Desain optik lampiran anamorphic untuk lensa kamera cepat dari smartphone, drone, atau GoPro

Tujuannya adalah untuk menghitung (atau, dengan cara baru, desain optik) dari alat pelengkap anamorphic kompak dengan peningkatan bidang pandang horizontal 33% untuk lensa cepat (F1.8) dari kamera 13 megapiksel utama smartphone atau kamera miniatur serupa. Fitur pekerjaan adalah perhitungan sistem optik dan pengoptimalan lebih lanjut dari pemasangan menggunakan parameter desain sistem optik (bentuk permukaan, merek kaca, celah udara) dari lensa kamera yang dipilih.



Pendekatan ini memungkinkan pemodelan realistis menggunakan program CAD, metode penelusuran sinar yang tidak konsisten melalui sistem untuk mengevaluasi flare yang membentuk silau. Selain itu, metode ini memungkinkan Anda untuk menghindari vinyet dan meminimalkan penyimpangan, yang sering ditemui saat menggunakan attachment universal, dihitung secara sembarangan tanpa memperhitungkan fitur desain lensa yang digunakannya. Metode ini juga memungkinkan untuk merancang desain dudukan kamera dengan benar, dengan mempertimbangkan ketentuan posisi pemasangan yang diperlukan, di mana murid keluar dan masuk dari sistem optik lensa dan alat tambahan sepenuhnya cocok.

1. Perkenalan

Lampiran anamorphic afocal (atau silinder) adalah sistem optik yang terdiri dari lensa silinder yang dirancang untuk mengubah gambar secara optik dengan mengurangi panjang fokus lensa. Penurunan panjang fokus dikaitkan dengan peningkatan bidang sudut pandang lensa yang diinginkan ke arah tertentu, biasanya horizontal. Lampiran mengonversi persegi menjadi persegi panjang atau persegi panjang dengan satu rasio aspek menjadi persegi panjang dengan rasio aspek berbeda. Misalnya, untuk mengubah rasio aspek bingkai dari 4: 3 menjadi 16: 9.



Lensa anamorphic menghasilkan gambar terkompresi yang kemudian diubah menjadi gambar sudut lebar menggunakan pemrosesan gambar digital (de-squeezing), diimplementasikan dalam aplikasi bawaan.







Pertama-tama, lensa anamorphic mampu memperluas bidang sudut.







Bersamaan dengan ini, lampiran memungkinkan Anda untuk secara signifikan mengubah dan mempercantik bidikan yang dibuat dengan kamera smartphone, drone, kamera GoPro, dan kamera digital ringkas, menciptakan efek khusus yang unik. Efek memperluas ruang dalam bingkai dibuat, perspektif berubah, efek optik khusus muncul - silau yang tersisa dari sumber terang. Semua ini membentuk ekspresi khusus dari gambar yang dipancarkan, surealisme, meniru efek pengambilan gambar pada lensa profesional mahal dan berkualitas tinggi yang sering digunakan di bioskop besar. Ini karena desain khusus sistem optik lampiran.

2. Karakteristik optik utama dari perlekatan anamorphic

Alat tambahan adalah sistem optik kompak yang dipasang di depan lensa, yang menjadi bagian dari sistem optik.



Sistem optik sambungan dirancang sedemikian rupa sehingga di satu bagian, di mana kelengkungan permukaan silinder dimanifestasikan, sambungan bertindak sebagai sistem konvensional lensa bola, dan di sisi lain, tegak lurus, sebagai sistem pelat bidang-paralel.







Kebanyakan attachment memiliki dua komponen. Untuk memastikan kekompakan, sistem silinder teleskopik digunakan, dibangun di bagian utama menurut teleskop Galileo. Ini mengubah berkas sinar paralel yang memasukkannya menjadi sinar paralel yang sama di pintu keluar dari sistem, tetapi dengan sudut yang berbeda dengan sumbu optik dalam dua bagian yang saling tegak lurus. Dengan aksinya, pemasangan mengarah pada perubahan panjang fokus lensa yang digunakan hanya pada satu arah, dan di sisi lain, lensa bekerja tanpa daya optik dan tanpa mengubah panjang fokus. Pada Gambar 1, mereka diberi label L1 dan L2. Demi kekompakan, fokus imajiner depan F1 dari

komponen negatif pertama L1 bertepatan dengan fokus belakang F'2 dari L2 kedua.







Panjang fokus lensa dengan sambungan di bagian utama (horizontal) ditentukan dengan rumus:

$$

$$f=f'_0(-f_1)/f_2 ,$$

dengan f0 adalah panjang fokus lensa kamera, -f1 dan f2 adalah panjang fokus dari komponen positif pertama dan negatif dari sambungan anamorfik. Pada bagian utama, skala citra berubah sesuai dengan perbesaran semu sistem teleskopik, sedangkan pada bagian lainnya tetap tidak berubah. Ini berarti bahwa koefisien anamorfosis A perlekatan sama dengan rasio nilai absolut panjang fokus komponen perlekatan:

$$

$$A=f_1/f_2$$

Jarak d antara komponen sambungan sama dengan selisih antara nilai absolut panjang fokus komponen:

$$

$$d=f_2-f_1$$

3. Tahapan utama perancangan sistem optik

Pengembangan sistem optik suatu perangkat, seperti afocal attachment, biasanya terdiri dari langkah-langkah utama berikut:

• Penentuan karakteristik optik utama dan batasan dimensi (penyusunan spesifikasi teknis);
• Perhitungan dimensi dan energi cahaya;
• Penghitungan penyimpangan atau mencari prototipe terdekat;
• Optimasi sistem optik menggunakan perangkat lunak optik (CodeV, Zemax Optics studio);
• Analisis kualitas, perhitungan toleransi untuk penyimpangan parameter desain;

Perkembangan selanjutnya biasanya melalui tahapan berikut:

• (optomechanical design) ( );
• .
• , . 2.
• v.2. , .. . ( , ..).
• image processing ().
• . .
• .
• .

Untuk memperkirakan waktu yang dihabiskan pada siklus hidup pengembangan perangkat semacam itu, jaringan memposting jadwal salah satu startup, yang dibahas di kickstarter

4. Perhitungan sistem optik sambungan anamorphic

Mari kita membahas lebih detail di bagian pertama, yang dikhususkan untuk desain optik.

Perhitungan dimensi

Poin penting pada tahap awal desain optik adalah ketersediaan parameter desain lensa utama, yang untuknya kelekatan anamorphic dihitung. Seringkali paten yang ditemukan oleh nama perusahaan dapat digunakan sebagai titik awal.

Sebagai sistem optik awal, kami mengambil sistem yang didasarkan pada lensa F1.8 cepat dari kamera depan 13 megapiksel dari smartphone, skema optik dan parameter desainnya disajikan di bawah ini.







Selanjutnya data awal parameter geometri utama dan parameter desain sistem dipindahkan ke program Zemax Optics Studio, sehingga diperoleh sistem:







Perhatikan bahwa lensa obyektif terbuat dari plastik dan memiliki bentuk permukaan asferis yang kompleks, yaitu asferis orde tinggi, dijelaskan oleh persamaan asferis deformasi orde kedua menggunakan koefisien deformasi pada derajat genap koordinat radial di permukaan:







Karakteristik optik utama kamera itu sendiri memiliki nilai berikut:

1. Panjang fokus lensa kamera smartphone adalah f'0 = 4.1 mm.
2. Lubang relatif: $$$D: f’0=1:1. 8$ .
3. Diameter pupil pintu masuk adalah $$$D=2.28$ mm.
4. Posisi Murid Masuk: Murid pintu masuk obyektif sejajar dengan diafragma apertur yang dipasang pada laras lensa obyektif pertama $$$S_P = 0$ .
5. :$$$2W_{\text{H1}}* 2 W_{\text{V1}}=59.8{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ}$
6. 71.2°.
7. Diag=5. 867mm, (aspect ratio): 4:3.
8. 13MP. : 1.12 um.

Mari kita ambil nilai koefisien anamorfosis perlekatan afokal A = 0,67. Rasio anamorfosis menentukan rasio kompresi horizontal dari koordinat pada gambar. Itu. dalam kasus kami, koordinat horizontal dikompresi sebesar 33%.



Mari kita tetapkan nilai-nilai berikut untuk panjang fokus komponen pemasangan f1 = -13,4 mm (lensa negatif), f2 = -f1 / A = 13,4 mm / 0,67 = 20 mm (lensa positif), jarak antara komponen pemasangan sama dengan jumlah panjang fokus komponen: d = f2 + f1 = 20mm + (-13.4) mm = 6.6mm. Akibatnya, panjang fokus sistem [lensa] + [pelekatan] dalam satu bagian (vertikal) tidak akan berubah dan akan sama dengan panjang fokus lensa 4.1mm, dan pada bagian horizontal panjang fokusnya akan berkurang dan menjadi sama dengan:



$$$f = 4.1 *(13.4 )/(20 ) = 2.665 .$

Bidang pandang lensa dengan lampiran bertambah pada bidang horizontal dan dihitung dengan rumus:

$$

$$tg(W_{\text{H2}})=tg(W_{\text{H1}})/A$$

, dengan

A adalah koefisien anamorfosis lensa.

Hasil dari:

$$

$$W_{\text{H2}}=arctg(tg(59.8°/2)/0.67) = 40.62°$$

Bidang pandang lensa kamera smartphone dengan lampiran meningkat ke nilai:

$$

$$2W_{\text{H2}}* 2 W_{\text{V2}} = 2W_{\text{H2}} * 2 W_{\text{V1}} = 81.24{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ}$$

Selanjutnya dilakukan perhitungan aberasi dan optimalisasi sistem optik yang terdiri dari dua komponen.



Hasilnya adalah sistem optik yang terdiri dari dua komponen silinder yang dilem dengan lensa ganda.











Karakteristik utama nosel:

1. Sudut pandang: $$$2W_{\text{H2}}* 2 W_{\text{V2}} = 2W_{\text{H2}} * 2 W_{\text{V1}} = 81.24{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ}$
2. Sudut pandang diagonal: 87,53 °.
3. Rasio aspek: 16: 9.
4. Pembesaran Sudut: $$$Γ= A =(-f_1)/f_2=0.67$...
5. Panjang sistem di sepanjang sumbu optik: L = 14mm
6. Celah udara antar komponen: d = 7 mm
7. Ukuran bukaan komponen pertama: 16mm x12mm
8. Ketebalan komponen pertama: 4 mm
9. Ketebalan komponen kedua: 3 mm

5. Kesimpulan

Sebuah pendekatan untuk menghitung keterikatan afokal anamorphic ke lensa kamera saku diusulkan. Nozel terdiri dari dua komponen silinder lensa ganda yang direkatkan. Untuk memastikan kekompakan, digunakan sistem silinder teleskopik, yang dibuat di bagian utama menurut teleskop Galileo. Komponen depan sistem adalah fokus pendek, yang memiliki daya optik negatif, dan komponen kedua memiliki daya positif. Dalam kasus ini, fokus imajiner depan dari komponen pertama bertepatan dengan fokus belakang komponen kedua. Pupil keluar sistem terletak di belakang attachment dan sejajar dengan pupil pintu masuk lensa kamera saku. Panjang sistem tidak melebihi dimensi transversal maksimum dari komponen pertama. Ketebalan kaca lensa komponen depan yang terikat tidak melebihi 30% dari total panjang sistem. Menurut penulis,pendekatan ini memastikan pencocokan yang tepat dari pupil sistem dan mendapatkan kualitas gambar yang tinggi sekaligus mengurangi ukuran dan berat nosel.