Optisches Design eines anamorphotischen Aufsatzes für ein schnelles Kameraobjektiv eines Smartphones, einer Drohne oder einer GoPro

Ziel ist es, einen kompakten anamorphotischen Aufsatz mit einer horizontalen Sichtfeldvergrößerung von 33% für ein schnelles (F1.8) Objektiv der 13-Megapixel-Hauptkamera eines Smartphones oder einer ähnlichen Miniaturkamera zu berechnen (oder auf neue Weise optisch zu gestalten). Ein Merkmal der Arbeit ist die Berechnung des optischen Systems und die weitere Optimierung der Befestigung unter Verwendung der Entwurfsparameter des optischen Systems (Oberflächenform, Glasmarken, Luftspalte) des ausgewählten Kameraobjektivs.



Dieser Ansatz ermöglicht eine realistische Modellierung mithilfe von CAD-Programmen, Methoden zur inkonsistenten Strahlverfolgung durch das System zur Bewertung von Streulicht, die Blendung bilden. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren die Vermeidung von Vignettierungen und die Minimierung von Aberrationen, die häufig bei Verwendung von Universalaufsätzen auftreten, die auf willkürliche Weise berechnet werden, ohne die Konstruktionsmerkmale des Objektivs zu berücksichtigen, mit dem es verwendet wird. Das Verfahren ermöglicht es auch, die Struktur der Kamerahalterung unter Berücksichtigung der erforderlichen Position des Aufsatzes korrekt zu gestalten, an der die Austritts- und Eintrittspupillen der optischen Systeme des Objektivs und des Aufsatzes vollständig aufeinander abgestimmt sind.

1. Einleitung

Ein afokaler anamorphotischer (oder zylindrischer) Aufsatz ist ein optisches System aus zylindrischen Linsen, das Bilder optisch transformiert, indem die Brennweite der Linse verringert wird. Eine Abnahme der Brennweite ist mit der gewünschten Zunahme des Winkel-Sichtfelds der Linse in einer gegebenen, normalerweise horizontalen Richtung verbunden. Die Düse wandelt ein Quadrat in ein Rechteck oder ein Rechteck mit einem Seitenverhältnis in ein Rechteck mit einem anderen Seitenverhältnis um. Zum Beispiel, um das Seitenverhältnis des Rahmens von 4: 3 auf 16: 9 zu ändern.



Anamorphotische Linsen erzeugen ein komprimiertes Bild, das dann mithilfe der in eingebetteten Anwendungen implementierten digitalen Bildverarbeitung (Entquetschen) in ein Weitwinkelbild umgewandelt wird.







Erstens kann eine anamorphotische Linse das Winkelfeld erweitern.







Darüber hinaus können Sie mit dem Anhang die mit der Kamera von Smartphones, Drohnen, GoPro-Kameras und kompakten Digitalkameras erstellten Aufnahmen erheblich verändern und verschönern und so einzigartige Spezialeffekte erzielen. Der Effekt der Erweiterung des Raums im Rahmen wird erzeugt, die Perspektive ändert sich, es treten spezielle optische Effekte auf - anhaltende Blendung durch helle Quellen. All dies bildet eine besondere Ausdruckskraft des übertragenen Bildes, den Surrealismus, der den Effekt der Aufnahme auf professionelle teure und hochwertige Objektive imitiert, die häufig im großen Kino verwendet werden. Dies ist auf das spezielle Design des optischen Systems des Aufsatzes zurückzuführen.

2. Die wichtigsten optischen Eigenschaften der anamorphotischen Befestigung

Der Aufsatz ist ein kompaktes optisches System, das vor der Linse installiert ist und Teil des optischen Systems wird.



Das optische System des Aufsatzes ist so ausgelegt, dass in einem Abschnitt, in dem sich die Krümmung der zylindrischen Flächen manifestiert, der Aufsatz als herkömmliches System von sphärischen Linsen und in dem anderen senkrecht dazu als System von planparallelen Platten wirkt.







Die meisten Anhänge bestehen aus zwei Komponenten. Um die Kompaktheit zu gewährleisten, wird ein Teleskopzylindersystem verwendet, das im Hauptteil nach dem Galileo-Teleskop gebaut ist. Es wandelt die parallelen Strahlen, die am Ausgang des Systems in das System eintreten, in dieselben parallelen Strahlen um, jedoch mit unterschiedlichen Winkeln zur optischen Achse in zwei zueinander senkrechten Abschnitten. Entsprechend seiner Wirkung führt der Aufsatz zu einer Änderung der Brennweite des mit ihm verwendeten Objektivs nur in eine Richtung, und in der anderen arbeitet er ohne optische Leistung und ohne Änderung der Brennweite. In 1 sind sie mit L1 und L2 bezeichnet. Der Kompaktheit halber fällt der vordere imaginäre Fokus F1 der ersten

negativen Komponente L1 mit dem hinteren Fokus F'2 der zweiten L2 zusammen.







Die Brennweite eines Objektivs mit einem Aufsatz im Hauptabschnitt (horizontal) wird durch die Formel bestimmt:

$$

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

wobei f0 die Brennweite des Kameraobjektivs ist, -f1 und f2 die Brennweiten der ersten negativen und zweiten positiven Komponente des anamorphotischen Aufsatzes sind. Im Hauptabschnitt ändert sich die Bildskala entsprechend der scheinbaren Vergrößerung des Teleskopsystems, während sie im anderen Abschnitt unverändert bleibt. Dies bedeutet, dass der Anamorphosekoeffizient A des Aufsatzes gleich dem Verhältnis der Absolutwerte der Brennweiten der Aufsatzkomponenten ist:

$$

$$A=f_1/f_2$$

Der Abstand d zwischen den Befestigungskomponenten ist gleich der Differenz zwischen den Absolutwerten der Brennweiten der Komponenten:

$$

$$d=f_2-f_1$$

3. Die Hauptphasen des Entwurfs eines optischen Systems

Die Entwicklung des optischen Systems eines Geräts, beispielsweise einer afokalen Befestigung, besteht normalerweise aus den folgenden Hauptschritten:

• Bestimmung der wichtigsten optischen Eigenschaften und Maßbeschränkungen (Erstellung technischer Spezifikationen);
• Dimensions- und Lichtenergieberechnung;
• Aberrationsberechnung oder Suche nach dem nächstgelegenen Prototyp;
• Optimierung des optischen Systems mit optischer Software (CodeV, Zemax Optics Studio);
• Qualitätsanalyse, Berechnung von Toleranzen für Abweichungen von Konstruktionsparametern;

Die Weiterentwicklung erfolgt in der Regel in folgenden Phasen:

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

Um den Zeitaufwand für den Entwicklungslebenszyklus eines solchen Geräts abzuschätzen, wurde ein Zeitplan für eines der Startups im Netzwerk veröffentlicht, der beim Kickstarter besprochen wurde

4. Berechnung des optischen Systems der anamorphotischen Bindung

Lassen Sie uns näher auf den ersten Teil eingehen, der dem optischen Design gewidmet ist.

Maßberechnung

Ein wichtiger Punkt in der Anfangsphase des optischen Entwurfs ist die Verfügbarkeit von Entwurfsparametern des Hauptziels, für die die anamorphotische Bindung berechnet wird. Oft kann ein durch einen Firmennamen gefundenes Patent als Ausgangspunkt verwendet werden.

Als erstes optisches System haben wir ein System verwendet, das auf einem schnellen F1.8-Objektiv der vorderen 13-Megapixel-Kamera eines Smartphones basiert, dessen optisches Schema und Designparameter unten dargestellt sind.







Ferner wurden die anfänglichen Daten zu den wichtigsten geometrischen Parametern und Konstruktionsparametern des Systems an das Programm Zemax Optics Studio übertragen, wodurch das System erhalten wurde:







Es ist zu beachten, dass die Objektivlinsen aus Kunststoff bestehen und eine komplexe asphärische Oberflächenform aufweisen, die eine asphärische Oberfläche höherer Ordnung darstellt, die durch die deformierte asphärische Gleichung zweiter Ordnung unter Verwendung von Deformationskoeffizienten bei gleichmäßigen Potenzen von Radialkoordinaten auf der Oberfläche beschrieben wird:







Die optischen Haupteigenschaften der Kamera selbst haben die folgenden Werte:

1. Die Brennweite des Smartphone-Kameraobjektivs beträgt f'0 = 4,1 mm.
2. Relatives Loch: $$ .$D: f’0=1:1. 8$
3. Der Eintrittspupillendurchmesser beträgt $$ mm.$D=2.28$
4. Position der Eintrittspupille: Die Eintrittspupille des Objektivs ist auf die Aperturblende ausgerichtet, die am Zylinder der ersten Objektivlinse angebracht ist $$$S_P = 0$ .
5. :$$$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.

Nehmen wir den Wert des Anamorphosekoeffizienten der afokalen Bindung A = 0,67. Das Anamorphoseverhältnis bestimmt das horizontale Kompressionsverhältnis der Koordinaten im Bild. Jene. In unserem Fall werden die horizontalen Koordinaten um 33% komprimiert.



Stellen wir die folgenden Werte für die Brennweiten der Befestigungskomponenten ein: f1 = -13,4 mm (negative Linse), f2 = -f1 / A = 13,4 mm / 0,67 = 20 mm (positive Linse), der Abstand zwischen den Befestigungskomponenten ist gleich der Summe der Brennweiten der Komponenten: d = f2 + f1 = 20 mm + (-13,4) mm = 6,6 mm. Infolgedessen ändert sich die Brennweite des [Objektiv] + [Befestigungs] -Systems in einem Abschnitt (vertikal) nicht und entspricht der Brennweite des 4,1-mm-Objektivs. Im horizontalen Abschnitt verringert sich die Brennweite und wird gleich:



$$ Das Sichtfeld einer Linse mit einem Aufsatz nimmt in der horizontalen Ebene zu und wird nach folgender Formel berechnet:$f = 4.1 *(13.4 )/(20 ) = 2.665 .$

$$

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

,

Wobei A die Linse Anamorphose Koeffizient.

Ergebend:

$$

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

Das Sichtfeld eines Smartphone-Kameraobjektivs mit Aufsatz vergrößert sich auf folgende Werte:

$$

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

Als nächstes wird eine Aberrationsberechnung und Optimierung eines optischen Systems durchgeführt, das aus zwei Komponenten besteht.



Das Ergebnis ist ein optisches System, das aus zwei doppelt linsengeklebten zylindrischen Komponenten besteht.











Die Hauptmerkmale der Düse:

1. Betrachtungswinkel: $$$2W_{\text{H2}}* 2 W_{\text{V2}} = 2W_{\text{H2}} * 2 W_{\text{V1}} = 81.24{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ}$
2. Diagonaler Blickwinkel: 87,53 °.
3. Seitenverhältnis: 16: 9.
4. Winkelvergrößerung: $$$Γ= A =(-f_1)/f_2=0.67$...
5. Systemlänge entlang der optischen Achse: L = 14 mm
6. Luftspalt zwischen Bauteilen: d = 7 mm
7. Größe der ersten Komponentenöffnung: 16 mm x 12 mm
8. Dicke der ersten Komponente: 4 mm
9. Dicke der zweiten Komponente: 3 mm

5. Schlussfolgerung

Ein Ansatz zur Berechnung einer anamorphotischen afokalen Befestigung an einem Kompaktkameraobjektiv wird vorgeschlagen. Der Aufsatz besteht aus zwei zusammengeklebten zylindrischen Doppellinsenkomponenten. Um die Kompaktheit zu gewährleisten, wird ein Teleskopzylindersystem verwendet, das im Hauptteil nach dem Galileo-Teleskop gebaut ist. Die Frontalkomponente des Systems ist ein Kurzfokus mit einer negativen optischen Leistung und die zweite Komponente mit einer positiven Leistung. In diesem Fall stimmt der vordere imaginäre Fokus der ersten Komponente mit dem hinteren Fokus der zweiten Komponente überein. Die Austrittspupille des Systems befindet sich hinter dem Aufsatz und ist mit der Eintrittspupille des Kompaktkameraobjektivs ausgerichtet. Die Länge des Systems überschreitet nicht die maximale Querabmessung der ersten Komponente. Die Glasdicke der geklebten Frontkomponentenlinsen überschreitet 30% der Gesamtsystemlänge nicht. Laut dem Autor,Dieser Ansatz gewährleistet eine genaue Anpassung der Pupillen des Systems und eine hohe Bildqualität bei gleichzeitiger Reduzierung der Größe und des Gewichts der Düse.