Навчальний матеріал про фіксований об’єктив 200 мм (частина B): анатомія променів і перевірка на віньєтування.

1. Вступ

Об’єктив камери регулює кількість світла, що потрапляє в оптичну систему, за допомогою діафрагми (яку також називають діафрагмою об’єктива), змінної отвору, що утворюється перекривними металевими пластинами. На рисунку (??) показано діафрагму фотографічного типу в різних положеннях, від повністю відкритої до майже закритої. У міру закриття діафрагми отвір стає меншим, а його форма все більше визначається геометрією пластин. Це безпосередньо впливає на те, які промені світла можуть проходити через об’єктив і досягати сенсора.

Відкриття діафрагми на широку апертуру дозволяє більшій кількості світла потрапляти в оптичну систему, що створює яскравіше зображення. Однак у цій конфігурації багато променів проходять через зовнішні ділянки лінзи, де зазвичай спостерігаються найсильніші аберації, що призводить до збільшення спотворень і зниження чіткості. Зменшення апертури обмежує промені центральною частиною лінзи, що зазвичай створює чіткіше зображення, але ціною зменшення яскравості. На практиці це створює компроміс між яскравим зображенням із нижчою чіткістю та темнішим зображенням із покращеною деталізацією.

У цій частині ми розробляємо практичний попередній етап обробки даних, використовуючи лише тривимірні траєкторії променів і зображення, отримане детектором, щоб візуально відповісти на три запитання: (i) де розташована діафрагма і які промені вона пропускає, (ii) чим відрізняються параціальні (головні) промені від периферійних променів, і (iii) чи є обрізання або затемнення, які можуть погіршити якість зображення поза центром.

2. Знайдіть зупинку та переконайтеся, що вона працює.

У тривимірному режимі знайдіть об’єкт, що виконує функцію діафрагми (зазвичай це пластина з круглим отвором). Поверніть сцену так, щоб ви могли бачити промені, які наближаються до діафрагми та проходять крізь неї (??). Ця діафрагма – найкраще місце, щоб зрозуміти, скільки світла об’єктив може фактично передати на зображення. Хоча всі оптичні елементи перед діафрагмою освітлюються, лише промені, які проходять крізь отвір діафрагми, можуть поширюватися далі по системі та досягати детектора. В оптичному сенсі діафрагма визначає вхідну апертуру системи, а отже, і її числову апертуру.

Якщо зараз отвір закритий і крізь нього не може проходити світло, клацніть правою кнопкою миші на об’єкті отвору та виберіть «Редактор сітки» (??). Відкриється редактор сітки отвору, зображений на малюнку. У цьому редакторі параметр d0 регулює діаметр прозорої частини отвору. Збільшення значення d0 розширює отвір і дозволяє більшій кількості променів проходити крізь нього; зменшення значення – звужує отвір. Для початку можна встановити значення d0 приблизно на рівні 0.035 або трохи нижче значення d1, яке визначає зовнішній радіус квадратного отвору.

2. Порівняйте пучки променів, що відповідають параціальній, головній і периферійній зонах.

Найшвидший спосіб «проаналізувати» лінзу – порівняти, як поводиться світло, проходячи через центр лінзи (промінь, що проходить близько до осі), з тим, як поводиться світло, коли воно потрапляє в систему біля краю лінзи. У термінології оптики ми порівнюємо параксиальне (або головне) проміння з промінням, що проходить біля краю зіниці (або периферійне проміння). Загалом, промені, які проходять близько до центру лінзи (біля оптичної осі), зазнають менших спотворень, ніж промені, які проходять через край лінзи. Це тому, що промені, які потрапляють біля краю лінзи, повинні сильніше відхилятися, щоб їх можна було сфокусувати на оптичній осі. Ви проведете два експерименти, які відрізняються лише місцем, де промінь потрапляє на передню частину лінзи. Почніть із базового випадку, коли промінь проходить по осі: розмістіть промінь у центрі вікна моделювання та натисніть кнопку «Запустити». Світло має проходити через систему без перешкод і утворювати компактний слід на детекторі (??). У класичній оптиці цей промінь, що проходить близько до осі, представляє собою головне (параксиальне) проміння.

Далі, відкоригуйте вихідні дані так, щоб промінь потрапляв поблизу краю першого елемента, не змінюючи напрямок променя. Це називається граничним випадком, коли промені потрапляють поблизу краю зіниці. У цьому посібнику ви використовуєте два різні способи відображення однієї й тієї ж ідеї: вид збоку (??) і вид зверху (??).

Ці периферійні промені проходять поблизу краю зіниці (далеко від центру оптичної осі) і, отже, фіксують найбільш виражені аберації в оптичній системі. Тут не потрібно прагнути до ідеальної відповідності підручнику – ви просто змушуєте модель показати, як поводяться різні групи променів. Після кожного запуску відкрийте detector0/RAY_image.csv і порівняйте отримані зображення. Центральний (головний) пучок променів зазвичай має бути компактним і симетричним, тоді як периферійні промені, як правило, першими демонструють асиметрію, розмитість і обрізання.

3. Визначте наявність ефекту «обрізання» та віньєтування візуально.

Коли діафрагму закривають, щоб отримати чіткіше, більш точкове зображення, часто виникає побічний ефект – зменшення освітленості по краях зображення, це явище називається віньєтуванням, приклад можна побачити тут (??). Обрізання (кліпінг) – це випадок, коли промені фізично блокуються діафрагмою або краєм лінзи і не досягають детектора. Обидва ці ефекти найлегше помітити, коли променям надають невеликий кут розходження. В OghmaNano це зазвичай робиться за допомогою параметра обертання, наприклад, Rotate Phi в редакторі джерела світла. Щоб відредагувати джерело світла, клацніть правою кнопкою миші на джерелі світла та виберіть «Редагувати об’єкт» (??). Це відкриває редактор джерела світла, де можна встановити значення Rotate Phi (наприклад, 8°) (??).

У налаштуваннях Rotate Phi встановіть потрібне значення, розмістіть похилий промінь у центрі системи лінз і повторіть процес (??). Тепер ви повинні бачити, як промінь поширюється системою з контрольованим кутом нахилу, що значно полегшує визначення місць, де промені відхиляються.

Для наступного запуску вимкніть відображення лінз у твердій формі, щоб ви могли бачити шляхи променів всередині скла. Клацніть правою кнопкою миші на лінзі, перейдіть до розділу «Вигляд» і зніміть позначку з опції «Показувати в твердій формі» (??). Потім повторно запустіть симуляцію (або просто перегляньте наявні промені) і вивчіть, як пучок променів направляється від поверхні до поверхні (??).

Тепер повторіть ту саму перевірку для розміщення на краю зіниці (як у розділі 2), але збережіть той самий кут поля зору. Саме в цій комбінації (кут поля зору + периферійні промені) спочатку проявляється віньєтування. Якщо промені зникають, ваше завдання полягає в тому, щоб визначити, де вони блокуються: у самій діафрагмі, у механічному корпусі або через обмеження відкритої апертури елемента лінзи.