Tutorial de objetivo fijo de 200 mm (Parte B): Anatomía de rayos y comprobaciones de viñeteado

1. Introducción

Un objetivo de cámara controla cuánta luz entra en el sistema óptico usando una apertura (también llamada diafragma de apertura), una abertura variable formada por palas metálicas superpuestas. La Figura (??) muestra una apertura de estilo fotográfico en varios ajustes, desde completamente abierta hasta casi cerrada. A medida que la apertura se cierra, la abertura se hace más pequeña y su forma queda cada vez más definida por la geometría de las palas. Esto afecta directamente a qué rayos pueden atravesar el objetivo y alcanzar el detector.

Abrir mucho la apertura permite que entre más luz en el sistema óptico, produciendo una imagen más brillante. Sin embargo, en esta configuración muchos rayos atraviesan las regiones exteriores del objetivo, donde las aberraciones suelen ser más fuertes, lo que conduce a una mayor distorsión y a una menor nitidez. Cerrar el diafragma restringe los rayos a la parte central del objetivo, lo que generalmente produce una imagen más nítida, pero a costa de una menor luminosidad. En la práctica, esto crea un compromiso entre una imagen brillante con menor nitidez y una imagen más oscura con mayor claridad.

En esta parte construimos un flujo de trabajo práctico pre-métrico, usando solo las trayectorias de rayos 3D y la imagen del detector, para responder visualmente a tres preguntas: (i) dónde está el diafragma y qué rayos admite, (ii) en qué se diferencian los rayos paraxiales (principales) de los rayos marginales, y (iii) si hay recorte o viñeteado que comprometa el rendimiento fuera de eje.

2. Encuentre el diafragma y confirme que está abierto

En la vista 3D, localice el objeto diafragma/apertura (normalmente una placa con una abertura circular). Rote la escena para poder ver los rayos acercándose y atravesando el diafragma (??). Este diafragma es el lugar más rápido para comprender cuánta luz puede entregar realmente el objetivo a la imagen. Aunque todos los elementos ópticos antes del diafragma están iluminados, solo los rayos que pasan a través del diafragma de apertura pueden propagarse por el resto del sistema y alcanzar el detector. En términos ópticos, el diafragma define la pupila de entrada del sistema y, por tanto, su apertura numérica.

Si el diafragma está actualmente cerrado de forma que no puede pasar luz, haga clic con el botón derecho sobre el objeto diafragma y seleccione Mesh editor (??). Esto abre el editor de malla de la apertura mostrado en la figura. En este editor, el parámetro d0 controla el diámetro de la abertura libre. Aumentar d0 agranda el orificio y permite que pasen más rayos; disminuirlo cierra el sistema. Como punto de partida práctico, establezca d0 en un valor de aproximadamente 0.035, o justo por debajo del valor de d1, que define el radio exterior de la apertura cuadrada.

2. Compare haces paraxiales, principales y marginales

La forma más rápida de "leer" un objetivo es comparar cómo se comporta la luz al atravesar el centro del objetivo (un haz cercano al eje) con cómo se comporta la luz cuando entra en el sistema cerca del borde del objetivo. En lenguaje óptico estamos comparando el comportamiento paraxial (o del rayo principal) frente a un haz en el borde de la pupila (o comportamiento de rayos marginales). En general, los rayos que pasan cerca del centro del objetivo (cerca del eje óptico) están menos distorsionados que los rayos que entran por el borde de la lente. Esto se debe a que los rayos que entran cerca del borde de la lente tienen que curvarse más para llevarlos al eje óptico. Hará dos ejecuciones que solo difieren en el lugar donde el haz entra por la parte frontal del objetivo. Empiece con el caso base en eje: coloque el haz en el centro de la ventana de simulación y pulse ejecutar. La luz debería atravesar limpiamente el sistema y formar una huella compacta en el detector (??). En el lenguaje de la óptica clásica, este haz cercano al eje representa el comportamiento de rayo principal (paraxial).

A continuación, traslade la fuente para que el haz entre cerca del borde del primer elemento, sin cambiar la dirección del haz. Este es el caso marginal, donde los rayos entran cerca del borde de la pupila. En este tutorial, usa dos vistas de la misma idea: una vista lateral (??) y una vista superior (??).

Estos rayos marginales pasan cerca del borde de la pupila (lejos del centro del eje óptico) y por tanto muestrean las regiones más fuertemente aberradas de la óptica. Aquí no está intentando ser perfecto desde el punto de vista de un libro de texto - simplemente está forzando al modelo a mostrarle cómo se comportan diferentes familias de rayos. Después de cada ejecución, abra detector0/RAY_image.csv y compare las huellas. El haz central (de rayo principal) debería aparecer típicamente compacto y simétrico, mientras que los rayos marginales son donde la asimetría, el barrido y el recorte suelen aparecer primero.

3. Diagnostique recorte y viñeteado a simple vista

Cuando la apertura se cierra para obtener una imagen más nítida y más puntual, un subproducto común puede ser una reducción de luz alrededor de los bordes de la imagen, esto se llama Viñeteado y puede verse un ejemplo en (??). Recorte se refiere al caso en que los rayos quedan físicamente bloqueados por una apertura o por el borde de una lente y no consiguen llegar al detector. Ambos efectos se revelan con más facilidad cuando se da a los rayos un pequeño ángulo de campo. En OghmaNano esto suele hacerse usando un parámetro de rotación como Rotate Phi en el editor de la fuente de luz. Para editar la fuente de luz, haga clic con el botón derecho sobre la fuente y seleccione Edit object (??). Esto abre el editor de la fuente de luz donde puede ajustar Rotate Phi (por ejemplo a 8°) (??).

Con Rotate Phi ajustado, coloque el haz inclinado en el centro del conjunto de lentes y ejecute de nuevo (??). Ahora debería ver el haz propagarse a través del sistema con una inclinación controlada, lo que facilita mucho detectar dónde están siendo rechazados los rayos.

Para la siguiente ejecución, desactive el renderizado sólido de las lentes para poder ver las trayectorias de los rayos dentro del vidrio. Haga clic con el botón derecho sobre una lente, vaya a View y desmarque Show solid (