Οδηγός για φακό σταθερής εστιακής απόστασης 200 mm (Μέρος Β): Ανατομία των ακτίνων φωτός και έλεγχος για σκοτεινές γωνίες στην εικόνα.

1. Εισαγωγή

Ένας φακός κάμερας ελέγχει την ποσότητα του φωτός που εισέρχεται στο οπτικό σύστημα χρησιμοποιώντας ένα διάφραγμα (επίσης γνωστό ως στοπ διαφράγματος), μια μεταβλητή οπή που σχηματίζεται από μεταλλικές λεπίδες που αλληλεπικαλύπτονται. Στο σχήμα (??) φαίνεται ένα διάφραγμα φωτογραφικού τύπου σε διάφορες ρυθμίσεις, από πλήρως ανοιχτό έως σχεδόν κλειστό. Καθώς το διάφραγμα κλείνει, η οπή γίνεται μικρότερη και το σχήμα της καθορίζεται όλο και περισσότερο από τη γεωμετρία των λεπίδων. Αυτό επηρεάζει άμεσα ποιες ακτίνες φωτός επιτρέπεται να περάσουν μέσα από τον φακό και να φτάσουν στον ανιχνευτή.

Ανοίγοντας πλήρως το διάφραγμα, επιτρέπεται η είσοδος περισσότερου φωτός στο οπτικό σύστημα, με αποτέλεσμα μια πιο φωτεινή εικόνα. Ωστόσο, σε αυτή τη ρύθμιση, πολλές ακτίνες φωτός περνούν από τις εξωτερικές περιοχές του φακού, όπου οι εκτροπές είναι συνήθως πιο έντονες, οδηγώντας σε αυξημένη παραμόρφωση και μειωμένη ευκρίνεια. Κλείνοντας το διάφραγμα, περιορίζονται οι ακτίνες φωτός στο κεντρικό τμήμα του φακού, το οποίο συνήθως παράγει μια πιο ευκρινή εικόνα, αλλά με κόστος τη μειωμένη φωτεινότητα. Στην πράξη, αυτό δημιουργεί μια ισορροπία μεταξύ μιας φωτεινής εικόνας με χαμηλότερη ευκρίνεια και μιας πιο σκοτεινής εικόνας με βελτιωμένη καθαρότητα.

Σε αυτό το τμήμα, δημιουργούμε μια πρακτική προ-μετρική διαδικασία, χρησιμοποιώντας μόνο τις τρισδιάστατες διαδρομές των ακτίνων και την εικόνα του ανιχνευτή, για να απαντήσουμε οπτικά σε τρεις ερωτήσεις: (i) πού βρίσκεται το στοπ και ποιες ακτίνες επιτρέπει να περάσουν, (ii) πώς οι παραξιακές (κεντρικές) ακτίνες διαφέρουν από τις περιφερειακές ακτίνες και (iii) εάν υπάρχει περικοπή ή σκίαση που θα επηρεάσει την απόδοση εκτός του άξονα.

2. Εντοπίστε τη στάση και βεβαιωθείτε ότι είναι ανοιχτή.

Στην τρισδιάστατη προβολή, εντοπίστε το στοιχείο διαφράγματος/απόκλισης (συνήθως μια πλάκα με μια κυκλική οπή). Περιστρέψτε την σκηνή ώστε να μπορείτε να δείτε τις ακτίνες να πλησιάζουν και να περνούν μέσα από το διάφραγμα (??). Αυτό το διάφραγμα είναι το πιο κατάλληλο σημείο για να κατανοήσετε πόσο φως μπορεί να διοχετεύσει ο φακός στην εικόνα. Αν και όλα τα οπτικά στοιχεία πριν από το διάφραγμα είναι φωτισμένα, μόνο οι ακτίνες που περνούν μέσα από το διάφραγμα επιτρέπεται να διαδοθούν στο υπόλοιπο του συστήματος και να φτάσουν στον ανιχνευτή. Όσον αφορά την οπτική, το διάφραγμα ορίζει την είσοδο της κόρης του συστήματος και, κατά συνέπεια, το αριθμητικό άνοιγμα.

Εάν το στοιχείο διακοπής είναι κλειστό και δεν επιτρέπει τη διέλευση φωτός, κάντε δεξί κλικ στο στοιχείο διακοπής και επιλέξτε τον επεξεργαστή πλέγματος (??). Αυτό θα ανοίξει τον επεξεργαστή πλέγματος διαφράγματος που φαίνεται στην εικόνα. Σε αυτόν τον επεξεργαστή, η παράμετρος d0 ελέγχει τη διάμετρο του ανοίγματος. Η αύξηση της τιμής d0 διευρύνει την οπή και επιτρέπει τη διέλευση περισσότερων ακτίνων, ενώ η μείωσή της περιορίζει το σύστημα. Ως πρακτικό σημείο εκκίνησης, ορίστε την τιμή d0 σε περίπου 0.035 ή λίγο κάτω από την τιμή d1, η οποία ορίζει την εξωτερική ακτίνα του τετράγωνου ανοίγματος.

2. Συγκρίνετε τις παραξιακές, τις κεντρικές και τις περιφερειακές δέσμες ακτίνων.

Ο πιο γρήγορος τρόπος για να «αναλύσουμε» έναν φακό είναι να συγκρίνουμε πώς συμπεριφέρεται το φως όταν περνά από το κέντρο του φακού (μια δέσμη κοντά στον άξονα) με το πώς συμπεριφέρεται όταν εισέρχεται στο σύστημα κοντά στην άκρη του φακού. Στην οπτική, συγκρίνουμε τη συμπεριφορά των ακτίνων κοντά στον άξονα (ή την κύρια ακτίνα) με τη συμπεριφορά μιας δέσμης στην άκρη της κόρης (ή την περιφερειακή ακτίνα). Γενικά, οι ακτίνες που περνούν κοντά στο κέντρο του φακού (κοντά στον οπτικό άξονα) παραμορφώνονται λιγότερο από τις ακτίνες που εισέρχονται από την άκρη του φακού. Αυτό συμβαίνει επειδή οι ακτίνες που εισέρχονται κοντά στην άκρη του φακού πρέπει να εκτραπούν περισσότερο για να συγκλίνουν στον οπτικό άξονα. Θα εκτελέσετε δύο προσομοιώσεις που διαφέρουν μόνο στο σημείο όπου η δέσμη εισέρχεται στην πρόσοψη του φακού. Ξεκινήστε με την βασική περίπτωση, όπου η δέσμη βρίσκεται στον άξονα: τοποθετήστε τη δέσμη στο κέντρο του παραθύρου προσομοίωσης και κάντε κλικ στην εκτέλεση. Το φως θα πρέπει να περνά καθαρά μέσα από το σύστημα και να σχηματίζει ένα συμπαγές αποτύπωμα στον ανιχνευτή (??). Στην κλασική οπτική, αυτή η δέσμη κοντά στον άξονα αντιπροσωπεύει τη συμπεριφορά της κύριας ακτίνας (παραξιακή συμπεριφορά).

Στη συνέχεια, μετατοπίστε την πηγή έτσι ώστε η δέσμη να εισέρχεται κοντά στην άκρη του πρώτου στοιχείου, χωρίς να αλλάξετε την κατεύθυνση της δέσμης. Αυτό ονομάζεται περιθωριακή περίπτωση, όπου οι ακτίνες εισέρχονται κοντά στην άκρη της κόρης. Σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, χρησιμοποιείτε δύο όψεις της ίδιας ιδέας: μια πλευρική όψη (??) και μια οπτική όψη από πάνω (??).

Αυτές οι περιφερειακές ακτίνες περνούν κοντά στην άκρη της κόρης του ματιού (μακριά από το κέντρο του οπτικού άξονα) και, επομένως, ανιχνεύουν τις περιοχές της οπτικής διάταξης όπου οι αμυχές είναι πιο έντονες. Δεν προσπαθείτε να επιτύχετε την απόλυτη ακρίβεια που θα βλέπατε σε ένα εγχειρίδιο – απλώς αναγκάζετε το μοντέλο να σας δείξει πώς συμπεριφέρονται διαφορετικές ομάδες ακτίνων. Μετά από κάθε εκτέλεση, ανοίξτε το detector0/RAY_image.csv και συγκρίνετε τα διαγράμματα. Η κεντρική δέσμη (η κύρια ακτίνα) θα πρέπει συνήθως να εμφανίζεται συμπαγής και συμμετρική, ενώ οι περιφερειακές ακτίνες είναι αυτές στις οποίες συνήθως εμφανίζονται πρώτα η ασυμμετρία, η θόλωση και η περικοπή.

3. Εντοπίστε οπτικά τα φαινόμενα της υπερβολικής φωτεινότητας και της σκοτεινής περιφέρειας.

Όταν το διάφραγμα κλείνει για να επιτευχθεί μια πιο ευκρινής, πιο σημειακή εικόνα, ένα συνηθισμένο υποπροϊόν είναι η μείωση του φωτός γύρω από τις άκρες της εικόνας, το οποίο ονομάζεται σκίαση (vignetting) και ένα παράδειγμα μπορεί να φανεί στο (??). Η περικοπή αναφέρεται στην περίπτωση όπου οι ακτίνες εμποδίζονται φυσικά από ένα διάφραγμα ή την άκρη του φακού και δεν φτάνουν στον ανιχνευτή. Και τα δύο αυτά φαινόμενα είναι ευκολότερο να αποκαλυφθούν όταν δίνετε στις ακτίνες μια μικρή γωνία πεδίου. Στο OghmaNano, αυτό γίνεται συνήθως χρησιμοποιώντας μια παράμετρο περιστροφής, όπως η "Περιστροφή Φι" στον επεξεργαστή της πηγής φωτός. Για να επεξεργαστείτε την πηγή φωτός, κάντε δεξί κλικ στην πηγή φωτός και επιλέξτε "Επεξεργασία αντικειμένου" (??). Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή της πηγής φωτός, όπου μπορείτε να ορίσετε την "Περιστροφή Φι" (για παράδειγμα, σε 8°) (??).

Αφού ρυθμίσετε την παράμετρο Rotate Phi, τοποθετήστε την κεκλιμένη δέσμη στο κέντρο της στοίβας φακών και εκτελέστε ξανά την προσομοίωση (??). Τώρα θα πρέπει να δείτε τη δέσμη να διαδίδεται μέσα στο σύστημα με ελεγχόμενη κλίση, γεγονός που καθιστά πολύ ευκολότερο τον εντοπισμό των σημείων όπου οι ακτίνες απορρίπτονται.

Για την επόμενη εκτέλεση, απενεργοποιήστε την εμφάνιση των φακών ως συμπαγή αντικείμενα, ώστε να μπορείτε να δείτε τις διαδρομές των ακτίνων μέσα στο γυαλί. Κάντε δεξί κλικ σε έναν φακό, μεταβείτε στην ενότητα "Προβολή" και αποεπιλέξτε την επιλογή "Εμφάνιση συμπαγούς αντικειμένου" (??). Στη συνέχεια, εκτελέστε ξανά την προσομοίωση (ή απλώς επιθεωρήστε τις υπάρχουσες ακτίνες) και μελετήστε πώς η δέσμη κατευθύνεται επιφάνεια προς επιφάνεια (??).

Τώρα, επαναλάβετε την ίδια διαδικασία ελέγχου για μια θέση στην άκρη της κόρης του ματιού (όπως στην Ενότητα 2), αλλά διατηρήστε την ίδια γωνία οπτικού πεδίου. Αυτός ο συνδυασμός (γωνία οπτικού πεδίου + περιφερειακές ακτίνες) είναι όπου εμφανίζεται πρώτα η σκίαση. Εάν οι ακτίνες εξαφανιστούν, η εργασία σας είναι να προσδιορίσετε πού απορρίπτονται: στο ίδιο το διάφραγμα, σε ένα μηχανικό σώμα ή στο όριο της διαφανούς επιφάνειας ενός στοιχείου φακού.