Conception optique de l'attachement anamorphique pour un objectif de caméra rapide d'un smartphone, drone ou GoPro

L'objectif est de calculer (ou, d'une nouvelle manière, la conception optique) d'un accessoire anamorphique compact avec une augmentation du champ de vision horizontal de 33% pour un objectif rapide (F1.8) de l'appareil photo principal 13 mégapixels d'un smartphone ou d'un appareil photo miniature similaire. Une caractéristique du travail est le calcul du système optique et une optimisation supplémentaire de la fixation en utilisant les paramètres de conception du système optique (forme des surfaces, marques de verre, entrefers) de l'objectif de la caméra sélectionnée.



Cette approche permet une modélisation réaliste à l'aide de programmes de CAO, des méthodes de traçage de rayons incohérents à travers le système pour évaluer les éruptions qui forment l'éblouissement. De plus, la méthode vous permet d'éviter le vignettage et de minimiser les aberrations, qui sont souvent rencontrées lors de l'utilisation d'accessoires universels, calculées de manière arbitraire sans prendre en compte les caractéristiques de conception de l'objectif avec lequel il est utilisé. Le procédé permet également de concevoir correctement la structure de la monture de caméra, en tenant compte de la disposition de la position requise de la fixation, à laquelle les pupilles de sortie et d'entrée des systèmes optiques de l'objectif et de la fixation sont parfaitement adaptées.

1. Introduction

Une fixation afocale anamorphique (ou cylindrique) est un système optique composé de lentilles cylindriques conçues pour transformer optiquement les images en réduisant la distance focale de la lentille. La diminution de la distance focale est associée à l'augmentation souhaitée du champ angulaire de vision de la lentille dans une direction donnée, généralement horizontale. La buse convertit un carré en rectangle ou un rectangle avec un rapport hauteur / largeur en un rectangle avec un rapport hauteur / largeur différent. Par exemple, pour changer le rapport hauteur / largeur de l'image de 4: 3 à 16: 9.



Les lentilles anamorphiques génèrent une image compressée qui est ensuite transformée en une image grand angle à l'aide d'un traitement d'image numérique (dé-squeezing), mis en œuvre dans des applications embarquées.







Tout d'abord, la lentille anamorphique est capable d'élargir le champ angulaire.







Parallèlement à cela, la pièce jointe vous permet de transformer et d'embellir considérablement la prise de vue réalisée avec l'appareil photo des smartphones, des drones, des caméras GoPro et des appareils photo numériques compacts, créant des effets spéciaux uniques. L'effet d'agrandissement de l'espace dans le cadre est créé, la perspective change, des effets optiques spéciaux apparaissent - un éblouissement persistant provenant de sources lumineuses. Tout cela forme une expressivité particulière de l'image transmise, le surréalisme, imitant l'effet de la prise de vue sur des objectifs professionnels coûteux et de haute qualité souvent utilisés dans le grand cinéma. Cela est dû à la conception spéciale du système optique de l'accessoire.

2. Les principales caractéristiques optiques de l'attachement anamorphique

L'accessoire est un système optique compact installé devant l'objectif, qui devient une partie du système optique.



Le système optique de la fixation est conçu de telle manière que dans une section, dans laquelle se manifeste la courbure des surfaces cylindriques, la fixation agit comme un système conventionnel de lentilles sphériques, et dans l'autre, perpendiculairement à celle-ci, comme un système de plaques plan-parallèles.







La plupart des pièces jointes ont deux composants. Pour assurer la compacité, un système cylindrique télescopique est utilisé, construit dans la section principale selon le télescope Galileo. Il transforme les faisceaux parallèles de rayons qui y pénètrent en les mêmes faisceaux parallèles à la sortie du système, mais avec des angles différents avec l'axe optique en deux sections mutuellement perpendiculaires. Selon son action, la fixation entraîne un changement de la distance focale de la lentille utilisée avec elle uniquement dans un sens, et dans l'autre elle fonctionne sans puissance optique et sans changer la distance focale. Sur la figure 1, ils sont étiquetés L1 et L2. Par souci de compacité, le foyer imaginaire avant F1 de la première

composante négative L1 coïncide avec le foyer arrière F'2 du deuxième L2.







La distance focale d'un objectif avec un accessoire dans la section principale (horizontale) est déterminée par la formule:

$$

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

où f0 est la distance focale de l'objectif de la caméra, -f1 et f2 sont les distances focales des premier négatif et deuxième composants positifs de la fixation anamorphique. Dans la section principale, l'échelle de l'image change en fonction du grossissement apparent du système télescopique, tandis que dans l'autre section, elle reste inchangée. Cela signifie que le coefficient d'anamorphose A de l'attachement est égal au rapport des valeurs absolues des distances focales des composants d'attachement:

$$

$$A=f_1/f_2$$

La distance d entre les composants de fixation est égale à la différence entre les valeurs absolues des distances focales des composants:

$$

$$d=f_2-f_1$$

3. Les principales étapes de la conception d'un système optique

Le développement du système optique d'un appareil, tel qu'une fixation afocale, comprend généralement les étapes principales suivantes:

• Détermination des principales caractéristiques optiques et limitations dimensionnelles (préparation des spécifications techniques);
• Calcul dimensionnel et d'énergie lumineuse;
• Calcul des aberrations ou recherche du prototype le plus proche;
• Optimisation du système optique à l'aide de logiciels optiques (CodeV, studio Zemax Optics);
• Analyse de la qualité, calcul des tolérances pour les écarts des paramètres de conception;

Le développement ultérieur passe généralement par les étapes suivantes:

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

Pour estimer le temps passé sur le cycle de vie de développement d'un tel appareil, le réseau a publié un calendrier de l'une des startups, qui a été discuté lors du kickstarter.

4. Calcul du système optique de l'attachement anamorphique

Arrêtons-nous plus en détail sur la première partie consacrée à la conception optique.

Calcul dimensionnel

Un point important au stade initial de la conception optique est la disponibilité des paramètres de conception de la lentille principale, pour laquelle l'attachement anamorphique est calculé. Souvent, un brevet trouvé par un nom de société peut être utilisé comme point de départ.

En tant que système optique initial, nous avons choisi un système basé sur un objectif rapide F1.8 de l'appareil photo avant de 13 mégapixels d'un smartphone, dont le schéma optique et les paramètres de conception sont présentés ci-dessous.







En outre, les données initiales sur les principaux paramètres géométriques et les paramètres de conception du système ont été transférées au programme Zemax Optics Studio, en conséquence, le système a été obtenu:







Notez que les lentilles d'objectif sont en plastique et ont une forme de surface asphérique complexe, représentant une asphérique d'ordre supérieur, décrite par l'équation asphérique déformée du second ordre utilisant des coefficients de déformation à des degrés pairs de coordonnées radiales sur la surface:







Les principales caractéristiques optiques de la caméra elle-même ont les valeurs suivantes:

1. La distance focale de l'objectif de l'appareil photo du smartphone est f'0 = 4,1 mm.
2. Trou relatif: $$ .$D: f’0=1:1. 8$
3. Le diamètre de la pupille d'entrée est $$ mm.$D=2.28$
4. Position de la pupille d'entrée: La pupille d'entrée de l'objectif correspond au diaphragme d'ouverture monté sur le barillet du premier objectif $$$S_P = 0$ .
5. :$$$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.

Prenons la valeur du coefficient d'anamorphose de l'attachement afocal A = 0,67. Le taux d'anamorphose détermine le taux de compression horizontale des coordonnées de l'image. Ceux. dans notre cas, les coordonnées horizontales sont compressées de 33%.



Définissons les valeurs suivantes pour les distances focales des composants de fixation f1 = -13,4 mm (objectif négatif), f2 = -f1 / A = 13,4 mm / 0,67 = 20 mm (objectif positif), la distance entre les composants de fixation est égale à la somme des distances focales des composants: d = f2 + f1 = 20 mm + (-13,4) mm = 6,6 mm. En conséquence, la distance focale du système [objectif] + [accessoire] dans une section (verticale) ne changera pas et sera égale à la distance focale de l'objectif 4,1 mm, et dans la section horizontale, la distance focale diminuera et deviendra égale à:



$$ Le champ de vision d'une lentille avec un accessoire augmente dans le plan horizontal et est calculé par la formule:$f = 4.1 *(13.4 )/(20 ) = 2.665 .$

$$

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

,

où A est le coefficient d'anamorphose du cristallin.

Par conséquent:

$$

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

Le champ de vision d'un objectif d'appareil photo pour smartphone avec un accessoire augmente aux valeurs:

$$

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

Ensuite, un calcul d'aberration et une optimisation d'un système optique constitué de deux composants sont effectués.



Le résultat est un système optique composé de deux composants cylindriques collés à double lentille.











Les principales caractéristiques de la buse:

1. Angle de vue: $$$2W_{\text{H2}}* 2 W_{\text{V2}} = 2W_{\text{H2}} * 2 W_{\text{V1}} = 81.24{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ}$
2. Angle de champ diagonal: 87,53 °.
3. Rapport d'aspect: 16: 9.
4. Grossissement d'angle: $$$Γ= A =(-f_1)/f_2=0.67$...
5. Longueur du système le long de l'axe optique: L = 14 mm
6. Entrefer entre les composants: d = 7 mm
7. Taille d'ouverture du premier composant: 16 mm x 12 mm
8. Épaisseur du premier composant: 4 mm
9. Épaisseur du deuxième composant: 3 mm

5. Conclusion

Une approche pour calculer un attachement afocal anamorphique à un objectif d'appareil photo compact est proposée. La buse se compose de deux composants cylindriques à double lentille collés ensemble. Pour assurer la compacité, un système cylindrique télescopique est utilisé, construit dans la section principale selon le télescope Galileo. La composante frontale du système est une mise au point courte, qui a une puissance optique négative, et la deuxième composante a une puissance positive. Dans ce cas, le foyer imaginaire avant du premier composant coïncide avec le foyer arrière du deuxième composant. La pupille de sortie du système est située derrière l'accessoire et alignée avec la pupille d'entrée de l'objectif de la caméra compacte. La longueur du système ne dépasse pas la dimension transversale maximale du premier composant. L'épaisseur du verre des lentilles des composants avant collés ne dépasse pas 30% de la longueur totale du système. D'après l'auteur,cette approche assure une correspondance précise des pupilles du système et l'obtention d'une qualité d'image élevée tout en réduisant la taille et le poids de la buse.