Οδηγός για φακό 200 mm (Μέρος Α): Φόρτωση, έλεγχος και εκτέλεση μιας βασικής προσομοίωσης ακτίνων.

1. Εισαγωγή

Ένας σταθερός φακός είναι ένας φακός με σταθερή εστιακή απόσταση, σε αντίθεση με έναν φακό ζουμ, του οποίου η εστιακή απόσταση μεταβάλλεται συνεχώς (βλ. ??). Οι σταθεροί φακοί χρησιμοποιούνται ευρέως στη φωτογραφία και στα συστήματα απεικόνισης, επειδή ο σχεδιασμός μπορεί να βελτιστοποιηθεί για μια συγκεκριμένη εστιακή απόσταση: σε σύγκριση με έναν φακό ζουμ με παρόμοιες προδιαγραφές, ένας σταθερός φακός είναι συχνά οπτικά απλούστερος, συνήθως υποστηρίζει ένα ευρύτερο εύρος διαφράγματος και μπορεί να προσφέρει καλύτερη απόδοση εκτός του άξονα για το ίδιο μέγεθος και κόστος. Σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, χρησιμοποιούμε έναν σταθερό φακό 200 mm ως άσκηση «ανάγνωσης των ακτίνων» με έμφαση στη γεωμετρία: ο στόχος δεν είναι μια συνάρτηση αξιολόγησης, αλλά να μάθουμε πώς να εντοπίζουμε γρήγορα λανθασμένες θέσεις διαφραγμάτων, ακούσιες περικοπές και λανθασμένα τοποθετημένα επίπεδα ανιχνευτή.

Σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, χρησιμοποιούμε έναν φακό σταθερής εστιακής απόστασης 200 mm για να δείξουμε πώς να εξετάσουμε έναν πολυεστιακό φωτογραφικό φακό σε 3D, να εκτελέσουμε μια βασική προσομοίωση ακτίνων και να ερμηνεύσουμε ποιοτικά τα αποτελέσματα. Ο αρχικός φακός περιγράφεται στην αμερικανική πατέντα (US Patent 3,942,876 – Telephoto Lens). Ο στόχος δεν είναι να «αξιολογήσουμε» τον φακό με μια συνάρτηση αξιολόγησης, αλλά να μάθουμε πώς να διαβάζουμε τη γεωμετρία και τις διαδρομές των ακτίνων, ώστε να μπορούμε να εντοπίσουμε γρήγορα προβλήματα όπως περικοπές, λάθος τοποθέτηση του διαφράγματος και ευαισθησία εκτός άξονα.

Η διαδικασία που ακολουθείται σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα αντικατοπτρίζει τις τυπικές πρακτικές στον επαγγελματικό τομέα του οπτικού σχεδιασμού: πριν από οποιαδήποτε βελτιστοποίηση ή εισαγωγή ποσοτικών μετρικών, ένα οπτικό μοντέλο επικυρώνεται πρώτα γεωμετρικά, ελέγχοντας τις διαδρομές των ακτίνων, τη θέση του διαφράγματος και τη συμπεριφορά του ανιχνευτή. Εάν ένα μοντέλο αποτύχει σε αυτούς τους ελέγχους, οι αριθμητικές μετρήσεις δεν έχουν νόημα.

2. Φόρτωση του δείγματος φακού 200 mm.

Από το κύριο παράθυρο, κάντε κλικ στην επιλογή "Νέα προσομοίωση". Αυτό ανοίγει τη βιβλιοθήκη προσομοιώσεων (??). Κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Ray tracing" για να εισέλθετε στα παραδείγματα οπτικής (??), στη συνέχεια επιλέξτε τον φακό "Prime 200mm" (ή "200mm prime lens") και επιλέξτε έναν φάκελο εργασίας (για παράδειγμα, τον προσωπικό σας φάκελο).

3. Προσανατολισμός στην τρισδιάστατη σκηνή, εκτέλεση μιας βασικής ακτινογραφικής προβολής.

Μετά τη φόρτωση, το Οπτικό Εργαστήριο θα πρέπει να ανοίξει σε μια προβολή παρόμοια με την ??. Ο οπτικός άξονας εκτείνεται από αριστερά προς τα δεξιά. Στα αριστερά θα πρέπει να βλέπετε μία ή περισσότερες πηγές φωτός (πράσινες), στη μέση τα στοιχεία του φακού (χρωματιστές γυάλινες επιφάνειες) και στα δεξιά μια επιφάνεια ανιχνευτή (ιώδης).

Για αυτόν τον σχεδιασμό, μπορείτε να σκεφτείτε ως εξής: έχουμε ένα «μπροστινό οπτικό σύστημα» και ένα «πίσω τμήμα» κοντά στον ανιχνευτή. Το βασικό σημείο για το Μέρος Α είναι απλώς να προσδιορίσετε (i) τα κύρια στοιχεία του φακού, (ii) το αντικείμενο του διαφράγματος/στοπ και (iii) το επίπεδο του ανιχνευτή. (Αν σας ενδιαφέρει: οι δημοσιευμένες τηλεφακές στις οποίες βασίζεται αυτή η επίδειξη χρησιμοποιούν ένα κινούμενο μπροστινό τμήμα και ένα πίσω διορθωτικό στοιχείο που είναι σταθερό σε σχέση με το επίπεδο της ταινίας/αισθητήρα.)

Χρησιμοποιήστε το ποντίκι για να εξερευνήσετε: σύρετε πάνω στο μαύρο φόντο για να περιστρέψετε την προβολή και να ελέγξετε την απόσταση μεταξύ των στοιχείων. Στόχος είναι να αποκτήσετε αυτοπεποίθηση στην οπτική εντόπιση του σημείου τερματισμού και του ανιχνευτή πριν ξεκινήσετε οποιαδήποτε λειτουργία.

Κάντε κλικ στην επιλογή "Εκτέλεση προσομοίωσης" (το μπλε τρίγωνο στην κύρια γραμμή εργαλείων). Όταν ολοκληρωθεί η εκτέλεση, θα πρέπει να δείτε τις ακτίνες να διαδίδονται από τις πηγές, μέσω ολόκληρης της στοίβας φακών και να φτάνουν στην επιφάνεια ανίχνευσης (δείτε ??).

4. Εντοπισμός και άνοιγμα των βασικών αρχείων εξόδου.

Μεταβείτε στην καρτέλα "Έξοδος". Θα πρέπει να δείτε έναν φάκελο ανιχνευτή (συνήθως detector0) και τις σχετικές εξόδους ιχνηλάτησης ακτίνων (παράδειγμα στο ??). Κάθε ανιχνευτής έχει τον δικό του φάκελο εξόδου: ανοίξτε το detector0 (εμφανίζεται με ένα εικονίδιο "κάμερα/CCD").

Αφού ανοίξετε το detector0, θα πρέπει να δείτε αρχεία, συμπεριλαμβανομένου του RAY_image.csv (δείτε παράδειγμα στο ??). Κάντε διπλό κλικ στο RAY_image.csv για να δείτε την εικόνα του ανιχνευτή. Σε μια πραγματική κάμερα, αυτό το επίπεδο ανιχνευτή αντιστοιχεί στο επίπεδο του αισθητήρα/φιλμ: δηλαδή, σε μια σύγχρονη ψηφιακή κάμερα, αυτή η εικόνα θα σχηματιζόταν σε έναν αισθητήρα CMOS/CCD που βρίσκεται σε αυτό το επίπεδο.

Ένας γρήγορος έλεγχος για να διασφαλιστεί η σωστή εστίαση (μετακινήστε το επίπεδο του ανιχνευτή).

Ο πιο γρήγορος τρόπος για να αναπτύξετε τη διαίσθησή σας είναι να μετακινείτε το επίπεδο του ανιχνευτή αντί να μετακινείτε τα στοιχεία του φακού. Εννοιολογικά, αυτό είναι σαν να μετακινείτε τον αισθητήρα προς τα εμπρός/προς τα πίσω σε σχέση με τον φακό και να παρατηρείτε πώς αλλάζει η θόλωση. Στόχος σας είναι να βρείτε τη θέση του ανιχνευτή που δίνει το μικρότερο σημείο στον ανιχνευτή (με οπτική επιθεώρηση).

Αρχικά, ενεργοποιήστε τις διαστάσεις στην οθόνη. Κάντε δεξί κλικ στο μαύρο φόντο, επιλέξτε "Προβολή" και ενεργοποιήστε την επιλογή "Εμφάνιση διαστάσεων" (δείτε ??). Τώρα θα πρέπει να βλέπετε τις θέσεις x/y/z των αντικειμένων και τα πάχη/μήκη (που εμφανίζονται ως dx κ.λπ.).

Τώρα, μετακινήστε το επίπεδο ανίχνευσης εμπρός και πίσω κατά μήκος του οπτικού άξονα και παρατηρήστε πώς αλλάζει η φωτεινή κηλίδα. Για μια σαφή επίδειξη, μετακινήστε το στα άκρα (ξεκάθαρα πολύ μπροστά, και μετά ξεκάθαρα πολύ πίσω), και στη συνέχεια αναζητήστε τη θέση όπου η φωτεινή κηλίδα είναι η μικρότερη. Μπορείτε είτε να εκτελέσετε ξανά την προσομοίωση μετά από κάθε αλλαγή, είτε (για μια γρήγορη ποιοτική αξιολόγηση) απλώς να παρατηρήσετε πώς μετατοπίζονται οι τομές των ακτίνων στο επίπεδο ανίχνευσης.

Είναι η «καλύτερη εστίαση» η θέση με το μικρότερο σημείο; Για αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα: ναι – θεωρήστε την ελάχιστη περιοχή ως την καλύτερη κατάσταση εστίασης. (Αργότερα, μετρικές όπως η μέση τετραγωνική ακτίνα του σημείου διατυπώνουν ακριβώς αυτή την ιδέα, αλλά δεν χρειάζεστε αυτές για να μάθετε τη διαδικασία που δίνει προτεραιότητα στη γεωμετρία.)

Εάν θέλετε μια αριθμητική τιμή για την «απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και του τελευταίου στοιχείου», μπορείτε να την υπολογίσετε απευθείας από τη γεωμετρία που εμφανίζεται στην οθόνη: διαβάστε την συντεταγμένη x του τελευταίου στοιχείου του φακού (την αναφερόμενη θέση του), προσθέστε το πάχος του dx και, στη συνέχεια, αφαιρέστε από τη συντεταγμένη x του επιπέδου του ανιχνευτή. Αυτό δίνει μια κατά προσέγγιση απόσταση μεταξύ της οπίσθιας επιφάνειας του τελευταίου στοιχείου και του επιπέδου του ανιχνευτή. Επαναλάβετε αυτή τη διαδικασία στην οπτικά καλύτερη θέση εστίασης και καταγράψτε την τιμή.