Tutorial sull’obiettivo primario da 200 mm (Parte A): caricamento, ispezione ed esecuzione di una simulazione di tracciamento dei raggi di riferimento.Tutorial sull’obiettivo primario da 200 mm (Parte A): caricamento, ispezione ed esecuzione di una simulazione di tracciamento dei raggi di riferimento.

1. Introduzione1. Introduzione

Un obiettivo a focale fissa è un obiettivo con una lunghezza focale predefinita, a differenza di un obiettivo zoom la cui lunghezza focale varia continuamente (vedi ??). Gli obiettivi a focale fissa sono ampiamente utilizzati nella fotografia e nei sistemi di acquisizione di immagini perché il loro design può essere ottimizzato per una singola lunghezza focale: rispetto a un obiettivo zoom con specifiche simili, un obiettivo a focale fissa è spesso più semplice dal punto di vista ottico, in genere offre un'apertura più ampia e può garantire prestazioni migliori ai bordi dell'immagine, mantenendo le stesse dimensioni e lo stesso costo. In questo tutorial, utilizzeremo un obiettivo a focale fissa da 200 mm come esercizio di «lettura dei raggi» basato sulla geometria: l'obiettivo non è ottimizzare una funzione di merito, ma imparare a individuare rapidamente posizionamenti errati delle diaframme, tagli indesiderati e piani di rilevamento posizionati in modo non corretto.Un obiettivo a focale fissa è un obiettivo con una lunghezza focale predefinita, a differenza di un obiettivo zoom la cui lunghezza focale varia continuamente (vedi ??). Gli obiettivi a focale fissa sono ampiamente utilizzati nella fotografia e nei sistemi di acquisizione di immagini perché il loro design può essere ottimizzato per una singola lunghezza focale: rispetto a un obiettivo zoom con specifiche simili, un obiettivo a focale fissa è spesso più semplice dal punto di vista ottico, in genere offre un'apertura più ampia e può garantire prestazioni migliori ai bordi dell'immagine, mantenendo le stesse dimensioni e lo stesso costo. In questo tutorial, utilizzeremo un obiettivo a focale fissa da 200 mm come esercizio di «lettura dei raggi» basato sulla geometria: l'obiettivo non è ottimizzare una funzione di merito, ma imparare a individuare rapidamente posizionamenti errati delle diaframme, tagli indesiderati e piani di rilevamento posizionati in modo non corretto.

In questo tutorial utilizzeremo un obiettivo a focale fissa da 200 mm per illustrare come esaminare un obiettivo fotografico composto da più elementi in 3D, eseguire una simulazione di base del percorso dei raggi e interpretare i risultati in modo qualitativo. L’obiettivo originale è descritto nel brevetto statunitense (US Patent 3,942,876 – Telephoto Lens). L’obiettivo non è quello di «valutare» l’obiettivo tramite una funzione di merito, ma di imparare a interpretare la geometria e i percorsi dei raggi, in modo da poter individuare rapidamente eventuali problemi di troncamento, posizionamento errato del diaframma e sensibilità fuori asse.In questo tutorial utilizzeremo un obiettivo a focale fissa da 200 mm per illustrare come esaminare un obiettivo fotografico composto da più elementi in 3D, eseguire una simulazione di base del percorso dei raggi e interpretare i risultati in modo qualitativo. L’obiettivo originale è descritto nel brevetto statunitense (US Patent 3,942,876 – Telephoto Lens). L’obiettivo non è quello di «valutare» l’obiettivo tramite una funzione di merito, ma di imparare a interpretare la geometria e i percorsi dei raggi, in modo da poter individuare rapidamente eventuali problemi di troncamento, posizionamento errato del diaframma e sensibilità fuori asse.

Il flusso di lavoro illustrato in questo tutorial rispecchia le prassi standard nella progettazione ottica professionale: prima di introdurre qualsiasi ottimizzazione o funzione di valutazione quantitativa, viene innanzitutto convalidato geometricamente il modello dell'obiettivo, esaminando il percorso dei raggi, la posizione delle aperture e il comportamento del rivelatore. Se un modello non supera questi controlli, le metriche numeriche non hanno alcun significato.Il flusso di lavoro illustrato in questo tutorial rispecchia le prassi standard nella progettazione ottica professionale: prima di introdurre qualsiasi ottimizzazione o funzione di valutazione quantitativa, viene innanzitutto convalidato geometricamente il modello dell'obiettivo, esaminando il percorso dei raggi, la posizione delle aperture e il comportamento del rivelatore. Se un modello non supera questi controlli, le metriche numeriche non hanno alcun significato.

2. Caricamento dell’esempio dell’obiettivo a focale fissa da 200 mm.2. Caricamento dell’esempio dell’obiettivo a focale fissa da 200 mm.

Dalla finestra principale, fare clic su «Nuova simulazione». Si aprirà la libreria delle simulazioni (??). Fare doppio clic su «Ray tracing» per accedere agli esempi di ottica (??), quindi selezionare l’obiettivo Prime da 200 mm (o un obiettivo fisso da 200 mm) e scegliere una directory di lavoro (ad esempio, la cartella personale).Dalla finestra principale, fare clic su «Nuova simulazione». Si aprirà la libreria delle simulazioni (??). Fare doppio clic su «Ray tracing» per accedere agli esempi di ottica (??), quindi selezionare l’obiettivo Prime da 200 mm (o un obiettivo fisso da 200 mm) e scegliere una directory di lavoro (ad esempio, la cartella personale).

3. Orientarsi nella scena 3D ed eseguire un tracciamento di raggi di base.3. Orientarsi nella scena 3D ed eseguire un tracciamento di raggi di base.

Dopo il caricamento, l’ambiente di lavoro ottico dovrebbe aprirsi visualizzando un’immagine simile a ??. L’asse ottico si estende da sinistra a destra. A sinistra dovrebbero essere visibili una o più sorgenti luminose (verdi), al centro gli elementi della lente (superfici in vetro colorato) e a destra il piano del rivelatore (viola).Dopo il caricamento, l’ambiente di lavoro ottico dovrebbe aprirsi visualizzando un’immagine simile a ??. L’asse ottico si estende da sinistra a destra. A sinistra dovrebbero essere visibili una o più sorgenti luminose (verdi), al centro gli elementi della lente (superfici in vetro colorato) e a destra il piano del rivelatore (viola).

Per questo schema, potete pensare in termini di una «parte ottica anteriore» e di una «parte posteriore» vicino al rilevatore: l’elemento chiave per la Parte A consiste semplicemente nell’identificare (i) i principali elementi della lente, (ii) l’oggetto che determina l’apertura/il diaframma e (iii) il piano del rilevatore. (Se siete curiosi: gli schemi di teleobiettivi pubblicati su cui si basa questa dimostrazione utilizzano una sezione obiettivo mobile e un elemento di correzione posteriore fisso rispetto al piano della pellicola/del sensore).Per questo schema, potete pensare in termini di una «parte ottica anteriore» e di una «parte posteriore» vicino al rilevatore: l’elemento chiave per la Parte A consiste semplicemente nell’identificare (i) i principali elementi della lente, (ii) l’oggetto che determina l’apertura/il diaframma e (iii) il piano del rilevatore. (Se siete curiosi: gli schemi di teleobiettivi pubblicati su cui si basa questa dimostrazione utilizzano una sezione obiettivo mobile e un elemento di correzione posteriore fisso rispetto al piano della pellicola/del sensore).

Utilizza il mouse per esplorare: trascina il cursore sullo sfondo nero per ruotare la visuale e controllare la distanza tra gli elementi. L’obiettivo è acquisire la sicurezza necessaria per individuare visivamente il punto di arresto e il rilevatore prima di avviare qualsiasi operazione.Utilizza il mouse per esplorare: trascina il cursore sullo sfondo nero per ruotare la visuale e controllare la distanza tra gli elementi. L’obiettivo è acquisire la sicurezza necessaria per individuare visivamente il punto di arresto e il rilevatore prima di avviare qualsiasi operazione.

Fare clic su «Esegui simulazione» (il triangolo blu nella barra degli strumenti principale). Al termine dell’esecuzione, si dovrebbero vedere i raggi propagarsi dalle sorgenti, attraversare l’intera serie di lenti e raggiungere il piano del rivelatore (vedere ??).Fare clic su «Esegui simulazione» (il triangolo blu nella barra degli strumenti principale). Al termine dell’esecuzione, si dovrebbero vedere i raggi propagarsi dalle sorgenti, attraversare l’intera serie di lenti e raggiungere il piano del rivelatore (vedere ??).

4. Individuazione e apertura dei principali documenti.4. Individuazione e apertura dei principali documenti.

Passa alla scheda «Output». Dovresti visualizzare una cartella del rilevatore (solitamente detector0) e i relativi file di output del ray tracing (un esempio è disponibile in ??). Ogni rilevatore ha una propria directory di output: apri detector0 (è rappresentata con un'icona a forma di «fotocamera/CCD»).Passa alla scheda «Output». Dovresti visualizzare una cartella del rilevatore (solitamente detector0) e i relativi file di output del ray tracing (un esempio è disponibile in ??). Ogni rilevatore ha una propria directory di output: apri detector0 (è rappresentata con un'icona a forma di «fotocamera/CCD»).

Dopo aver aperto detector0, dovresti visualizzare i file, tra cui RAY_image.csv (esempio in ??). Fai doppio clic su RAY_image.csv per visualizzare l’immagine del rilevatore. In una fotocamera reale, questo piano del rilevatore corrisponde al piano del sensore/della pellicola: ovvero, in una moderna fotocamera digitale, questa immagine viene formata su un sensore CMOS/CCD posizionato su tale piano.Dopo aver aperto detector0, dovresti visualizzare i file, tra cui RAY_image.csv (esempio in ??). Fai doppio clic su RAY_image.csv per visualizzare l’immagine del rilevatore. In una fotocamera reale, questo piano del rilevatore corrisponde al piano del sensore/della pellicola: ovvero, in una moderna fotocamera digitale, questa immagine viene formata su un sensore CMOS/CCD posizionato su tale piano.

Verifica rapida della corretta messa a fuoco (sposta il piano del rilevatore).Verifica rapida della corretta messa a fuoco (sposta il piano del rilevatore).

Il modo più rapido per sviluppare l’intuito è spostare il piano del rilevatore anziché gli elementi dell’obiettivo. In termini concettuali, si tratta di spostare il sensore in avanti o indietro rispetto all’obiettivo e osservare come cambia la sfocatura. L’obiettivo è individuare la posizione del rilevatore che produce il punto più piccolo sul rilevatore (a occhio nudo).Il modo più rapido per sviluppare l’intuito è spostare il piano del rilevatore anziché gli elementi dell’obiettivo. In termini concettuali, si tratta di spostare il sensore in avanti o indietro rispetto all’obiettivo e osservare come cambia la sfocatura. L’obiettivo è individuare la posizione del rilevatore che produce il punto più piccolo sul rilevatore (a occhio nudo).

Innanzitutto, attivate la visualizzazione delle dimensioni sullo schermo. Fate clic con il pulsante destro del mouse sullo sfondo nero, selezionate «Visualizza» e attivate l’opzione «Mostra dimensioni» (vedere ??). A questo punto, dovreste visualizzare le posizioni x/y/z degli oggetti e gli spessori/le lunghezze (indicate come dx, ecc.).Innanzitutto, attivate la visualizzazione delle dimensioni sullo schermo. Fate clic con il pulsante destro del mouse sullo sfondo nero, selezionate «Visualizza» e attivate l’opzione «Mostra dimensioni» (vedere ??). A questo punto, dovreste visualizzare le posizioni x/y/z degli oggetti e gli spessori/le lunghezze (indicate come dx, ecc.).

Ora, sposti il piano del rivelatore in avanti e indietro lungo l’asse ottico e osserva come cambia il punto luminoso. Per una dimostrazione più chiara, spostalo ai limiti estremi (ovviamente troppo in avanti, poi ovviamente troppo indietro) e quindi cerca la posizione in cui il punto luminoso è più piccolo. Puoi ripetere la simulazione dopo ogni modifica oppure (per una verifica qualitativa rapida) osservare semplicemente come cambiano i punti di intersezione dei raggi sul piano del rivelatore.Ora, sposti il piano del rivelatore in avanti e indietro lungo l’asse ottico e osserva come cambia il punto luminoso. Per una dimostrazione più chiara, spostalo ai limiti estremi (ovviamente troppo in avanti, poi ovviamente troppo indietro) e quindi cerca la posizione in cui il punto luminoso è più piccolo. Puoi ripetere la simulazione dopo ogni modifica oppure (per una verifica qualitativa rapida) osservare semplicemente come cambiano i punti di intersezione dei raggi sul piano del rivelatore.

«Messa a fuoco ottimale» significa la posizione in cui si ottiene il punto più piccolo? Per questo tutorial, la risposta è sì: considerate il punto più piccolo come la condizione di messa a fuoco ottimale. (In seguito, parametri come il raggio RMS del punto formalizzeranno esattamente questo concetto, ma non è necessario conoscerli per apprendere il flusso di lavoro che prevede di iniziare con la geometria.)«Messa a fuoco ottimale» significa la posizione in cui si ottiene il punto più piccolo? Per questo tutorial, la risposta è sì: considerate il punto più piccolo come la condizione di messa a fuoco ottimale. (In seguito, parametri come il raggio RMS del punto formalizzeranno esattamente questo concetto, ma non è necessario conoscerli per apprendere il flusso di lavoro che prevede di iniziare con la geometria.)

Se si desidera ottenere un valore numerico per la «distanza tra il sensore e l’ultimo elemento», è possibile stimarlo direttamente a partire dalla geometria visualizzata sullo schermo: si legge la coordinata x dell’ultimo elemento della lente (la sua posizione di riferimento), si aggiunge il suo spessore dx e quindi si sottrae dalla coordinata x del piano del sensore. In questo modo si ottiene una stima approssimativa della distanza tra la superficie posteriore dell’ultimo elemento e il piano del sensore. Si ripete questa operazione nella posizione in cui si ottiene la migliore messa a fuoco visiva e si registra il valore.Se si desidera ottenere un valore numerico per la «distanza tra il sensore e l’ultimo elemento», è possibile stimarlo direttamente a partire dalla geometria visualizzata sullo schermo: si legge la coordinata x dell’ultimo elemento della lente (la sua posizione di riferimento), si aggiunge il suo spessore dx e quindi si sottrae dalla coordinata x del piano del sensore. In questo modo si ottiene una stima approssimativa della distanza tra la superficie posteriore dell’ultimo elemento e il piano del sensore. Si ripete questa operazione nella posizione in cui si ottiene la migliore messa a fuoco visiva e si registra il valore.