Навчальний матеріал щодо використання об’єктива з фіксованою фокусною відстанню 200 мм (частина А): завантаження, перевірка та виконання базового трасування променів.

1. Вступ

Об’єктив із фіксованою фокусною відстанню – це об’єктив, у якому фокусна відстань не змінюється, на відміну від зум-об’єктива, у якому фокусна відстань може плавно змінюватися (див. ??). Об’єктиви з фіксованою фокусною відстанню широко використовуються у фотографії та системах обробки зображень, оскільки їх можна оптимізувати для роботи з однією фокусною відстанню: порівняно із зум-об’єктивом з аналогічними характеристиками, об’єктив із фіксованою фокусною відстанню часто має простішу оптичну конструкцію, зазвичай забезпечує ширшу робочу діафрагму та може забезпечувати кращу якість зображення по краях кадру при тих же розмірах і вартості. У цьому навчальному посібнику ми використовуємо об’єктив із фіксованою фокусною відстанню 200 мм як приклад для вправи, де спочатку розглядається геометрія, а потім аналізується проходження променів світла: мета полягає не в оптимізації певних параметрів, а в тому, щоб навчитися швидко виявляти неправильне розташування діафрагми, небажане обрізання зображення та неправильне розташування площин детектора.

У цьому навчальному посібнику ми використовуємо об’єктив з фіксованою фокусною відстанню 200 мм, щоб продемонструвати, як перевірити багатокомпонентний фотографічний об’єктив у тривимірному просторі, виконати базове відстеження променів і якісно проаналізувати отримані результати. Оригінальний об’єктив описано в американському патенті ( US Patent 3,942,876 – телеоб’єктив). Мета полягає не в тому, щоб «оцінити» об’єктив за допомогою функції оцінювання, а в тому, щоб навчитися розпізнавати його геометрію та траєкторії променів, щоб швидко виявляти обрізання, неправильне розташування діафрагми та чутливість поза віссю.

Процес, описаний у цьому навчальному посібнику, відповідає загальноприйнятій практиці в професійному оптичному проєктуванні: перш ніж застосовувати будь-які методи оптимізації або кількісні функції оцінювання, спочатку геометрично перевіряють модель лінзи, аналізуючи траєкторії променів, розташування діафрагми та поведінку детектора. Якщо модель не проходить ці перевірки, числові показники втрачають сенс.

2. Завантаження прикладу зображення, зробленого за допомогою об’єктива з фіксованою фокусною відстанню 200 мм.

У головному вікні натисніть «Нова симуляція». Відкриється бібліотека симуляцій (??). Двічі клацніть «Трасування променів», щоб перейти до розділу з прикладами оптики (??), потім виберіть об’єктив Prime 200 мм (або фіксований об’єктив 200 мм) і вкажіть робочу директорію (наприклад, вашу особисту папку).

3. Орієнтуйтеся в тривимірній сцені та виконайте базове трасування променів.

Після завантаження програма «Оптична платформа» має відкритися у вигляді, подібному до ??. Оптична вісь проходить зліва направо. Ліворуч ви повинні бачити одне або кілька джерел світла (зеленого кольору), посередині – елементи лінзи (кольорові скляні поверхні), а праворуч – площину детектора (фіолетового кольору).

Для цієї конструкції можна мислити в термінах «передньої оптичної частини» та «задньої секції» біля детектора: ключовим моментом для частини А є просто ідентифікація (i) основних елементів лінзи, (ii) діафрагми, та (iii) площини детектора. (Якщо вам цікаво: у опублікованих схемах телеоб’єктивів, на яких базується ця демонстрація, використовується рухома об’єктивна секція та задня корегувальна лінза, закріплена відносно площини плівки/сенсора).

Використовуйте мишу для дослідження: переміщуйте курсор по чорному фону, щоб обертати зображення та перевіряти відстань між елементами. Мета полягає в тому, щоб переконатися, що ви зможете візуально визначити розташування зупинки та детектора, перш ніж запускати будь-які процеси.

Натисніть кнопку «Запустити моделювання» (синій трикутник на головній панелі інструментів). Після завершення моделювання ви повинні побачити, як промені поширюються від джерел, проходять через усю систему лінз і досягають площини детектора (див. ??).

4. Пошук і відкриття основних результатів.

Перейдіть на вкладку «Вивід». Там ви повинні побачити папку детектора (зазвичай detector0) і відповідні файли виводу трасування променів (приклад у ??). Кожен детектор має власну папку виводу: відкрийте detector0 (вона позначена піктограмою «камера/ПЗЗ-матриця»).

Після відкриття detector0 ви повинні побачити файли, зокрема RAY_image.csv (приклад у ??). Двічі клацніть RAY_image.csv, щоб переглянути зображення, отримане датчиком. У реальній камері ця площина датчика відповідає площині сенсора/плівки: тобто в сучасній цифровій камері це зображення формується на CMOS/CCD-сенсорі, розташованому в цій площині.

Швидка перевірка правильності налаштування фокусування (змістіть площину детектора).

Найшвидший спосіб розвинути інтуїцію – це переміщувати площину детектора, а не елементи лінзи. Якщо говорити концептуально, це схоже на переміщення сенсора вперед/назад відносно лінзи та спостереження за тим, як змінюється розмиття. Ваша мета – знайти положення детектора, яке забезпечує найменшу пляму на детекторі (на око).

По-перше, увімкніть відображення розмірів на екрані. Клацніть правою кнопкою миші на чорному фоні, виберіть «Вигляд» та увімкніть опцію «Показувати розміри» (див. ??). Тепер ви повинні бачити положення об’єктів x/y/z і їхні товщини/довжини (які відображаються як dx тощо).

Тепер переміщуйте площину детектора вперед і назад вздовж оптичної осі та спостерігайте, як змінюється пляма. Для наочної демонстрації переміщуйте її до крайніх положень (очевидно, занадто далеко вперед, а потім – занадто далеко назад), а потім шукайте положення, де пляма буде найменшою. Ви можете або повторювати моделювання після кожної зміни, або (для швидкої якісної перевірки) просто спостерігайте, як змінюється розташування точок перетину променів на площині детектора.

Чи означає «найкраща фокусування» положення з найменшою площею розсіювання? Для цього посібника: так – вважайте мінімальну площу розсіювання найкращим варіантом фокусування. (Згодом такі показники, як середньоквадратичний радіус плями, формалізують саме цю ідею, але вам не потрібно їх знати, щоб освоїти метод, який передбачає спочатку вивчення геометрії.)

Якщо вам потрібне числове значення для параметра «відстань від сенсора до останнього елемента», ви можете визначити його безпосередньо на основі зображення геометрії на екрані: зчитайте координату x останнього елемента лінзи (його опорну позицію), додайте її товщину dx, а потім відніміть від координати x площини детектора. Це дасть приблизне значення відстані між задньою поверхнею останнього елемента та площиною детектора. Повторіть це у положенні, де досягається найкраща візуальна фокусування, і запишіть отримане значення.