Samouczek dotyczący układu Cooke Triplet (część C): przysłona, kąt widzenia i kompromis między jakością a wydajnością.

1. Wprowadzenie

Obiektyw Cooke Triplet to klasyczny układ optyczny składający się z trzech elementów: dodatniej, ujemnej i dodatniej soczewki (patrz rys. ??a). Historycznie zyskał popularność, ponieważ zapewnia zaskakująco dobre rezultaty przy użyciu zaledwie trzech elementów, szczególnie w fotografii monochromatycznej (lub w wąskim zakresie widma), i stanowi „bazę”, na której opiera się konstrukcja wielu późniejszych obiektywów fotograficznych.

W rzeczywistym obiektywie jakość obrazu zależy nie tylko od materiału i kształtu soczewek, ale także od tego, które promienie światła mogą przez nie przechodzić. Przysłona to fizyczne otwarcie znajdujące się wewnątrz obiektywu (ryc. ??b). Zmiana jej rozmiaru wpływa na ilość światła, która może przejść przez układ optyczny. Zmniejszenie przysłony nazywa się przymknięciem, a zwiększenie – przymknięciem.

Gdy przysłona jest maksymalnie otwarta, promienie światła zarówno z centrum, jak i z krawędzi obiektywu przyczyniają się do powstania obrazu, co zapewnia wysoką jasność, ale również zwiększa występowanie aberracji optycznych (systematycznych rozmyć). Gdy przysłona jest przymknięta, wiele promieni światła, pochodzących z krawędzi obiektywu – zwanych promieniami brzegowymi – zostaje zablokowanych. Zazwyczaj poprawia to jakość obrazu, ale zmniejsza ilość światła docierającego do matrycy, co prowadzi do obniżenia jasności.

W tym samouczku stworzymy klarowną sekwencję działań w dwóch krokach: (i) porównamy obraz uzyskiwany przy szeroko otwartej przysłonie z obrazem uzyskiwanym przy przymkniętej przysłonie dla promienia padającego prostopadle do osi, a następnie (ii) powtórzymy to samo porównanie dla promienia padającego pod niewielkim kątem (kąt widzenia). W przypadku promienia padającego pod kątem staje się oczywiste „dlaczego” przymknięcie przysłony zazwyczaj poprawia jakość obrazu, eliminując aberracje pozaosiowe, takie jak koma lub astygmatyzm, ale odbywa się to kosztem zmniejszenia jasności.

2. Nieco powiększ źródło światła.

Zacznij od sceny z układem Cooke Triplet, którą masz otwartą. W widoku 3D kliknij prawym przyciskiem myszy na źródło światła i wybierz opcję „Edytuj obiekt”, jak pokazano na ilustracji ??. Otworzy się edytor światła/obiektu, w którym nieznacznie zwiększymy obszar, z którego pochodzi światło. Pozostałe parametry pozostaw bez zmian (te same soczewki, ta sama pozycja detektora, ta sama siatka długości fal). Ta niewielka zmiana ułatwi interpretację diagramów, które wygenerujemy później.

3. Linia bazowa na osi – maksymalnie otwarta vs. przymknięta.

Najpierw definiujemy punkt odniesienia na osi układu. Uruchamiamy symulację przy maksymalnie otwartej przysłonie. Obracamy widok 3D, aby odpowiadał obrazowi ??. Powinna być widoczna przysłona jako niebieskie, okrągłe otwarcie w kwadratowej płytce. W tej konfiguracji otwór jest duży, więc wiązka światła przechodzi swobodnie przez pierwszą soczewkę, przysłonę, drugą soczewkę i trzecią soczewkę, a następnie dociera do detektora bez żadnych zakłóceń.

Uruchom symulację i otwórz plik z wynikami detektora. Załaduj plik RAY_image.csv; ten obraz będzie stanowił punkt odniesienia dla porównania z wynikami uzyskanymi w dalszej części tego samouczka.

Następnie zmniejszymy wartość przysłony, co oznacza, że celowo zmniejszymy jej otwór, aby zablokować część promieni. Kliknij prawym przyciskiem myszy na przysłonie i wybierz opcję „Edytor siatki” (??), a następnie ustaw parametr średnicy przysłony D0 na wartość 0.002 m (??). Uruchom ponownie symulację. Powinieneś teraz zobaczyć wyraźne obcinanie promieni w widoku 3D: wiele promieni kończy się na przesłonie, a tylko niewielka ich część dociera do detektora.

Otwórz przysłonę RAY_image.csv w detektorze 0. W porównaniu ze zdjęciem wykonanym przy maksymalnie otwartej przysłonie, teraz obserwowany obszar jest wyraźnie mniejszy i wyraźniejszy. Dzieje się tak, ponieważ przymknięcie przysłony eliminuje promienie brzegowe, czyli promienie przechodzące przez zewnętrzne krawędzie obiektywu, które są najbardziej podatne na aberrację sferyczną w prostym układzie optycznym składającym się z trzech elementów, takim jak Cooke Triplet. Pozostałe promienie paraksjalne (promienie blisko osi optycznej) skupiają się bliżej tego samego punktu, co poprawia ostrość obrazu, ale odbywa się to kosztem zmniejszenia ilości światła docierającego do detektora. W praktyce oznacza to, że obiektyw generuje nieco ciemniejszy, ale lepiej skorygowany obraz w centralnej części kadru, co stanowi podstawowy kompromis, na który wpływa wartość przysłony.

4. Ustaw kąt nachylenia, kierując wiązkę nieznacznie w dół (obróć Phi).

Teraz powtarzamy to samo porównanie – obiekt w pozycji „otwartej” i „zamkniętej”, ale tym razem przy niewielkim kącie widzenia. W klasycznej optyce obiekt znajdujący się poza osią, w nieskończoności, jest reprezentowany przez wiązkę promieni, które są nadal (w przybliżeniu) równoległe do siebie, ale nachylone względem osi optycznej. W OghmaNano można to zrobić bezpośrednio w edytorze źródła światła.

Otwórz ponownie edytor źródła światła i przejdź do zakładki Konfiguracja. Znajdź wiersz Obrót Phi i ustaw wartość w stopniach phi = 8, tak jak w ??. Dzięki temu promień światła będzie nieznacznie skierowany w dół przez soczewkę, co będzie imitować światło pochodzące z punktu, który nie znajduje się dokładnie na osi optycznej (czyli nie w centrum pola widzenia). W rzeczywistych systemach obrazowania większość obiektów znajduje się poza osią, zwłaszcza w kierunku krawędzi obrazu. Używając phi = 8°, uruchom symulację, pozostawiając przysłonę częściowo zamkniętą (małą wartość D0). Powinieneś zauważyć, że większość promieni jest odrzucana przez przysłonę, a tylko niewielka ich część przechodzi przez układ soczewek do detektora (przykład w ??). Jeśli otworzysz obraz z detektora, powinieneś zobaczyć małą, zwartą plamkę (przykład w ??).

Mała plamka na matrycy oznacza, że światło z jednego punktu w obrazie jest skupiane w prawie tym samym miejscu na zdjęciu. To przekłada się na wyraźniejsze detale i wyższą rozdzielczość, ponieważ sąsiednie punkty na obiekcie rzadziej się rozmywają. W praktyce, obiektyw, który tworzy małe plamki, może generować wyraźniejsze i bardziej precyzyjne obrazy, nawet jeśli przy przymkniętej przysłonie obraz jest nieco ciemniejszy.

5. Porównanie obrazu w zależności od kąta widzenia – z przymkniętą przysłoną w porównaniu do ustawienia na maksymalną wartość przysłony.

Teraz ponownie otwórz przysłonę (ustaw ją na maksymalny otwór) i uruchom ponownie symulację, używając tego samego kąta widzenia. Przy otwartej przysłonie przez obiektyw przechodzi znacznie więcej promieni, w tym promienie przechodzące przez zewnętrzne obszary optyki. Te promienie brzegowe nie skupiają się w tym samym punkcie co promienie centralne (paraksjalne), zwłaszcza w przypadku światła padającego poza oś. W rezultacie obraz rejestrowany przez detektor zazwyczaj wykazuje większy obszar i większe zniekształcenia: światło z pojedynczego punktu poza osią jest rozpraszane na większym obszarze, zamiast tworzyć zwarty punkt. To porównanie pokazuje, dlaczego obiektywy często działają słabo na krawędziach pola widzenia, gdy są używane z maksymalnym otworem, oraz dlaczego przymknięcie przysłony jest skutecznym sposobem na kontrolowanie aberracji pozaosiowych, kosztem zmniejszenia jasności.

Podsumowanie i kolejne kroki.

Otrzymali Państwo teraz jasny, powtarzalny przykład jednego z kluczowych kompromisów w projektowaniu obiektywów: użycie obiektywu z maksymalnie otwartą przysłoną zapewnia największą jasność, natomiast przymknięcie przysłony poprawia jakość obrazu, szczególnie w przypadku światła padającego pod kątem. Dzięki wprowadzeniu kontrolowanego kąta widzenia za pomocą funkcji Rotate Phi, stworzyli Państwo również systematyczny sposób na zbadanie, w jaki sposób klasyczne aberracje, takie jak koma, astygmatyzm, krzywizna pola i chromatyzm poprzeczny, pojawiają się w rzeczywistych układach optycznych.