1. Фокусна відстань оптичних систем
Фокусна відстань є дуже важливим показником оптичної системи. Щодо концепції фокусної відстані, яку ми більш-менш розуміємо, ми розглянемо її тут.
Фокусна відстань оптичної системи, яка визначається як відстань від оптичного центру оптичної системи до фокуса променя при паралельному падінні світла, є мірою концентрації або розбіжності світла в оптичній системі. Ми використовуємо наступну діаграму для ілюстрації цієї концепції.
На наведеному вище рисунку паралельний промінь, що падає з лівого кінця, після проходження через оптичну систему сходиться до фокуса зображення F', зворотна лінія витягування збіжного променя перетинається з відповідною лінією витягування падаючого паралельного променя в точці, а поверхня, яка проходить цю точку та перпендикулярна до оптичної осі, називається задньою головною площиною, задня головна площина перетинається з оптичною віссю в точці P2, яка називається головною точкою (або оптичним центром), відстань між головною точкою та фокусом зображення, це те, що ми зазвичай називаємо фокусною відстанню, повна назва - ефективна фокусна відстань зображення.
З рисунка також видно, що відстань від останньої поверхні оптичної системи до фокальної точки F' зображення називається задньою фокусною відстанню (ЗФД). Відповідно, якщо паралельний промінь падає з правого боку, існують також поняття ефективної фокусної відстані та передньої фокусної відстані (ПФД).
2. Методи тестування фокусної відстані
На практиці існує багато методів, які можна використовувати для перевірки фокусної відстані оптичних систем. Ґрунтуючись на різних принципах, методи перевірки фокусної відстані можна розділити на три категорії. Перша категорія базується на положенні площини зображення, друга категорія використовує співвідношення між збільшенням і фокусною відстанню для отримання значення фокусної відстані, а третя категорія використовує кривизну хвильового фронту збіжного світлового променя для отримання значення фокусної відстані.
У цьому розділі ми представимо поширені методи перевірки фокусної відстані оптичних систем:
2.1CМетод оліматора
Принцип використання коліматора для перевірки фокусної відстані оптичної системи показано на діаграмі нижче:
На рисунку тестовий шаблон розміщено у фокусі коліматора. Висота y тестового шаблону та фокусна відстань fc' коліматора відомі. Після того, як паралельний промінь, що випромінюється коліматором, зійдеться тестованою оптичною системою та відобразиться на площині зображення, фокусну відстань оптичної системи можна розрахувати на основі висоти y' тестового шаблону на площині зображення. Фокусну відстань тестованої оптичної системи можна розрахувати за такою формулою:
2.2 ГаусівськаMметод
Схематичне зображення гаусівського методу для перевірки фокусної відстані оптичної системи показано нижче:
На рисунку передня та задня головні площини тестованої оптичної системи представлені як P та P' відповідно, а відстань між двома головними площинами дорівнює d.PУ цьому методі значення dPвважається відомим, або його значення мале і ним можна знехтувати. Об'єкт та приймальний екран розміщуються на лівому та правому кінцях, а відстань між ними записується як L, де L має бути більшою ніж у 4 рази за фокусну відстань тестованої системи. Тестову систему можна розмістити у двох положеннях, позначених як положення 1 та положення 2 відповідно. Об'єкт ліворуч можна чітко відобразити на приймальному екрані. Відстань між цими двома положеннями (позначеними як D) можна виміряти. Згідно зі спряженим співвідношенням, ми можемо отримати:
У цих двох положеннях відстані до об'єктів записуються як s1 та s2 відповідно, тоді s2 - s1 = D. Виводячи формулу, ми можемо отримати фокусну відстань оптичної системи, як показано нижче:
2.3Лензометр
Лінзометр дуже добре підходить для тестування оптичних систем з великою фокусною відстанню. Його схематичне зображення виглядає наступним чином:
По-перше, досліджувана лінза не розміщена на оптичному шляху. Спостережувана ціль ліворуч проходить через колімуючу лінзу та перетворюється на паралельне світло. Паралельне світло збирається збиральною лінзою з фокусною відстанню f.2і формує чітке зображення на опорній площині зображення. Після калібрування оптичного шляху, випробувана лінза розміщується на оптичному шляху, а відстань між випробуваною лінзою та збиральною лінзою дорівнює f2В результаті, через дію тестованої лінзи, світловий промінь буде перефокусований, що призведе до зміщення положення площини зображення, в результаті чого на діаграмі буде чітке зображення в положенні нової площини зображення. Відстань між новою площиною зображення та збиральною лінзою позначається як x. Виходячи з взаємозв'язку об'єкт-зображення, фокусну відстань тестованої лінзи можна визначити як:
На практиці лінзометр широко використовується для вимірювання фокусної відстані окулярних лінз та має такі переваги, як простота експлуатації та надійна точність.
2.4 АбатRефрактометр
Рефрактометр Аббе – це ще один метод перевірки фокусної відстані оптичних систем. Його схематичне зображення виглядає наступним чином:
Розмістіть дві лінійки різної висоти на стороні поверхні об'єкта, що досліджується, а саме шкалу 1 та шкалу 2. Відповідні висоти шкал дорівнюють y1 та y2. Відстань між двома шкалами дорівнює e, а кут між верхньою лінією лінійки та оптичною віссю дорівнює u. Шкала зображується випробуваною лінзою з фокусною відстанню f. Мікроскоп встановлено на кінці поверхні зображення. Зміщуючи положення мікроскопа, можна знайти верхні зображення двох шкал. При цьому відстань між мікроскопом та оптичною віссю позначається як y. Відповідно до співвідношення об'єкт-зображення, ми можемо отримати фокусну відстань як:
2.5 Муар-дефлектометріяМетод
Метод муарової дефлектометрії використовує два набори лінійок Ронкі в паралельних світлових променях. Лінійка Ронкі являє собою сітчастий візерунок з металевої хромової плівки, нанесеної на скляну підкладку, який зазвичай використовується для перевірки роботи оптичних систем. Метод використовує зміну муарових смуг, утворених двома ґратками, для перевірки фокусної відстані оптичної системи. Принципова схема виглядає наступним чином:
На рисунку вище спостережуваний об'єкт, після проходження через коліматор, стає паралельним променем. На оптичному шляху, без попереднього додавання тестованої лінзи, паралельний промінь проходить через дві решітки з кутом зміщення θ та міжгратковою відстанню d, утворюючи набір муарових смуг на площині зображення. Потім тестова лінза розміщується на оптичному шляху. Початкове колімоване світло, після заломлення лінзою, забезпечить певну фокусну відстань. Радіус кривизни світлового променя можна отримати за такою формулою:
Зазвичай тестовану лінзу розміщують дуже близько до першої решітки, тому значення R у наведеній вище формулі відповідає фокусній відстані лінзи. Перевагою цього методу є те, що він може перевіряти фокусну відстань як систем з позитивною, так і з негативною фокусною відстанню.
2.6 ОптичнийFіберAавтоколімаціяMметод
Принцип використання методу автоколімації оптичного волокна для перевірки фокусної відстані лінзи показано на рисунку нижче. Він використовує волоконну оптику для випромінювання розбіжного променя, який проходить через лінзу, що тестується, а потім на плоске дзеркало. Три оптичні шляхи на рисунку представляють стан оптичного волокна у фокусі, у фокусі та поза фокусом відповідно. Переміщуючи положення тестованої лінзи вперед і назад, можна знайти положення волоконної головки у фокусі. У цей час промінь самоколімується, і після відбиття плоским дзеркалом більша частина енергії повертається до положення волоконної головки. Метод простий в принципі та легко реалізується.
3. Висновок
Фокусна відстань є важливим параметром оптичної системи. У цій статті ми детально розглядаємо концепцію фокусної відстані оптичної системи та методи її тестування. За допомогою схематичної діаграми ми пояснюємо визначення фокусної відстані, включаючи концепції фокусної відстані з боку зображення, фокусної відстані з боку об'єкта та фокусної відстані спереду-назад. На практиці існує багато методів тестування фокусної відстані оптичної системи. У цій статті представлено принципи тестування коліматорного методу, методу Гауса, методу вимірювання фокусної відстані, методу вимірювання фокусної відстані Аббе, методу відхилення муару та методу автоколімації оптичного волокна. Я вважаю, що, прочитавши цю статтю, ви краще зрозумієте параметри фокусної відстані в оптичних системах.
Час публікації: 09 серпня 2024 р.
