Tutoriel sur l’objectif à focale fixe de 200 mm (partie B) : anatomie des rayons lumineux et vérification de la présence de vignetage.

1. Introduction

L’objectif d’un appareil photo contrôle la quantité de lumière qui pénètre dans le système optique grâce à une ouverture (appelée également diaphragme), qui est une ouverture variable formée par des lames métalliques qui se chevauchent. La figure ?? montre un diaphragme de type photographique à différents réglages, allant de l’ouverture maximale à la fermeture presque complète. Lorsque le diaphragme se ferme, l’ouverture diminue et sa forme est de plus en plus déterminée par la géométrie des lames. Cela affecte directement les rayons de lumière qui sont autorisés à traverser l’objectif et à atteindre le détecteur.

Ouvrir largement l’ouverture permet à davantage de lumière de pénétrer dans le système optique, ce qui produit une image plus lumineuse. Cependant, dans cette configuration, de nombreux rayons traversent les régions périphériques de l’objectif, où les aberrations sont généralement les plus fortes, ce qui entraîne une distorsion accrue et une netteté réduite. En réduisant l’ouverture, on limite les rayons à la partie centrale de l’objectif, ce qui produit généralement une image plus nette, mais au prix d’une luminosité réduite. En pratique, cela crée un compromis entre une image lumineuse mais moins nette et une image plus sombre mais plus précise.

Dans cette partie, nous mettons en place un processus pratique de pré-analyse métrique, en utilisant uniquement les rayons 3D et l’image du détecteur, afin de répondre visuellement à trois questions : (i) où se trouve le diaphragme et quels rayons il laisse passer, (ii) en quoi les rayons paraxiaux (principaux) diffèrent-ils des rayons marginaux, et (iii) la présence d’un effet de recadrage ou de vignettage qui pourrait affecter les performances en dehors de l’axe.

2. Localisez l’arrêt et vérifiez qu’il est ouvert.

Dans la vue 3D, localisez l’objet diaphragme/ouverture (généralement une plaque dotée d’une ouverture circulaire). Faites pivoter la scène afin de pouvoir observer les rayons qui s’approchent et traversent le diaphragme (??). Ce diaphragme est l’endroit idéal pour comprendre la quantité de lumière que l’objectif peut réellement transmettre à l’image. Bien que tous les éléments optiques situés avant le diaphragme soient éclairés, seuls les rayons qui traversent l’ouverture du diaphragme sont autorisés à se propager dans le reste du système et à atteindre le détecteur. En termes optiques, le diaphragme définit la pupille d’entrée du système et, par conséquent, son ouverture numérique.

Si l’ouverture est actuellement fermée, de sorte qu’aucun rayon lumineux ne puisse la traverser, faites un clic droit sur l’objet représentant l’ouverture et sélectionnez « Éditeur de maillage » (??). Cela ouvre l’éditeur de maillage de l’ouverture, comme illustré dans la figure. Dans cet éditeur, le paramètre d0 contrôle le diamètre de l’ouverture. L’augmentation de d0 élargit l’ouverture et permet à davantage de rayons de la traverser ; sa diminution réduit l’ouverture. Pour commencer, réglez d0 sur une valeur d’environ 0.035, ou juste en dessous de la valeur de d1, qui définit le rayon extérieur de l’ouverture carrée.

2. Comparez les faisceaux de rayons paraxiaux, principaux et marginaux.

La méthode la plus rapide pour « analyser » une lentille consiste à comparer le comportement de la lumière lorsqu’elle traverse le centre de la lentille (un faisceau proche de l’axe) et lorsqu’elle entre dans le système près du bord de la lentille. En termes d’optique, nous comparons le comportement paraxial (ou celui du rayon principal) à celui d’un faisceau situé au bord de la pupille (ou au bord de la lentille). En général, les rayons qui passent près du centre de la lentille (près de l’axe optique) sont moins déformés que ceux qui entrent par le bord de la lentille. Cela est dû au fait que les rayons qui entrent près du bord de la lentille doivent être davantage déviés pour être ramenés vers l’axe optique. Vous effectuerez deux simulations qui ne diffèrent que par le point d’entrée du faisceau à l’avant de la lentille. Commencez par le cas de référence, où le faisceau est placé sur l’axe : placez le faisceau au centre de la fenêtre de simulation et cliquez sur « exécuter ». La lumière doit traverser le système sans problème et former une image nette sur le détecteur (??). En termes d’optique classique, ce faisceau proche de l’axe représente le comportement du rayon principal (paraxial).

Ensuite, déplacez la source de manière à ce que le faisceau entre près du bord du premier élément, sans modifier la direction du faisceau. On appelle cela le cas marginal, où les rayons entrent près du bord de la pupille. Dans ce tutoriel, vous utiliserez deux vues illustrant la même idée : une vue de côté (??) et une vue de dessus (??).

Ces rayons périphériques passent près du bord de la pupille (loin du centre de l’axe optique) et échantillonnent donc les zones de l’optique qui présentent les aberrations les plus marquées. L’objectif n’est pas ici d’obtenir une perfection théorique, mais simplement de forcer le modèle à vous montrer comment différents faisceaux de rayons se comportent. Après chaque simulation, ouvrez detector0/RAY_image.csv et comparez les résultats. Le faisceau central (faisceau principal) doit généralement apparaître compact et symétrique, tandis que les rayons périphériques sont ceux où l’asymétrie, le flou et les effets de bord se manifestent généralement en premier.

3. Détectez visuellement les problèmes de saturation et de vignetage.

Lorsque l’ouverture est fermée pour obtenir une image plus nette et plus précise, un effet secondaire courant est une réduction de la luminosité sur les bords de l’image, ce qui est appelé un vignetage, comme on peut le voir dans l’exemple (??). Le terme « écrêtage » désigne le cas où les rayons sont physiquement bloqués par une ouverture ou le bord d’une lentille et ne parviennent pas au détecteur. Il est plus facile de mettre en évidence ces deux effets lorsque vous donnez aux rayons un petit angle de champ. Dans OghmaNano, cela se fait généralement à l’aide d’un paramètre de rotation, tel que « Rotate Phi » dans l’éditeur de source lumineuse. Pour modifier la source lumineuse, faites un clic droit sur celle-ci et sélectionnez « Modifier l’objet » (??). Cela ouvre l’éditeur de source lumineuse, où vous pouvez définir « Rotate Phi » (par exemple, à 8°) (??).

Une fois le paramètre Rotate Phi défini, placez le faisceau incliné au centre de l’ensemble des lentilles et relancez la simulation (??). Vous devriez maintenant voir le faisceau se propager dans le système avec une inclinaison contrôlée, ce qui facilite grandement l’identification des points où les rayons sont déviés.

Pour la prochaine simulation, désactivez l’affichage des lentilles en mode solide afin de pouvoir visualiser les rayons lumineux à l’intérieur du verre. Faites un clic droit sur une lentille, allez dans le menu Affichage et désélectionnez l’option Afficher en mode solide (??). Relancez ensuite la simulation (ou examinez simplement les rayons existants) et étudiez la manière dont le faisceau est dirigé de surface en surface (??).

Maintenant, répétez la même inspection pour un positionnement sur le bord de la pupille (comme indiqué dans la section 2), mais conservez le même angle de champ. Cette combinaison (angle de champ + rayons marginaux) est celle où l’effet de vignettage se manifeste en premier. Si les rayons disparaissent, votre tâche consiste à déterminer où ils sont bloqués : au niveau du diaphragme, dans un élément mécanique ou en raison d’une limite d’ouverture d’un élément de lentille.