Guida all’obiettivo Cooke Triplet (Parte C): apertura, angolo di campo e il compromesso tra qualità e resa.Guida all’obiettivo Cooke Triplet (Parte C): apertura, angolo di campo e il compromesso tra qualità e resa.

1. Introduzione1. Introduzione

Il sistema Cooke Triplet è la classica configurazione di lenti a tre elementi: positivo-negativo-positivo (vedi la figura ??a). In passato, ha riscosso un notevole successo perché offre una correzione sorprendentemente efficace con soli tre elementi, in particolare per la fotografia monocromatica (o a banda stretta), e costituisce la base, o «scheletro», su cui si sono sviluppati molti obiettivi fotografici successivi.Il sistema Cooke Triplet è la classica configurazione di lenti a tre elementi: positivo-negativo-positivo (vedi la figura ??a). In passato, ha riscosso un notevole successo perché offre una correzione sorprendentemente efficace con soli tre elementi, in particolare per la fotografia monocromatica (o a banda stretta), e costituisce la base, o «scheletro», su cui si sono sviluppati molti obiettivi fotografici successivi.

In un obiettivo reale, la qualità dell’immagine non è determinata solo dal tipo di vetro e dalla curvatura delle superfici, ma anche da quali raggi di luce vengono fatti passare attraverso il sistema. Il diaframma è un’apertura fisica all’interno dell’obiettivo (fig. ??b). Modificandone le dimensioni, si controlla la quantità di luce che passa attraverso l’ottica. Ridurre le dimensioni del diaframma si chiama «chiusura», mentre aumentarle si chiama «apertura».In un obiettivo reale, la qualità dell’immagine non è determinata solo dal tipo di vetro e dalla curvatura delle superfici, ma anche da quali raggi di luce vengono fatti passare attraverso il sistema. Il diaframma è un’apertura fisica all’interno dell’obiettivo (fig. ??b). Modificandone le dimensioni, si controlla la quantità di luce che passa attraverso l’ottica. Ridurre le dimensioni del diaframma si chiama «chiusura», mentre aumentarle si chiama «apertura».

Quando l’apertura è massima, i raggi provenienti sia dal centro che dai bordi dell’obiettivo contribuiscono alla formazione dell’immagine, ottenendo un’elevata luminosità ma anche maggiori aberrazioni ottiche (sfocature sistematiche). Quando l’apertura è ridotta, molti raggi provenienti dai bordi – chiamati raggi marginali – vengono bloccati. In genere, questo migliora la qualità dell’immagine, ma riduce la quantità di luce che raggiunge il sensore, diminuendo quindi la luminosità.Quando l’apertura è massima, i raggi provenienti sia dal centro che dai bordi dell’obiettivo contribuiscono alla formazione dell’immagine, ottenendo un’elevata luminosità ma anche maggiori aberrazioni ottiche (sfocature sistematiche). Quando l’apertura è ridotta, molti raggi provenienti dai bordi – chiamati raggi marginali – vengono bloccati. In genere, questo migliora la qualità dell’immagine, ma riduce la quantità di luce che raggiunge il sensore, diminuendo quindi la luminosità.

In questo tutorial realizzeremo una serie di test in due fasi per valutare la qualità dell’immagine: (i) confronteremo le immagini ottenute con l’apertura massima e con l’apertura ridotta per un fascio di luce che incide direttamente sull’asse ottico, quindi (ii) ripeteremo lo stesso confronto per un fascio di luce leggermente inclinato (angolo di campo). Nel caso dell’angolo di campo, il motivo per cui si ottengono risultati diversi diventa evidente: riducendo l’apertura, in genere si correggono le aberrazioni fuori asse, come la coma o l’astigmatismo, ma a costo di una minore luminosità.In questo tutorial realizzeremo una serie di test in due fasi per valutare la qualità dell’immagine: (i) confronteremo le immagini ottenute con l’apertura massima e con l’apertura ridotta per un fascio di luce che incide direttamente sull’asse ottico, quindi (ii) ripeteremo lo stesso confronto per un fascio di luce leggermente inclinato (angolo di campo). Nel caso dell’angolo di campo, il motivo per cui si ottengono risultati diversi diventa evidente: riducendo l’apertura, in genere si correggono le aberrazioni fuori asse, come la coma o l’astigmatismo, ma a costo di una minore luminosità.

2. Aumenta leggermente le dimensioni della sorgente luminosa.2. Aumenta leggermente le dimensioni della sorgente luminosa.

Parti dalla scena con la configurazione Cooke Triplet che stai utilizzando. Nella vista 3D, fai clic con il pulsante destro del mouse sulla sorgente luminosa e seleziona «Modifica oggetto», come mostrato in ??. Si aprirà l’editor della luce/oggetto, dove aumenteremo leggermente le dimensioni della sorgente. Mantieni invariati tutti gli altri parametri (stesse lenti, stessa posizione del rivelatore, stessa griglia di lunghezze d’onda). Questa piccola modifica renderà più semplice l’interpretazione dei diagrammi che creeremo in seguito.Parti dalla scena con la configurazione Cooke Triplet che stai utilizzando. Nella vista 3D, fai clic con il pulsante destro del mouse sulla sorgente luminosa e seleziona «Modifica oggetto», come mostrato in ??. Si aprirà l’editor della luce/oggetto, dove aumenteremo leggermente le dimensioni della sorgente. Mantieni invariati tutti gli altri parametri (stesse lenti, stessa posizione del rivelatore, stessa griglia di lunghezze d’onda). Questa piccola modifica renderà più semplice l’interpretazione dei diagrammi che creeremo in seguito.

3. Misura di riferimento sull’asse ottico: apertura massima rispetto all’apertura minima.3. Misura di riferimento sull’asse ottico: apertura massima rispetto all’apertura minima.

Innanzitutto, definiamo una configurazione di riferimento con l’asse ottico centrato. Eseguiamo la simulazione con l’apertura completamente aperta. Ruotiamo la vista 3D in modo che corrisponda all’immagine ??. Dovresti vedere chiaramente l’apertura come un’apertura circolare blu su una piastra quadrata. In questa configurazione, l’apertura è ampia, quindi il fascio di luce passa senza problemi attraverso la prima lente, l’apertura, la seconda lente e la terza lente, per poi raggiungere il rivelatore senza essere interrotto.Innanzitutto, definiamo una configurazione di riferimento con l’asse ottico centrato. Eseguiamo la simulazione con l’apertura completamente aperta. Ruotiamo la vista 3D in modo che corrisponda all’immagine ??. Dovresti vedere chiaramente l’apertura come un’apertura circolare blu su una piastra quadrata. In questa configurazione, l’apertura è ampia, quindi il fascio di luce passa senza problemi attraverso la prima lente, l’apertura, la seconda lente e la terza lente, per poi raggiungere il rivelatore senza essere interrotto.

Avvia la simulazione e apri il file di output del rilevatore. Carica il file RAY_image.csv; questa immagine rappresenta lo stato iniziale e verrà utilizzata come riferimento per il resto di questo tutorial.Avvia la simulazione e apri il file di output del rilevatore. Carica il file RAY_image.csv; questa immagine rappresenta lo stato iniziale e verrà utilizzata come riferimento per il resto di questo tutorial.

Successivamente, ridurremo l’apertura, il che significa che la restringeremo intenzionalmente in modo che alcuni raggi vengano bloccati. Fate clic con il pulsante destro del mouse sull’apertura e selezionate l’editor di mesh (??), quindi impostate il parametro del diametro dell’apertura D0 su 0.002 m (??). Riavviate la simulazione. Ora dovreste vedere un forte effetto di troncamento nella visualizzazione 3D: molti raggi terminano all’apertura e solo un numero ridotto di raggi raggiunge il rivelatore.Successivamente, ridurremo l’apertura, il che significa che la restringeremo intenzionalmente in modo che alcuni raggi vengano bloccati. Fate clic con il pulsante destro del mouse sull’apertura e selezionate l’editor di mesh (??), quindi impostate il parametro del diametro dell’apertura D0 su 0.002 m (??). Riavviate la simulazione. Ora dovreste vedere un forte effetto di troncamento nella visualizzazione 3D: molti raggi terminano all’apertura e solo un numero ridotto di raggi raggiunge il rivelatore.

Aprire RAY_image.csv nel rilevatore 0. Rispetto alla configurazione con apertura massima, l’area illuminata è ora notevolmente più piccola e definita. Questo perché la riduzione dell’apertura elimina i raggi marginali, ovvero i raggi che attraversano i bordi esterni dell’obiettivo, i quali sono maggiormente soggetti all’aberrazione sferica in un sistema semplice a tre elementi come il Cooke Triplet. I restanti raggi parassiali (i raggi vicini all’asse ottico) convergono in un punto più preciso, migliorando la nitidezza dell’immagine a scapito della quantità totale di luce che raggiunge il rilevatore. In termini pratici, l’obiettivo produce un’immagine più debole ma meglio corretta sull’asse ottico, che rappresenta il compromesso fondamentale controllato dall’apertura.Aprire RAY_image.csv nel rilevatore 0. Rispetto alla configurazione con apertura massima, l’area illuminata è ora notevolmente più piccola e definita. Questo perché la riduzione dell’apertura elimina i raggi marginali, ovvero i raggi che attraversano i bordi esterni dell’obiettivo, i quali sono maggiormente soggetti all’aberrazione sferica in un sistema semplice a tre elementi come il Cooke Triplet. I restanti raggi parassiali (i raggi vicini all’asse ottico) convergono in un punto più preciso, migliorando la nitidezza dell’immagine a scapito della quantità totale di luce che raggiunge il rilevatore. In termini pratici, l’obiettivo produce un’immagine più debole ma meglio corretta sull’asse ottico, che rappresenta il compromesso fondamentale controllato dall’apertura.

4. Regolare l’angolo di campo inclinando leggermente il fascio luminoso verso il basso (ruotare Phi).4. Regolare l’angolo di campo inclinando leggermente il fascio luminoso verso il basso (ruotare Phi).

Ora ripetiamo lo stesso confronto tra configurazione «aperta» e «chiusa», ma utilizzando un angolo di campo ridotto. Nell’ottica classica, un oggetto posto fuori dall’asse ottico e all’infinito è rappresentato da un fascio di raggi che sono ancora (approssimativamente) paralleli tra loro, ma inclinati rispetto all’asse ottico. In OghmaNano, è possibile eseguire questa operazione direttamente nell’editor della sorgente luminosa.Ora ripetiamo lo stesso confronto tra configurazione «aperta» e «chiusa», ma utilizzando un angolo di campo ridotto. Nell’ottica classica, un oggetto posto fuori dall’asse ottico e all’infinito è rappresentato da un fascio di raggi che sono ancora (approssimativamente) paralleli tra loro, ma inclinati rispetto all’asse ottico. In OghmaNano, è possibile eseguire questa operazione direttamente nell’editor della sorgente luminosa.

Riaprite l’editor della sorgente luminosa e accedete alla scheda Configurazione. Individuate la riga Ruota Phi e impostate il valore in gradi phi = 8, come mostrato in ??. In questo modo, il fascio viene leggermente orientato verso il basso attraverso la lente, simulando la luce proveniente da un punto che non si trova esattamente sull’asse ottico (ovvero, non al centro del campo visivo). Nei sistemi di imaging reali, la maggior parte degli oggetti non si trova sull’asse, soprattutto verso i bordi di un’immagine. Con phi = 8°, eseguite la simulazione mantenendo l’apertura chiusa (piccola D0). Dovreste notare che la maggior parte dei raggi viene bloccata dall’apertura e solo un piccolo gruppo continua attraverso la serie di lenti fino al rilevatore (esempio in ??). Se aprite l’immagine del rilevatore, dovreste vedere un piccolo punto compatto (esempio in ??).Riaprite l’editor della sorgente luminosa e accedete alla scheda Configurazione. Individuate la riga Ruota Phi e impostate il valore in gradi phi = 8, come mostrato in ??. In questo modo, il fascio viene leggermente orientato verso il basso attraverso la lente, simulando la luce proveniente da un punto che non si trova esattamente sull’asse ottico (ovvero, non al centro del campo visivo). Nei sistemi di imaging reali, la maggior parte degli oggetti non si trova sull’asse, soprattutto verso i bordi di un’immagine. Con phi = 8°, eseguite la simulazione mantenendo l’apertura chiusa (piccola D0). Dovreste notare che la maggior parte dei raggi viene bloccata dall’apertura e solo un piccolo gruppo continua attraverso la serie di lenti fino al rilevatore (esempio in ??). Se aprite l’immagine del rilevatore, dovreste vedere un piccolo punto compatto (esempio in ??).

Un piccolo punto sul sensore indica che la luce proveniente da un singolo punto della scena viene focalizzata in una posizione quasi identica nell’immagine. Questo si traduce in dettagli più nitidi e in una maggiore risoluzione, poiché i punti adiacenti nell’oggetto hanno meno probabilità di sovrapporsi e creare sfocature. In pratica, un obiettivo che produce piccoli punti può generare immagini più chiare e precise, anche se potrebbe risultare meno luminoso quando l’apertura è ridotta.Un piccolo punto sul sensore indica che la luce proveniente da un singolo punto della scena viene focalizzata in una posizione quasi identica nell’immagine. Questo si traduce in dettagli più nitidi e in una maggiore risoluzione, poiché i punti adiacenti nell’oggetto hanno meno probabilità di sovrapporsi e creare sfocature. In pratica, un obiettivo che produce piccoli punti può generare immagini più chiare e precise, anche se potrebbe risultare meno luminoso quando l’apertura è ridotta.

5. Confronto tra le diverse angolazioni di campo — con diaframma chiuso rispetto a diaframma aperto.5. Confronto tra le diverse angolazioni di campo — con diaframma chiuso rispetto a diaframma aperto.

Ora, riaprite l’apertura (riportate il diaframma alla massima apertura) e ripetete la simulazione utilizzando lo stesso angolo di campo. Con l’apertura aperta, un numero maggiore di raggi può attraversare l’obiettivo, compresi quelli che passano attraverso le regioni esterne dell’ottica. Questi raggi marginali non convergono nello stesso punto dei raggi centrali (parassiali), soprattutto nel caso della luce proveniente da punti fuori dall’asse ottico. Di conseguenza, l’immagine rilevata mostra in genere un’area più ampia e una maggiore distorsione: la luce proveniente da un singolo punto fuori dall’asse ottico si diffonde su un’area più vasta anziché formare un punto compatto. Questo confronto evidenzia perché gli obiettivi spesso offrono prestazioni inferiori ai bordi del campo quando vengono utilizzati con l’apertura massima e perché chiudere il diaframma è un modo efficace per controllare le aberrazioni fuori dall’asse, a costo di una minore luminosità.Ora, riaprite l’apertura (riportate il diaframma alla massima apertura) e ripetete la simulazione utilizzando lo stesso angolo di campo. Con l’apertura aperta, un numero maggiore di raggi può attraversare l’obiettivo, compresi quelli che passano attraverso le regioni esterne dell’ottica. Questi raggi marginali non convergono nello stesso punto dei raggi centrali (parassiali), soprattutto nel caso della luce proveniente da punti fuori dall’asse ottico. Di conseguenza, l’immagine rilevata mostra in genere un’area più ampia e una maggiore distorsione: la luce proveniente da un singolo punto fuori dall’asse ottico si diffonde su un’area più vasta anziché formare un punto compatto. Questo confronto evidenzia perché gli obiettivi spesso offrono prestazioni inferiori ai bordi del campo quando vengono utilizzati con l’apertura massima e perché chiudere il diaframma è un modo efficace per controllare le aberrazioni fuori dall’asse, a costo di una minore luminosità.

Conclusioni e prossimi passiConclusioni e prossimi passi

Ora avete a disposizione una dimostrazione chiara e riproducibile di uno dei principali compromessi nella progettazione delle lenti: l’utilizzo di una lente con apertura massima aumenta la luminosità, mentre la riduzione dell’apertura migliora la qualità dell’immagine, soprattutto per la luce proveniente dai bordi. Introducendo un angolo di campo controllato tramite la funzione «Rotate Phi», avete anche definito un metodo sistematico per analizzare come le aberrazioni classiche, come la coma, l’astigmatismo, la curvatura del campo e la aberrazione cromatica laterale, si manifestano nei sistemi ottici reali.Ora avete a disposizione una dimostrazione chiara e riproducibile di uno dei principali compromessi nella progettazione delle lenti: l’utilizzo di una lente con apertura massima aumenta la luminosità, mentre la riduzione dell’apertura migliora la qualità dell’immagine, soprattutto per la luce proveniente dai bordi. Introducendo un angolo di campo controllato tramite la funzione «Rotate Phi», avete anche definito un metodo sistematico per analizzare come le aberrazioni classiche, come la coma, l’astigmatismo, la curvatura del campo e la aberrazione cromatica laterale, si manifestano nei sistemi ottici reali.