Оптическая насадка своими руками

БЛОГ ДМИТРИЯ ЕВТИФЕЕВА

Мои эксперименты в области фотосъемки, статьи по фототехнике и оптике

Студийный свет: оптические насадки

Кроме рефлекторов существуют еще так называемые «оптические насадки». Оптическая насадка отличается от обычного рефлектора (например, снута) наличием внутри собирающей лучи оптической системы линз (конденсора). Оптическую систему можно фокусировать.

С точки зрения светового пятна, оптическая насадка позволяет иметь световое пятно с чётко очерченными границами.

слева: снут с мелкими сотами, справа: оптическая насадка Falcon Eyes FEA-OST

Несложно заметить, что как бы мы не зажимали пятно снута, оно всё равно имеет размытые края. А вот оптическая насадка даёт более-менее равномерный по освещенности круг.

Достигается это фокусирующей системой линз.

фокусирующая система линз оптической насадки

Снут же (по терминологии Falcon Eyes — коническая насадка) внутри полый и линз не имеет.

Снут (Насадка коническая Falcon Eyes DPSA-CST)

Насадка оптическая Falcon Eyes FEA-OST

Насадка устанавливается на моноблок или световую головку. По-умолчанию, имеет байонет Bowens (недорогое студийное оборудование), но можно также оснастить адаптерами под Hensel, MultiBlitz, BronColor.

Если бы такой вариант был, когда я только начинал оснащать свою студию. Браво, Falcon Eyes! Универсальность крепления позволит сэкономить начинающим фотографам много денег.

Для чего предназначена оптическая насадка

Круг с четкими границами

Во-первых, само по себе пятно с резко очерченными краями часто используется в fashion-съемках, создавая на фоне виньетку.

Круг, конечно, не обязательно должен быть чёрно-белый. В комплекте с оптической насадкой идут цветные фолиевые фильтры.

оптическая насадка с синим фолиевым фильтром

Узоры на фоне

Во-вторых, можно использовать оптическую насадку с масками, которые к ней прилагаются (прилагаются именно у Falcon Eyes, а у многих других брендов продаются отдельно).

маски Гобо для оптической насадки

Сверху — держатель под маски, снизу — сами маски (окно, луна, сердце, кленовый лист).

маска Гобо «окно» установленная в держатель

маска Гобо «окно»

маска Гобо «кленовый лист»

на фон светит оптическая насадка с маской Гобо «окно»

В комплекте самые простые формы, но и с их помощью можно получить очень интересные тени на фоне. А если у вас будет желание, то вы можете сами вырезать кружки из жести с любыми формами.

Небольшой инсайд — маски Гобо от производителя дорогих студийных приборов Broncolor. Можно «отталкиваться» от этих узоров, а можно изобрести что-то совсем новое.

маски Гобо от Broncolor

Любые другие способы работы жестким пятном света

Можно использовать оптическую насадку, чтобы подсветить волосы модели или отдельные фрагменты одежды контровым светом. Но это непрофильное использование оптической насадки. Так её используют, если нет снута или глубоких рефлекторов, дающих маленькое световое пятно с размытыми границами.

Другие типы оптических насадок

Есть также более простые оптические насадки, например, простые насадки на основе линзы Френеля.

Данная насадка устанавливается на вспышки серии SS от Falcon Eyes.

Представляет из себя интегрированную внутрь металлического корпуса линзу Френеля. Задача линзы Френеля — собирать свет в пучок. Металлическая часть с линзой может перемещаться вперед и назад, фокусируя пятно.

В держатели могут быть установлены маски Гобо и цветные фолиевые фильтры.

Для теста этой насадки я взял не её родные простые маски Гобо, а свои, гораздо более сложные, с мелким рисунком, чтобы посмотреть, где заканчиваются её возможности и сравнить с более дорогими аналогами.

Все недорогие оптические насадки грешат наличием хроматических аберраций. С ХА бороться сложно, для этого нужно разрабатывать целый объектив. По этой причине обходятся системой из нескольких простых линз или вообще одной, как здесь. Но должен заметить, что нам не всегда нужны чёткие и «правильные» края узоров на фоне. Ниже приведены примеры, как можно использовать данную насадку (по просьбе читателя блога).

update 29.10.2014

Коническая оптическая насадка

Т.к. читатели интересуются и другими оптическими насадками, то я попробовал еще одну.

Выбрал для неё самые интересные маски Гобо из её же набора и фолиевый фильтр.

Мне пришлось снимать на iso 400 и F5.6 т.к. вспышка у меня была задействована 300дж. Данная насадка «съедает» большое количество света из-за своей формы. А если к ней добавить маску Гобо и цветной фильтр, то вспышка нужна уже от 600дж и более!

Данной насадкой конструкторы попытались достигнуть более-менее чётких границ пятна при маленькой себестоимости. Вылилось это в огромные потери света в самой насадке и её сильный нагрев (в ней нет вентиляции). Буквально через минуту она нагревается так, что уже не дотронешься. Маски вынимаешь и сразу выкидываешь на пол т.к. они очень горячие. Если у вас вспышка от 600дж и более, а нагрев конструкции не смущает, то можете её попробовать. Я бы лично выбрал один из двух других вариантов.

Итоги

Обе представленные насадки пригодны для отображения простых фигур. Особенно для проекции окна, луны, звёзд и т.п. в слегка размытом состоянии на фон.
Более мелкие структуры проецировать мешают хроматические аберрации, с которыми справляются только очень хорошие приборы, оборудованные специальными объективами.
Несмотря на простоту насадки с линзой Френеля она мне очень понравилась. Да, она сильно уступает в качестве проецирования дорогим приборам, но для большинства фотографических задач требуются именно эффекты на фоне, как представлены в статье. Эти насадки легкие, компактные и дают основные фоновые эффекты.

Хотите бесплатно получать свежие
статьи по фото?

• — тесты обьективов и фотокамер
• — статьи по истории фототехники
• — секретные приемы фотосьемки
• — проф. методы обработки в фотошопе

Источник

Оптический дизайн анаморфотной насадки для светосильного объектива камеры смартфона, беспилотника или GoPro

Цель заключается в проведении расчёта (или, выражаясь по-новому, оптического дизайна) компактной анаморфотной насадки с увеличением поля зрения по горизонтали на 33% для светосильного (F1.8) объектива основной 13-мегапиксельной камеры смартфона или аналогичной миниатюрной камеры. Особенностью работы является расчёт оптической системы и дальнейшая оптимизация насадки с использованием конструктивных параметров оптической системы (формы поверхностей, марок стёкол, воздушных промежутков) выбранного объектива камеры.

Такой подход позволяет провести реалистичное моделирование с использованием CAD программ, методов непоследовательной трассировки лучей через систему для оценки засветок, формирующих блики. Кроме того, способ позволяет избежать виньетирования и минимизировать аберрации, что часто встречается при использовании универсальных насадок, рассчитанных произвольным образом без учёта конструктивных особенностей объектива, с которым она применяется. Также способ позволяет правильно спроектировать конструкцию крепления камеры с учётом обеспечения требуемого положения насадки, при котором полностью согласованы выходные и входные зрачки оптических систем объектива и насадки.

1. Введение

Афокальной анаморфотной (или цилиндрической) насадкой называется оптическая система, составленная из цилиндрических линз, предназначенная для трансформирования изображений оптическим способом за счёт уменьшения фокусного расстояния объектива. Уменьшение фокусного расстояния связано с желаемым увеличением углового поля зрения объектива в заданном, обычно горизонтальном, направлении. Насадка преобразует квадрат в прямоугольник или прямоугольник с одним соотношением сторон в прямоугольник с другим соотношением сторон. Например, для изменения соотношения сторон кадра с 4:3 на отношение 16:9.

Анаморфотные объективы формируют сжатое изображение, которое в последствии трансформируется в изображение широкоугольного формата с помощью средств цифровой обработки изображения (de-squeezing), реализуемых во встроенных приложениях.

В первую очередь анаморфотный объектив способен расширить угловое поле.

Наряду с этим, насадка позволяет значительно преобразить и украсить съёмку, производимую с помощью камеры смартфонов, беспилотников, камер GoPro и компактных цифровых камер, создавая неповторимые спецэффекты. Cоздаётся эффект расширения пространства в кадре, изменяется перспектива, появляются специальные оптические эффекты – протяжные блики от ярких источников. Все это формирует особенную выразительность передаваемого изображения, сюрреалистичность, имитируя эффект съёмки на профессиональные дорогие и качественные объективы, часто используемые в большом кинематографе. Это происходит за счёт особой конструкции оптической системы насадки.

2. Основные оптические характеристики анаморфотной насадки

Насадка представляет компактную оптическую систему, устанавливаемую перед объективом, которая становится частью оптической системы.

Оптическая система насадки спроектирована таким образом, что в одном сечении, в котором проявляется кривизна цилиндрических поверхностей, насадка действует как обычная система сферических линз, а в другом, перпендикулярном ему, как система плоскопараллельных пластинок.

Большинство насадок состоят из двух компонентов. Для обеспечения компактности используется телескопическая цилиндрическая система, построенная в главном сечении по схеме телескопа Галилея. Она трансформирует входящие в неё параллельные пучки лучей в такие же параллельные на выходе из системы, но с различными значениями углов с оптической осью в двух взаимно перпендикулярных сечениях. По своему действию насадка приводит к изменению фокусного расстояния используемого с ней объектива только в одном направлении, а в другом работает без оптической силы и без изменения фокусного расстояния. На рисунке 1 они обозначены как L1 и L2. С целью обеспечения компактности передний мнимый фокус F1 первого
отрицательного компонента L1 совпадает с задним фокусом F’2 второго L2.

Фокусное расстояние объектива с насадкой в главном (горизонтальном) сечении определяется по формуле:

где f0- фокусное расстояние объектива камеры, -f1 и f2 – фокусное расстояние первого отрицательного и второго положительного компонента анаморфотной насадки. В главном сечении масштаб изображения меняется в соответствии с видимым увеличением телескопической системы, а в другом сечении он остаётся неизменным. Значит, коэффициент анаморфозы A насадки равен отношению абсолютных значений фокусных расстояний компонентов насадки:

Расстояние d между компонентами насадки равно разнице между абсолютными значениями фокусных расстояний компонентов:

3. Основные этапы проектирования оптической системы

Разработка оптической системы устройства, например афокальной насадки, обычно состоит из следующих основных этапов:

• Oпределение основных оптических характеристик и габаритных ограничений (составление ТЗ);
• Габаритный и светоэнергетический расчёт;
• Аберрационный расчёт или поиск наиболее близкого прототипа;
• Оптимизация оптической системы с помощью оптического ПО (CodeV, Zemax Optics studio);
• Aнализ качества, расчёт допусков на отклонения конструктивных параметров;

Далее разработка обычно проходит по следующим этапам:

• Разработка конструкции корпуса (optomechanical design) и конструкции крепления насадки к смартфону (чехол или клипса);
• Подготовка чертежей оптических и механических деталей и конструкторской документации для изготовления первого прототипа.
• Изготовление и проверка прототипа, внесение изменений в оптическую систему и конструкцию. Подготовка конструкторской документации для изготовления прототипа 2.
• Изготовление прототипа v.2. Расширенное тестирование с помощью друзей, тестировщиков и т.д. Модернизация. Минимизация затрат на производство (более дешёвые стекла, материалы и т.д.).
• Разработка собственного софта для image processing (опционально).
• Подготовка к массовому производству. Оптимизация.
• Запуск массового производства.
• Расширение номенклатуры.

Для оценки временных затрат жизненного цикла разработки подобного устройства в сети выложен план-график одного из стартапов, который обсуждался на кикстартере

4. Расчёт оптической системы анаморфотной насадки

Остановимся более подробно на первой части, посвящённой оптическому дизайну.

Габаритный расчёт

Важным моментом на начальном этапе оптического дизайна является наличие конструктивных параметров основного объектива, для которого рассчитывается анаморфотная насадка. Часто в качестве отправной точки можно использовать патент, найденный по названию компании.
В качестве исходной оптической системы была взята система на основе светосильного F1.8 объектива фронтальной 13-мегапиксельной камеры смартфона, оптическая схема и конструктивные параметры которой представлена ниже.

Далее исходные данные об основных геометрических праметрах и конструктивных параметрах системы были перенесены в программу Zemax Optics Studio, в результате получена система:

Отметим, что линзы объектива изготавливаются из пластика имеют сложную асферическую форму поверхности, представляющую асферику высшего порядка, описываемую уравнением деформированной асферической второго порядка с помощью коэффициентов деформации при четных степенях радиальных координат на поверхности:

Основные оптические характеристики самой камеры имеют следующие значения:

1. Фокусное расстояние объектива камеры смартфона равно f’0 =4.1 мм.
2. Относительное отверстие: .
3. Диаметр входного зрачка равен мм.
4. Положение входного зрачка: входной зрачок объектива совпадает с апертурной диафрагмой, установленной на оправе первой линзы объектива мм.
5. Поле зрения объектива камеры смартфона без насадки составляет:
6. Полное поле зрения по диагонали объектива равно 71.2°.
7. Диагональ матрицы приёмника излучения Diag=5. 867mm, соотношение сторон (aspect ratio): 4:3.
8. Количество пикселей 13MP. Размер пиксела матрицы приёмника излучения: 1.12 um.

Примем значение коэффициента анаморфозы афокальной насадки A=0.67. Коэффициент анаморфозы определяет коэффициент сжатия координат в изображении по горизонтали. Т.е. в нашем случае происходит сжатие координат по горизонтали на 33%.

Зададим следующие значения фокусных расстояний компонентов насадки f1=-13.4 мм (отрицательная линза), f2= -f1/A=13.4 мм/0.67= 20 мм (положительная линза), расстояние между компонентами насадки равно сумме фокусных расстояний компонентов: d = f2 + f1=20мм + (-13.4)мм = 6.6 мм. В результате фокусное расстояние системы [объектив] +[насадка] в одном сечении (вертикальном) не изменится и будет равно фокусному расстоянию объектива 4.1мм, а в горизонтальном сечении фокусное расстояние уменьшится и станет равным:

Поле зрения объектива с насадкой увеличивается в горизонтальной плоскости и вычисляется по формуле:

,
где А – коээфициент анаморфозы объектива.
В результате:

Поле зрения объектива камеры смартфона с насадкой увеличивается до значений:

Далее проводится аберрационный расчёт и оптимизация оптической системы, состоящей из двух компонентов.

В результате получена оптическая система, состоящая из двух двухлинзовых склеенных цилиндрических компонентов.

Основные характеристики насадки:

1. Угол поля зрения:
2. Угол поля зрения по диагонали: 87.53°.
3. Соотношение сторон: 16:9.
4. Угловое увеличение: .
5. Длина системы по оптической оси: L=14мм
6. Воздушный промежуток между компонентами: d=7 мм
7. Размер апертуры первого компонента: 16мм x12мм
8. Толщина первого компонента: 4 мм
9. Толщина второго компонента: 3 мм

Источник