آموزش لنز پرایم 200 mm (بخش B): کالبدشناسی پرتو و بررسی‌های Vignetting

1. مقدمه

یک لنز دوربین با استفاده از یک دیافراگم (که aperture stop نیز نامیده می‌شود)، یعنی یک گشودگی متغیر که از تیغه‌های فلزی هم‌پوشان تشکیل شده است، کنترل می‌کند چه مقدار نور وارد سامانه اپتیکی شود. شکل (??) یک دیافراگم سبک عکاسی را در چند تنظیم، از کاملاً باز تا تقریباً بسته، نشان می‌دهد. هرچه دیافراگم بسته‌تر می‌شود، گشودگی کوچک‌تر می‌شود و شکل آن بیشتر توسط هندسه تیغه‌ها تعریف می‌شود. این موضوع مستقیماً بر پرتوهایی که مجازند از لنز عبور کنند و به آشکارساز برسند اثر می‌گذارد.

باز کردن زیاد دیافراگم اجازه می‌دهد نور بیشتری وارد سامانه اپتیکی شود و در نتیجه تصویری روشن‌تر تولید شود. اما در این پیکربندی، بسیاری از پرتوها از نواحی بیرونی لنز عبور می‌کنند، جایی که ابیراهی‌ها معمولاً بیشترین مقدار را دارند، و این به اعوجاج بیشتر و کاهش وضوح می‌انجامد. بستن دیافراگم، پرتوها را به بخش مرکزی لنز محدود می‌کند، که عموماً تصویری شارپ‌تر تولید می‌کند، اما به قیمت کاهش روشنایی. در عمل، این یک بده‌بستان بین یک تصویر روشن با وضوح کمتر و یک تصویر تیره‌تر با شفافیت بهتر ایجاد می‌کند.

در این بخش یک جریان کاری عملی پیشاسنجشی می‌سازیم که فقط با استفاده از مسیرهای پرتوی سه‌بعدی و تصویر آشکارساز، سه پرسش را با چشم پاسخ دهد: (i) استاپ کجاست و کدام پرتوها را می‌پذیرد، (ii) پرتوهای پاراکسیال (chief) چه تفاوتی با پرتوهای marginal دارند، و (iii) آیا clipping یا vignettingای وجود دارد که عملکرد خارج از محور را تخریب کند.

2. استاپ را پیدا کنید و تأیید کنید که باز است

در نمای سه‌بعدی، شیء استاپ/دیافراگم را پیدا کنید (معمولاً صفحه‌ای با یک گشودگی دایره‌ای). صحنه را بچرخانید تا بتوانید پرتوها را هنگام نزدیک شدن و عبور از استاپ ببینید (??). این استاپ سریع‌ترین جایی است که می‌توان فهمید لنز واقعاً چه مقدار نور می‌تواند به تصویر برساند. با وجود آنکه همه عناصر اپتیکی پیش از استاپ روشن می‌شوند، فقط پرتوهایی که از aperture stop عبور می‌کنند مجازند در بقیه سامانه انتشار یابند و به آشکارساز برسند. در اصطلاح اپتیکی، استاپ entrance pupil سامانه را تعریف می‌کند و بنابراین aperture عددی آن را تعیین می‌کند.

اگر استاپ اکنون بسته است و نوری نمی‌تواند از آن عبور کند، روی شیء استاپ کلیک راست کنید و Mesh editor را انتخاب کنید (??). این کار ویرایشگر مش دیافراگم نشان‌داده‌شده در شکل را باز می‌کند. در این ویرایشگر، پارامتر d0 قطر گشودگی شفاف را کنترل می‌کند. افزایش d0 سوراخ را بزرگ‌تر می‌کند و اجازه می‌دهد پرتوهای بیشتری عبور کنند؛ کاهش آن سامانه را stop down می‌کند. به‌عنوان یک نقطه شروع عملی، d0 را روی مقداری حدود 0.035 تنظیم کنید، یا کمی کمتر از مقدار d1 که شعاع بیرونی دیافراگم مربعی را تعریف می‌کند.

2. دسته‌پرتوهای پاراکسیال، chief، و marginal را مقایسه کنید

سریع‌ترین راه برای «خواندن» یک لنز این است که مقایسه کنید نور هنگام عبور از مرکز لنز (یک دسته نزدیک محور) چگونه رفتار می‌کند، در برابر حالتی که نور نزدیک لبه لنز وارد سامانه می‌شود. در زبان اپتیک، ما رفتار پاراکسیال (یا رفتار chief-ray) را با یک دسته لبه-مردمک (یا رفتار marginal-ray) مقایسه می‌کنیم. به‌طور کلی، پرتوهایی که نزدیک مرکز لنز (نزدیک محور اپتیکی) عبور می‌کنند کمتر از پرتوهایی که از لبه لنز وارد می‌شوند دچار اعوجاج می‌شوند. دلیل آن این است که پرتوهایی که نزدیک لبه لنز وارد می‌شوند باید بیشتر خم شوند تا روی محور اپتیکی آورده شوند. شما دو اجرا انجام خواهید داد که فقط در محل ورود پرتو به جلوی لنز تفاوت دارند. از حالت پایه روی محور شروع کنید: پرتو را در مرکز پنجره شبیه‌سازی قرار دهید و روی اجرا کلیک کنید. نور باید به‌طور تمیز از سامانه عبور کند و یک footprint فشرده روی آشکارساز تشکیل دهد (??). در زبان اپتیک کلاسیک، این دسته نزدیک محور نمایانگر رفتار chief-ray (پاراکسیال) است.

سپس، منبع را جابه‌جا کنید تا پرتو نزدیک لبه عنصر اول وارد شود، بدون آنکه جهت پرتو را تغییر دهید. این حالت marginal نامیده می‌شود، جایی که پرتوها نزدیک لبه مردمک وارد می‌شوند. در این آموزش، از دو نما برای یک ایده واحد استفاده می‌کنید: نمای جانبی (??) و نمای بالا (??).

این پرتوهای marginal نزدیک لبه مردمک (دور از مرکز محور اپتیکی) عبور می‌کنند و بنابراین بیشترین نواحی ابیراه اپتیک را نمونه‌برداری می‌کنند. در اینجا قصد ندارید از نظر کتاب‌درسی کاملاً بی‌نقص باشید - فقط مدل را وادار می‌کنید نشان دهد خانواده‌های مختلف پرتو چگونه رفتار می‌کنند. پس از هر اجرا، detector0/RAY_image.csv را باز کنید و footprintها را مقایسه کنید. دسته مرکزی (chief-ray) معمولاً باید فشرده و متقارن به نظر برسد، در حالی که پرتوهای marginal جایی هستند که عدم تقارن، smear، و clipping معمولاً نخستین بار ظاهر می‌شوند.

3. clipping و vignetting را با چشم تشخیص دهید

هنگامی که دیافراگم برای به‌دست‌آوردن تصویری شارپ‌تر و نقطه‌مانندتر بسته می‌شود، یک محصول جانبی رایج می‌تواند کاهش نور در اطراف لبه‌های تصویر باشد، به این حالت Vignetting گفته می‌شود و نمونه‌ای از آن را می‌توان در (??) دید. Clipping به حالتی اشاره دارد که پرتوها به‌صورت فیزیکی توسط دیافراگم یا لبه لنز مسدود می‌شوند و به آشکارساز نمی‌رسند. هر دو اثر زمانی آسان‌تر آشکار می‌شوند که به پرتوها یک زاویه میدان کوچک بدهید. در OghmaNano این کار معمولاً با استفاده از یک پارامتر چرخش مانند Rotate Phi در ویرایشگر منبع نور انجام می‌شود. برای ویرایش منبع نور، روی منبع نور کلیک راست کنید و Edit object را انتخاب کنید (??). این کار ویرایشگر منبع نور را باز می‌کند که در آن می‌توانید Rotate Phi را تنظیم کنید (برای مثال روی 8°) (??).

با تنظیم Rotate Phi، پرتو زاویه‌دار را در مرکز پشته لنز قرار دهید و دوباره اجرا کنید (??). اکنون باید ببینید که پرتو با یک tilt کنترل‌شده از سامانه انتشار می‌یابد، که تشخیص محل رد شدن پرتوها را بسیار آسان‌تر می‌کند.

برای اجرای بعدی، رندر جامد لنزها را خاموش کنید تا بتوانید مسیر پرتوها را درون شیشه ببینید. روی یک لنز کلیک راست کنید، به View بروید، و Show solid را غیرفعال کنید (??). سپس دوباره اجرا کنید (یا فقط پرتوهای موجود را بررسی کنید) و مطالعه کنید که دسته پرتو چگونه سطح‌به‌سطح هدایت می‌شود (??).

اکنون همین بررسی را برای یک جایگذاری لبه-مردمک (مانند بخش 2) تکرار کنید، اما همان زاویه میدان را حفظ کنید. این ترکیب (زاویه میدان + پرتوهای marginal) همان جایی است که vignetting نخست ظاهر می‌شود. اگر پرتوها ناپدید شدند، وظیفه شما این است که مشخص کنید کجا رد می‌شوند: خود استاپ، یک محفظه مکانیکی، یا محدودیت clear-aperture یک عنصر عدسی.