200 mm 単焦点レンズチュートリアル（パート B）：光線の解剖と周辺減光チェック

1. はじめに

カメラレンズは、開口 （絞り とも呼ばれる）を用いて、光学系に入る光量を制御します。これは重なり合う金属羽根によって形成される可変開口です。 図 （??） は、全開からほぼ閉じた状態まで、いくつかの設定における写真用絞りを示しています。絞りを閉じると、 開口は小さくなり、その形状はますます羽根形状によって定義されるようになります。これは、 どの光線がレンズを通過して検出器へ到達できるかに直接影響します。

絞りを大きく開くと、より多くの光が光学系へ入り、より明るい画像が得られます。 しかし、この構成では多くの光線がレンズの外側領域を通過し、そこでは通常、収差が最も強いため、 歪みが増加し鮮鋭度が低下します。 絞りを絞ると、光線はレンズ中心部に制限され、一般に より鮮明な画像が得られますが、その代償として明るさは低下します。実際には、これは 鮮鋭度の低い明るい画像と、明るさは低いがより明瞭な画像との間のトレードオフを生みます。

このパートでは、3D 光線経路と検出器画像だけを用いた、実用的な 指標前 のワークフローを構築し、 次の 3 つの問いに目視で答えます： (i) 絞りがどこにあり、どの光線を通すのか、 (ii) 近軸（主光線）と周辺光線がどう異なるのか、 (iii) オフ軸性能を損なうようなクリッピングや周辺減光が存在するかどうか。

2. 絞りを見つけて、開いていることを確認する

3D ビューで、絞り／開口オブジェクト（通常は円形開口を持つプレート）を見つけてください。 シーンを回転させて、光線が絞りに近づき、それを通過する様子が見えるようにします （??）。 この絞りは、レンズが実際に像へどれだけの光を届けられるかを理解するための最も手早い場所です。 絞り より前 のすべての光学素子は照明されていますが、絞り を通過した光線だけが、 システムの残りの部分を伝播し、検出器へ到達できます。 光学的に言えば、絞りは系の 入射瞳 を定義し、したがってその 開口数 を定義します。

もし現在、絞りが閉じていて光が通過できない場合は、絞りオブジェクトを右クリックし、 Mesh editor を選択してください （??）。 これにより、図に示された開口メッシュエディタが開きます。 このエディタでは、 パラメータ d0 が有効開口の直径を制御します。 d0 を大きくすると穴が広がってより多くの光線が通過し、小さくすると系は絞られます。 実用的な開始点として、d0 をおよそ 0.035、 または正方形開口の外半径を定義する d1 より少し小さい値に設定してください。

2. 近軸、主光線、および周辺光線束を比較する

レンズを「読む」最も速い方法は、光がレンズ中心を通るとき（光軸近傍のビーム）と、レンズの端近くから系へ入るときにどのように振る舞うかを比較することです。光学用語では、近軸（または主光線挙動）と瞳縁ビーム（または周辺光線挙動）を比較していることになります。一般に、レンズ中心近く（光軸の中心近く）を通る光線は、レンズ縁を通って入る光線よりも歪みが小さいです。これは、レンズ縁近くから入る光線ほど、光軸上へ導くためにより強く曲げられなければならないためです。ここでは、ビームがレンズ前面のどこから入るかだけが異なる 2 つの実行を行います。まず、ベースラインのオン軸ケースから始めます。ビームをシミュレーションウィンドウの中央に配置し、Run をクリックしてください。光は系をきれいに通過し、検出器上にコンパクトなフットプリントを形成するはずです（??）。古典光学の用語では、この光軸近傍のビームは 主光線（近軸）挙動 を表します。

次に、ビームの方向は変えずに、光源を第 1 レンズの端近くへ平行移動してください。 これは周辺ケースと呼ばれ、光線は瞳の縁近くから入射します。 このチュートリアルでは、同じ考え方を 2 つの視点で扱います：側面図 （??） と上面図 （??）です。

これらの周辺光線は瞳の縁近く（光軸中心から遠い位置）を通るため、光学系の中で最も強く収差を受ける領域をサンプリングします。ここで教科書通りの厳密さを目指しているわけではありません。単に、異なる光線群がどのように振る舞うかをモデルに見せているだけです。各実行後に detector0/RAY_image.csv を開き、フットプリントを比較してください。中央（主光線）ビームは通常、コンパクトで対称に見えるはずであり、一方で非対称性、にじみ、クリッピングが最初に現れるのは通常、周辺光線です。

3. クリッピングと周辺減光を目視で診断する

よりシャープで点像に近い画像を得るために絞りを閉じると、一般的な副作用として画像周辺の光量低下が生じることがあります。これを 周辺減光 と呼びます。その例は （??）に示されています。クリッピング とは、光線が開口やレンズ縁によって物理的に遮られ、検出器へ到達できない場合を指します。これら 2 つの効果は、 光線に小さな 視野角を与えたときに最も容易に現れます。OghmaNano では、これは通常、光源エディタの Rotate Phi のような回転パラメータを用いて行います。 光源を編集するには、光源を右クリックして Edit object を選択します（??）。これにより光源エディタが開き、そこで Rotate Phi を （たとえば 8° に）設定できます（??）。

Rotate Phi を設定したら、傾けたビームをレンズスタック中央に配置して再実行してください （??）。 これで、制御された傾きを持つビームが系を伝播する様子が見えるはずであり、どこで光線が遮断されているかを はるかに見つけやすくなります。

次の実行では、レンズ内部の光線経路が見えるように、レンズのソリッドレンダリングをオフにしてください。 レンズを右クリックし、View へ移動して、Show solid の選択を外します （??）。 その後、再実行するか（または既存の光線をそのまま観察して）、ビームが表面ごとにどのように 操舵されるかを調べてください （??）。

次に、同じ視野角を維持したまま、瞳縁配置（Section 2 のように）に対して同じ観察を繰り返してください。 この組み合わせ（視野角 + 周辺光線）で、周辺減光は最初に現れます。 もし光線が消えるなら、あなたの課題はそれらがどこで遮断されているかを特定することです。絞りそのものなのか、機械的バレルなのか、 あるいはレンズ素子の有効開口制限なのかを見極めてください。