Tutorial de Lente Prime de 200 mm (Parte B): Anatomia de Raios e Verificações de Vinhetagem

1. Introdução

Uma lente de câmera controla quanta luz entra no sistema óptico usando uma abertura (também chamada de aperture stop), uma abertura variável formada por lâminas metálicas sobrepostas. A Figura (??) mostra uma abertura de estilo fotográfico em várias configurações, de totalmente aberta a quase fechada. À medida que a abertura se fecha, a abertura livre se torna menor e sua forma passa a ser cada vez mais definida pela geometria das lâminas. Isso afeta diretamente quais raios podem atravessar a lente e alcançar o detector.

Abrir bastante a abertura permite que mais luz entre no sistema óptico, produzindo uma imagem mais brilhante. No entanto, nessa configuração muitos raios passam pelas regiões externas da lente, onde as aberrações costumam ser mais fortes, levando a maior distorção e menor nitidez. Fechar a abertura restringe os raios à parte central da lente, o que geralmente produz uma imagem mais nítida, mas ao custo de menor brilho. Na prática, isso cria um compromisso entre uma imagem brilhante com menor nitidez e uma imagem mais escura com maior clareza.

Nesta parte construímos um fluxo de trabalho prático pré-métrico, usando apenas os caminhos de raios 3D e a imagem do detector, para responder visualmente a três perguntas: (i) onde está o stop e quais raios ele admite, (ii) como os raios paraxiais (chief) diferem dos raios marginais, e (iii) se há clipping ou vinhetagem que comprometerão o desempenho fora do eixo.

2. Encontre o stop e confirme que ele está aberto

Na visualização 3D, localize o objeto stop/apertura (tipicamente uma placa com uma abertura circular). Gire a cena para que você possa ver os raios se aproximando e passando pelo stop (??). Esse stop é o local mais rápido para entender quanta luz a lente pode realmente entregar à imagem. Embora todos os elementos ópticos antes do stop sejam iluminados, apenas os raios que passam pelo aperture stop podem se propagar pelo restante do sistema e alcançar o detector. Em termos ópticos, o stop define a pupila de entrada do sistema e, portanto, sua abertura numérica.

Se o stop estiver atualmente fechado de modo que nenhuma luz possa passar, clique com o botão direito no objeto stop e selecione Mesh editor (??). Isso abre o editor de malha da abertura mostrado na figura. Nesse editor, o parâmetro d0 controla o diâmetro da abertura livre. Aumentar d0 amplia o orifício e permite que mais raios passem; diminuir esse valor fecha mais o sistema. Como ponto de partida prático, defina d0 para um valor em torno de 0.035, ou logo abaixo do valor de d1, que define o raio externo da abertura quadrada.

2. Compare feixes paraxiais, chief e marginais

A maneira mais rápida de “ler” uma lente é comparar como a luz se comporta ao passar pelo centro da lente (um feixe próximo ao eixo) com como a luz se comporta quando entra no sistema perto da borda da lente. Em linguagem óptica, estamos comparando o comportamento paraxial (ou comportamento de raio chief) com um feixe na borda da pupila (ou comportamento de raio marginal). Em geral, raios que passam próximos ao centro da lente (próximos ao eixo óptico) sofrem menos distorção do que raios que entram pela borda da lente. Isso ocorre porque os raios que entram perto da borda da lente precisam ser desviados mais fortemente para serem trazidos ao eixo óptico. Você fará duas execuções que diferem apenas no ponto em que o feixe entra na frente da lente. Comece com o caso base no eixo: coloque o feixe no centro da janela de simulação e clique em executar. A luz deve passar de forma limpa pelo sistema e formar uma pegada compacta no detector (??). Em linguagem de óptica clássica, esse feixe próximo ao eixo representa o comportamento de raios chief (paraxial).

Em seguida, translade a fonte para que o feixe entre próximo à borda do primeiro elemento, sem alterar a direção do feixe. Esse é o caso marginal, em que os raios entram perto da borda da pupila. Neste tutorial, você usa duas vistas da mesma ideia: uma vista lateral (??) e uma vista superior (??).

Esses raios marginais passam perto da borda da pupila (longe do centro do eixo óptico) e portanto amostram as regiões mais fortemente aberradas da óptica. Você não está tentando ser perfeitamente acadêmico aqui — está simplesmente forçando o modelo a mostrar como diferentes famílias de raios se comportam. Após cada execução, abra detector0/RAY_image.csv e compare as pegadas. O feixe central (raio chief) tipicamente deve parecer compacto e simétrico, enquanto os raios marginais são onde assimetria, borramento e clipping costumam aparecer primeiro.

3. Diagnostique clipping e vinhetagem a olho

Quando a abertura é fechada para obter uma imagem mais nítida e mais pontual, um efeito colateral comum pode ser a redução de luz ao redor das bordas da imagem, isso é chamado de vinhetagem, um exemplo pode ser visto em (??). Clipping refere-se ao caso em que os raios são fisicamente bloqueados por uma abertura ou borda da lente e não conseguem alcançar o detector. Ambos os efeitos são mais fáceis de revelar quando você dá aos raios um pequeno ângulo de campo. No OghmaNano isso é tipicamente feito usando um parâmetro de rotação como Rotate Phi no editor da fonte de luz. Para editar a fonte de luz, clique com o botão direito na fonte e selecione Edit object (??). Isso abre o editor da fonte de luz onde você pode definir Rotate Phi (por exemplo para 8°) (??).

Com Rotate Phi definido, coloque o feixe angulado no centro da pilha de lentes e execute novamente (??). Agora você deve ver o feixe se propagando pelo sistema com uma inclinação controlada, o que torna muito mais fácil perceber onde os raios estão sendo rejeitados.

Para a próxima execução, desative a renderização sólida das lentes para que você possa ver os caminhos dos raios dentro do vidro. Clique com o botão direito em uma lente, vá em View e desmarque Show solid (??). Em seguida, execute novamente (ou apenas inspecione os raios existentes) e estude como o feixe é desviado superfície por superfície (??).

Agora repita a mesma inspeção para uma posição na borda da pupila (como na Seção 2), mas mantenha o mesmo ângulo de campo. Essa combinação (ângulo de campo + raios marginais) é onde a vinhetagem aparece primeiro. Se os raios desaparecerem, sua tarefa é identificar onde eles são rejeitados: no próprio stop, em um barril mecânico, ou em um limite de abertura livre de um elemento de lente.