind, dürfen nur die Lichtstrahlen, die die Blendenöffnung passieren, sich durch den Rest des Systems ausbreiten und den Detektor erreichen. In optischen Begriffen definiert die Blende die Eintrittspupille des Systems und somit dessen numerische Apertur.

Wenn die Blende derzeit geschlossen ist, sodass kein Licht durchscheinen kann, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf das Blendenobjekt und wählen Sie „Gitter-Editor“ (??). Dadurch wird der in der Abbildung gezeigte Gitter-Editor für die Blende geöffnet. In diesem Editor steuert der Parameter d0 den Durchmesser der freien Öffnung. Durch Erhöhen von d0 wird die Öffnung vergrößert, sodass mehr Lichtstrahlen durchtreten können; durch Verringern wird die Öffnung verkleinert. Als praktischer Ausgangspunkt können Sie d0 auf einen Wert von etwa 0.035 oder knapp unter den Wert von d1 einstellen, der den äußeren Radius der quadratischen Blendenöffnung definiert.

2. Vergleichen Sie die paraxialen, primären und marginalen Strahlenbündel.

Die schnellste Methode, um die Eigenschaften einer Linse zu „analysieren“, besteht darin, zu vergleichen, wie sich Licht verhält, wenn es durch die Mitte der Linse (ein Strahlenbündel nahe der optischen Achse) hindurchgeht, und wie es sich verhält, wenn es in der Nähe des Randes der Linse in das System eintritt. In der Optik vergleichen wir das paraxiale Verhalten (oder das Verhalten des Hauptstrahls) mit einem Strahlenbündel am Rand der Pupille (oder dem Verhalten des Randstrahls). Im Allgemeinen sind Strahlen, die nahe der Mitte der Linse (nahe der optischen Achse) verlaufen, weniger verzerrt als Strahlen, die durch den Rand der Linse eintreten. Dies liegt daran, dass Strahlen, die in der Nähe des Randes der Linse eintreten, stärker abgelenkt werden müssen, um sie auf die optische Achse zu bringen. Sie führen zwei Simulationen durch, die sich nur darin unterscheiden, wo der Strahl in die Vorderseite der Linse eintritt. Beginnen Sie mit dem Referenzfall, bei dem der Strahl auf der optischen Achse verläuft: platzieren Sie den Strahl in der Mitte des Simulationsfensters und starten Sie die Simulation. Das Licht sollte das System sauber durchqueren und ein kompaktes Bild auf dem Detektor erzeugen (??). In der klassischen Optik repräsentiert dieses Strahlenbündel in der Nähe der optischen Achse das Verhalten des Hauptstrahls (paraxiales Verhalten).

Als Nächstes verschieben Sie die Quelle so, dass der Strahl in der Nähe des Randes des ersten Elements eintritt, ohne die Richtung des Strahls zu verändern. Dies wird als Randfall bezeichnet, bei dem die Strahlen in der Nähe des Randes der Pupille eintreten. In diesem Tutorial verwenden Sie zwei Ansichten desselben Konzepts: eine Seitenansicht (??) und eine Draufsicht (??).

Diese Randstrahlen durchlaufen die Nähe des Pupillenrands (weit entfernt von der Mitte der optischen Achse) und erfassen daher die am stärksten von Aberrationen betroffenen Bereiche der Optik. Hier geht es nicht darum, ein perfektes Ergebnis im Sinne eines Lehrbuchs zu erzielen – es geht lediglich darum, das Modell dazu zu bringen, Ihnen zu zeigen, wie sich verschiedene Strahlengruppen verhalten. Öffnen Sie nach jeder Ausführung detector0/RAY_image.csv und vergleichen Sie die Ergebnisse. Der zentrale Strahlengang sollte in der Regel kompakt und symmetrisch erscheinen, während an den Randstrahlen typischerweise zuerst Asymmetrie, Unschärfe und Abschneidungen auftreten.

3. Überprüfen Sie, ob es zu Bildausschnitten oder Vignettierungen kommt, indem Sie das Bild visuell beurteilen.

Wenn die Blende geschlossen wird, um ein schärferes, punktförmigeres Bild zu erhalten, kann ein häufiges Nebenprodukt eine reduzierte Helligkeit am Bildrand sein. Dies wird als Vignettierung bezeichnet, ein Beispiel ist in (??) zu sehen. Clipping bezieht sich auf den Fall, in dem Lichtstrahlen physisch durch eine Blende oder den Rand einer Linse blockiert werden und das Detektor nicht erreichen. Beide Effekte lassen sich am einfachsten erkennen, wenn man den Lichtstrahlen einen kleinen Einfallswinkel zuweist. In OghmaNano geschieht dies in der Regel mithilfe eines Rotationsparameters wie „Rotate Phi“ im Editor für die Lichtquelle. Um die Lichtquelle zu bearbeiten, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Lichtquelle und wählen Sie „Objekt bearbeiten“ (??). Dadurch wird der Editor für die Lichtquelle geöffnet, in dem Sie „Rotate Phi“ einstellen können (z. B. auf 8°) (??).

Nachdem Sie „Rotate Phi“ eingestellt haben, platzieren Sie den geneigten Strahl in der Mitte der Linsenreihe und führen den Vorgang erneut aus (??). Sie sollten nun sehen, wie sich der Strahl mit einer kontrollierten Neigung durch das System ausbreitet, was es deutlich einfacher macht, zu erkennen, wo Strahlen abgelenkt werden.

Für die nächste Simulation deaktivieren Sie die Darstellung der Linsen als Vollkörper, damit Sie die Lichtstrahlen innerhalb des Glases sehen können. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf eine Linse, wählen Sie im Menü „Ansicht“ und deaktivieren Sie die Option „Vollkörperdarstellung anzeigen“ (??). Führen Sie die Simulation dann erneut aus (oder untersuchen Sie einfach die vorhandenen Lichtstrahlen) und beobachten Sie, wie der Lichtstrahl auf jeder Oberfläche abgelenkt wird (??).

Wiederholen Sie nun die gleiche Prüfung für eine Anordnung am Rand der Pupille (wie in Abschnitt 2), wobei Sie jedoch denselben Bildwinkel beibehalten. Bei dieser Kombination (Bildwinkel + Randstrahlen) tritt die Vignettierung zuerst auf. Wenn Strahlen verschwinden, besteht Ihre Aufgabe darin, zu ermitteln, wo sie blockiert werden: an der Blende selbst, an einem mechanischen Gehäuse oder an einer begrenzten Öffnung eines Linsenelements.