Samouczek dotyczący obiektywu stałoogniskowego o ogniskowej 200 mm (część B): analiza ścieżki promieni i sprawdzanie występowania winietowania.

1. Wprowadzenie

Obiektyw aparatu kontroluje ilość światła wpadającego do układu optycznego za pomocą przysłony (zwanej również pierścienią przysłony), która jest regulowanym otworem utworzonym przez nakładające się na siebie metalowe listki. Na rysunku (??) przedstawiono przysłonę w stylu fotograficznym w różnych ustawieniach, od całkowicie otwartej do prawie zamkniętej. W miarę zamykania się przysłony, otwór staje się mniejszy, a jego kształt jest coraz bardziej określany przez geometrię listków. Ma to bezpośredni wpływ na to, które promienie światła mogą przechodzić przez obiektyw i docierać do detektora.

Otwarcie przysłony do maksimum pozwala na większą ilość światła docierającego do układu optycznego, co skutkuje jaśniejszym obrazem. Jednak w takiej konfiguracji wiele promieni światła przechodzi przez zewnętrzne obszary obiektywu, gdzie zazwyczaj występują największe aberracje, co prowadzi do zwiększonych zniekształceń i zmniejszonej ostrości. Zmniejszenie przysłony ogranicza promienie do centralnej części obiektywu, co zazwyczaj daje ostrzejszy obraz, ale kosztem zmniejszonej jasności. W praktyce tworzy to kompromis między jasnym obrazem o niższej ostrości a ciemniejszym obrazem o lepszej wyrazistości.

W tej części opracowujemy praktyczny proces wstępnej analizy, wykorzystując jedynie trójwymiarowe ścieżki promieni i obraz z detektora, aby wizualnie odpowiedzieć na trzy pytania: (i) gdzie znajduje się przesłona i które promienie przez nią przechodzą, (ii) czym różnią się promienie paraksjalne (główne) od promieni brzegowych oraz (iii) czy występują jakieś zjawiska, takie jak przycinanie lub winietowanie, które mogą wpłynąć na jakość obrazu uzyskiwanego poza osią.

2. Zlokalizuj przystanek i upewnij się, że jest otwarty.

W widoku 3D zlokalizuj element ograniczający/przysłonę (zazwyczaj płytę z okrągłym otworem). Obróć scenę, aby widzieć promienie zbliżające się do elementu i przechodzące przez niego (??). Ten element jest najłatwiejszym miejscem do zrozumienia, ile światła obiektyw może faktycznie dostarczyć do obrazu. Chociaż wszystkie elementy optyczne znajdujące się przed elementem ograniczającym są oświetlone, tylko promienie przechodzące przez przysłonę mogą rozchodzić się w pozostałej części systemu i docierać do detektora. Z punktu widzenia optyki, element ograniczający definiuje wejściową źrenicę systemu, a tym samym jego aperturę numeryczną.

Jeśli dany punkt kontroli jest obecnie zamknięty i nie przepuszcza światła, kliknij go prawym przyciskiem myszy i wybierz. Edytor siatki (??). Otwiera to okno edytora siatki otworów, które widać na ilustracji. W tym oknie edytora można ustawić parametr d0 reguluje średnicę otworu. Zwiększanie d0 powiększa otwór i umożliwia przepuszczanie większej liczby promieni; zmniejszenie go powoduje ograniczenie działania systemu. Jako punkt wyjścia, ustaw d0 do wartości około 0.035lub nieco poniżej tej wartości. d1, co określa zewnętrzną wartość promienia kwadratowego otworu.

2. Porównaj wiązki promieni osiowych, głównych i brzegowych.

Najszybszym sposobem na „zbadanie” soczewki jest porównanie, jak światło zachowuje się, przechodząc przez środek soczewki (wiązka blisko osi), z tym, jak zachowuje się, gdy wchodzi do układu blisko krawędzi soczewki. W terminologii optycznej porównujemy zachowanie wiązki bliskoosiowej (lub wiązki promieni głównych) z zachowaniem wiązki na krawędzi źrenicy (lub wiązki promieni brzegowych). Ogólnie rzecz biorąc, promienie przechodzące blisko środka soczewki (blisko osi optycznej) są mniej zniekształcone niż promienie wpadające przez krawędź soczewki. Dzieje się tak, ponieważ promienie wpadające blisko krawędzi soczewki muszą być bardziej odchylone, aby skupić się na osi optycznej. Wykonasz dwa testy, które różnią się tylko miejscem, w którym wiązka wchodzi do przedniej części soczewki. Zacznij od podstawowego przypadku, w którym wiązka przechodzi przez oś: umieść wiązkę na środku okna symulacji i kliknij „uruchom”. Światło powinno swobodnie przechodzić przez układ i tworzyć zwartą plamę na detektorze (??). W klasycznej terminologii optycznej ta wiązka bliskoosiowa reprezentuje zachowanie promieni głównych (bliskoosiowych).

Następnie należy przesunąć źródło światła tak, aby promień padał blisko krawędzi pierwszego elementu, nie zmieniając przy tym kierunku promienia. Taki przypadek nazywa się przypadkiem brzegowym, w którym promienie padają blisko krawędzi źrenicy. W tym samouczku wykorzystujemy dwa różne sposoby przedstawienia tego samego zagadnienia: widok z boku (??) i widok z góry (??).

Te promienie brzegowe przechodzą blisko krawędzi źrenicy (daleko od środka osi optycznej), dlatego też „próbkują” najbardziej zdeformowane obszary układu optycznego. W tym przypadku nie dążymy do idealnej zgodności z teoretycznymi założeniami – po prostu zmuszamy model do pokazania, jak zachowują się różne rodziny promieni. Po każdym uruchomieniu otwórz detector0/RAY_image.csv i porównaj wyniki. Centralna wiązka promieni (promień główny) powinna zazwyczaj być zwarta i symetryczna, natomiast promienie brzegowe to obszar, w którym najczęściej pojawiają się asymetrie, rozmycia i obcięcia.

3. Wizualnie sprawdź, czy występują problemy z prześwietleniem i zaciemnieniem na brzegach obrazu.

Gdy przysłona jest zamknięta, aby uzyskać ostrzejszy, bardziej punktowy obraz, częstym efektem ubocznym jest zmniejszenie jasności na krawędziach obrazu, co nazywa się winietowaniem. Przykład można zobaczyć na ilustracji (??). „Clipping” odnosi się do sytuacji, w której promienie są fizycznie blokowane przez przysłonę lub krawędź obiektywu i nie docierają do detektora. Oba te efekty są najłatwiej zauważalne, gdy promienie mają mały kąt padania. W OghmaNano zazwyczaj osiąga się to za pomocą parametru obrotu, takiego jak „Rotate Phi” w edytorze źródła światła. Aby edytować źródło światła, kliknij je prawym przyciskiem myszy i wybierz opcję „Edytuj obiekt” (??). Otwiera to edytor źródła światła, w którym można ustawić wartość „Rotate Phi” (np. na 8°) (??).

Po ustawieniu wartości Rotate Phi, umieść nachyloną wiązkę w centrum układu soczewek i uruchom symulację ponownie (??). Powinieneś teraz zobaczyć, jak wiązka rozchodzi się w systemie, zachowując kontrolowany kąt nachylenia, co znacznie ułatwia zlokalizowanie miejsc, w których promienie są odchylane.

Przy następnym uruchomieniu wyłącz wyświetlanie soczewek w trybie bryłowym, aby móc obserwować ścieżki promieni wewnątrz szkła. Kliknij prawym przyciskiem myszy na soczewkę, przejdź do menu Widok i odznacz opcję „Wyświetl bryłę” (??). Następnie uruchom ponownie symulację (lub po prostu przeanalizuj istniejące promienie) i obserwuj, jak wiązka jest kierowana przez kolejne powierzchnie (??).

Teraz powtórz tę samą procedurę kontroli dla ustawienia na krawędzi źrenicy (jak w sekcji 2), ale zachowaj ten sam kąt widzenia. To właśnie w tej kombinacji (kąt widzenia + promienie brzegowe) najpierw pojawia się winietowanie. Jeśli promienie znikają, twoim zadaniem jest zidentyfikowanie, gdzie są odcinane: czy to w samej przysłonie, w mechanicznej obudowie, czy też w granicy apertury elementu soczewki.