Tutorial sull’obiettivo a focale fissa da 200 mm (parte B): analisi del percorso dei raggi e controlli per la correzione della vignettatura.Tutorial sull’obiettivo a focale fissa da 200 mm (parte B): analisi del percorso dei raggi e controlli per la correzione della vignettatura.

1. Introduzione1. Introduzione

Un obiettivo fotografico regola la quantità di luce che entra nel sistema ottico tramite un diaframma (chiamato anche apertura), un’apertura variabile formata da lamelle metalliche sovrapposte. La figura (??) mostra un diaframma di tipo fotografico in diverse impostazioni, da completamente aperto a quasi chiuso. Man mano che il diaframma si chiude, l’apertura diventa più piccola e la sua forma è sempre più definita dalla geometria delle lamelle. Questo influisce direttamente su quali raggi di luce possono attraversare l’obiettivo e raggiungere il sensore.Un obiettivo fotografico regola la quantità di luce che entra nel sistema ottico tramite un diaframma (chiamato anche apertura), un’apertura variabile formata da lamelle metalliche sovrapposte. La figura (??) mostra un diaframma di tipo fotografico in diverse impostazioni, da completamente aperto a quasi chiuso. Man mano che il diaframma si chiude, l’apertura diventa più piccola e la sua forma è sempre più definita dalla geometria delle lamelle. Questo influisce direttamente su quali raggi di luce possono attraversare l’obiettivo e raggiungere il sensore.

Aprendo completamente l’apertura, si consente a una maggiore quantità di luce di entrare nel sistema ottico, ottenendo un’immagine più luminosa. Tuttavia, in questa configurazione, molti raggi di luce attraversano le regioni esterne dell’obiettivo, dove le aberrazioni sono generalmente più accentuate, il che comporta una maggiore distorsione e una minore nitidezza. Riducendo l’apertura, si limita il passaggio dei raggi alla parte centrale dell’obiettivo, il che in genere produce un’immagine più nitida, ma a scapito di una minore luminosità. In pratica, questo crea un compromesso tra un’immagine luminosa ma meno nitida e un’immagine più scura ma con maggiore chiarezza.Aprendo completamente l’apertura, si consente a una maggiore quantità di luce di entrare nel sistema ottico, ottenendo un’immagine più luminosa. Tuttavia, in questa configurazione, molti raggi di luce attraversano le regioni esterne dell’obiettivo, dove le aberrazioni sono generalmente più accentuate, il che comporta una maggiore distorsione e una minore nitidezza. Riducendo l’apertura, si limita il passaggio dei raggi alla parte centrale dell’obiettivo, il che in genere produce un’immagine più nitida, ma a scapito di una minore luminosità. In pratica, questo crea un compromesso tra un’immagine luminosa ma meno nitida e un’immagine più scura ma con maggiore chiarezza.

In questa sezione, creiamo un flusso di lavoro pratico preliminare alla misurazione, utilizzando esclusivamente i percorsi dei raggi 3D e l’immagine del rivelatore, per rispondere visivamente a tre domande: (i) dove si trova il diaframma e quali raggi lascia passare; (ii) in che modo i raggi parassiali (principali) differiscono dai raggi marginali; e (iii) se sono presenti fenomeni di troncamento o vignettatura che potrebbero compromettere le prestazioni fuori asse.In questa sezione, creiamo un flusso di lavoro pratico preliminare alla misurazione, utilizzando esclusivamente i percorsi dei raggi 3D e l’immagine del rivelatore, per rispondere visivamente a tre domande: (i) dove si trova il diaframma e quali raggi lascia passare; (ii) in che modo i raggi parassiali (principali) differiscono dai raggi marginali; e (iii) se sono presenti fenomeni di troncamento o vignettatura che potrebbero compromettere le prestazioni fuori asse.

2. Individua la fermata e verifica che sia aperta.2. Individua la fermata e verifica che sia aperta.

Nella visualizzazione 3D, individuate l’oggetto che funge da diaframma o apertura (solitamente una piastra con un’apertura circolare). Ruotate la scena in modo da poter vedere i raggi che si avvicinano e attraversano il diaframma (??). Questo diaframma è il punto più utile per capire quanta luce l’obiettivo può effettivamente proiettare sull’immagine. Sebbene tutti gli elementi ottici che precedono il diaframma siano illuminati, solo i raggi che attraversano l’apertura del diaframma possono propagarsi attraverso il resto del sistema e raggiungere il sensore. In termini ottici, il diaframma definisce la pupilla di ingresso del sistema e, di conseguenza, la sua apertura numerica.Nella visualizzazione 3D, individuate l’oggetto che funge da diaframma o apertura (solitamente una piastra con un’apertura circolare). Ruotate la scena in modo da poter vedere i raggi che si avvicinano e attraversano il diaframma (??). Questo diaframma è il punto più utile per capire quanta luce l’obiettivo può effettivamente proiettare sull’immagine. Sebbene tutti gli elementi ottici che precedono il diaframma siano illuminati, solo i raggi che attraversano l’apertura del diaframma possono propagarsi attraverso il resto del sistema e raggiungere il sensore. In termini ottici, il diaframma definisce la pupilla di ingresso del sistema e, di conseguenza, la sua apertura numerica.

Se l’apertura è attualmente chiusa e non lascia passare la luce, fare clic con il pulsante destro del mouse sull’oggetto che rappresenta l’apertura e selezionare l’editor della mesh (??). Si aprirà l’editor della mesh dell’apertura mostrato nella figura. In questo editor, il parametro d0 controlla il diametro dell’apertura. Aumentando d0, l’apertura si allarga e lascia passare più raggi; diminuendolo, l’apertura si restringe. Come punto di partenza pratico, impostare d0 su un valore di circa 0.035, oppure leggermente inferiore al valore di d1, che definisce il raggio esterno dell’apertura quadrata.Se l’apertura è attualmente chiusa e non lascia passare la luce, fare clic con il pulsante destro del mouse sull’oggetto che rappresenta l’apertura e selezionare l’editor della mesh (??). Si aprirà l’editor della mesh dell’apertura mostrato nella figura. In questo editor, il parametro d0 controlla il diametro dell’apertura. Aumentando d0, l’apertura si allarga e lascia passare più raggi; diminuendolo, l’apertura si restringe. Come punto di partenza pratico, impostare d0 su un valore di circa 0.035, oppure leggermente inferiore al valore di d1, che definisce il raggio esterno dell’apertura quadrata.

2. Confrontare i fasci di raggi parassiali, principali e marginali.2. Confrontare i fasci di raggi parassiali, principali e marginali.

Il modo più rapido per «analizzare» una lente consiste nel confrontare il comportamento della luce quando attraversa il centro della lente (un fascio vicino all'asse) con il comportamento della luce quando entra nel sistema vicino al bordo della lente. In termini ottici, stiamo confrontando il comportamento parassiale (o del raggio principale) con un fascio sul bordo della pupilla (o il comportamento dei raggi marginali). In generale, i raggi che passano vicino al centro della lente (vicino all'asse ottico) subiscono meno distorsioni rispetto ai raggi che entrano attraverso il bordo della lente. Questo perché i raggi che entrano vicino al bordo della lente devono essere deviati maggiormente per essere diretti verso l'asse ottico. Si eseguiranno due simulazioni che differiscono solo nel punto in cui il fascio entra nella parte anteriore della lente. Si inizia con il caso di riferimento sull'asse: si posiziona il fascio al centro della finestra di simulazione e si avvia la simulazione. La luce dovrebbe attraversare il sistema in modo pulito e formare un'immagine compatta sul rivelatore (??). Nel linguaggio dell'ottica classica, questo fascio vicino all'asse rappresenta il comportamento del raggio principale (parassiale).Il modo più rapido per «analizzare» una lente consiste nel confrontare il comportamento della luce quando attraversa il centro della lente (un fascio vicino all'asse) con il comportamento della luce quando entra nel sistema vicino al bordo della lente. In termini ottici, stiamo confrontando il comportamento parassiale (o del raggio principale) con un fascio sul bordo della pupilla (o il comportamento dei raggi marginali). In generale, i raggi che passano vicino al centro della lente (vicino all'asse ottico) subiscono meno distorsioni rispetto ai raggi che entrano attraverso il bordo della lente. Questo perché i raggi che entrano vicino al bordo della lente devono essere deviati maggiormente per essere diretti verso l'asse ottico. Si eseguiranno due simulazioni che differiscono solo nel punto in cui il fascio entra nella parte anteriore della lente. Si inizia con il caso di riferimento sull'asse: si posiziona il fascio al centro della finestra di simulazione e si avvia la simulazione. La luce dovrebbe attraversare il sistema in modo pulito e formare un'immagine compatta sul rivelatore (??). Nel linguaggio dell'ottica classica, questo fascio vicino all'asse rappresenta il comportamento del raggio principale (parassiale).

Successivamente, traslate la sorgente in modo che il fascio di luce entri vicino al bordo del primo elemento, senza modificarne la direzione. Questa configurazione è detta «caso marginale», in cui i raggi di luce entrano vicino al bordo della pupilla. In questo tutorial, utilizzeremo due rappresentazioni grafiche della stessa idea: una vista laterale (??) e una vista dall’alto (??).Successivamente, traslate la sorgente in modo che il fascio di luce entri vicino al bordo del primo elemento, senza modificarne la direzione. Questa configurazione è detta «caso marginale», in cui i raggi di luce entrano vicino al bordo della pupilla. In questo tutorial, utilizzeremo due rappresentazioni grafiche della stessa idea: una vista laterale (??) e una vista dall’alto (??).

Questi raggi marginali passano vicino al bordo della pupilla (lontano dal centro dell’asse ottico) e quindi analizzano le aree dell’ottica che presentano le maggiori aberrazioni. In questo caso, non si cerca la perfezione teorica, ma si vuole semplicemente spingere il modello a mostrare come si comportano diverse famiglie di raggi. Dopo ogni simulazione, aprire detector0/RAY_image.csv e confrontare le immagini risultanti. Il fascio centrale (il fascio del raggio principale) dovrebbe apparire tipicamente compatto e simmetrico, mentre i raggi marginali sono quelli in cui solitamente si manifestano per primi asimmetrie, sfocature e distorsioni.Questi raggi marginali passano vicino al bordo della pupilla (lontano dal centro dell’asse ottico) e quindi analizzano le aree dell’ottica che presentano le maggiori aberrazioni. In questo caso, non si cerca la perfezione teorica, ma si vuole semplicemente spingere il modello a mostrare come si comportano diverse famiglie di raggi. Dopo ogni simulazione, aprire detector0/RAY_image.csv e confrontare le immagini risultanti. Il fascio centrale (il fascio del raggio principale) dovrebbe apparire tipicamente compatto e simmetrico, mentre i raggi marginali sono quelli in cui solitamente si manifestano per primi asimmetrie, sfocature e distorsioni.

3. Individuare a occhio nudo i fenomeni di «clipping» e «vignettatura».3. Individuare a occhio nudo i fenomeni di «clipping» e «vignettatura».

Quando l’apertura viene chiusa per ottenere un’immagine più nitida e definita, un effetto collaterale comune è la riduzione della luminosità ai bordi dell’immagine, fenomeno noto come vignettatura, come si può vedere nell’esempio (??). Il termine «clipping» si riferisce al caso in cui i raggi vengono fisicamente bloccati da un’apertura o dal bordo di una lente e non riescono a raggiungere il sensore. Entrambi gli effetti sono più facilmente individuabili quando si assegna ai raggi un piccolo angolo di campo. In OghmaNano, questo viene in genere fatto utilizzando un parametro di rotazione, come «Rotate Phi» nell’editor della sorgente luminosa. Per modificare la sorgente luminosa, fare clic con il pulsante destro del mouse sulla sorgente luminosa e selezionare «Modifica oggetto» (??). Questo apre l’editor della sorgente luminosa, dove è possibile impostare «Rotate Phi» (ad esempio, a 8°) (??).Quando l’apertura viene chiusa per ottenere un’immagine più nitida e definita, un effetto collaterale comune è la riduzione della luminosità ai bordi dell’immagine, fenomeno noto come vignettatura, come si può vedere nell’esempio (??). Il termine «clipping» si riferisce al caso in cui i raggi vengono fisicamente bloccati da un’apertura o dal bordo di una lente e non riescono a raggiungere il sensore. Entrambi gli effetti sono più facilmente individuabili quando si assegna ai raggi un piccolo angolo di campo. In OghmaNano, questo viene in genere fatto utilizzando un parametro di rotazione, come «Rotate Phi» nell’editor della sorgente luminosa. Per modificare la sorgente luminosa, fare clic con il pulsante destro del mouse sulla sorgente luminosa e selezionare «Modifica oggetto» (??). Questo apre l’editor della sorgente luminosa, dove è possibile impostare «Rotate Phi» (ad esempio, a 8°) (??).

Con il parametro Rotate Phi impostato, posizionate il fascio inclinato al centro della pila di lenti e ripetete l’operazione (??). A questo punto, dovreste essere in grado di osservare il fascio propagarsi attraverso il sistema con un’inclinazione controllata, il che renderà molto più facile individuare i punti in cui i raggi vengono deviati.Con il parametro Rotate Phi impostato, posizionate il fascio inclinato al centro della pila di lenti e ripetete l’operazione (??). A questo punto, dovreste essere in grado di osservare il fascio propagarsi attraverso il sistema con un’inclinazione controllata, il che renderà molto più facile individuare i punti in cui i raggi vengono deviati.

Per la prossima simulazione, disattiva la visualizzazione solida delle lenti in modo da poter vedere il percorso dei raggi all’interno del vetro. Fai clic con il pulsante destro del mouse su una lente, vai su Visualizza e deseleziona l’opzione Mostra solido (??). Quindi, esegui di nuovo la simulazione (o esamina semplicemente i raggi esistenti) e osserva come il fascio viene guidato superficie per superficie (??).Per la prossima simulazione, disattiva la visualizzazione solida delle lenti in modo da poter vedere il percorso dei raggi all’interno del vetro. Fai clic con il pulsante destro del mouse su una lente, vai su Visualizza e deseleziona l’opzione Mostra solido (??). Quindi, esegui di nuovo la simulazione (o esamina semplicemente i raggi esistenti) e osserva come il fascio viene guidato superficie per superficie (??).

Ora, ripetete la stessa operazione di controllo per una posizione sul bordo della pupilla (come descritto nella Sezione 2), mantenendo lo stesso angolo di campo. È in questa combinazione (angolo di campo + raggi marginali) che si manifesta per prima l’effetto di vignettatura. Se i raggi scompaiono, il vostro compito è individuare il punto in cui vengono bloccati: il diaframma stesso, il corpo meccanico dell’obiettivo o il limite di apertura di un elemento della lente.Ora, ripetete la stessa operazione di controllo per una posizione sul bordo della pupilla (come descritto nella Sezione 2), mantenendo lo stesso angolo di campo. È in questa combinazione (angolo di campo + raggi marginali) che si manifesta per prima l’effetto di vignettatura. Se i raggi scompaiono, il vostro compito è individuare il punto in cui vengono bloccati: il diaframma stesso, il corpo meccanico dell’obiettivo o il limite di apertura di un elemento della lente.