Εστιακή απόσταση οπτικών συστημάτων Ορισμός και μέθοδοι δοκιμής

1.Εστιακό μήκος Οπτικών Συστημάτων

Η εστιακή απόσταση είναι ένας πολύ σημαντικός δείκτης του οπτικού συστήματος, για την έννοια της εστιακής απόστασης, λίγο-πολύ έχουμε κατανόηση, εξετάζουμε εδώ.
Η εστιακή απόσταση ενός οπτικού συστήματος, που ορίζεται ως η απόσταση από το οπτικό κέντρο του οπτικού συστήματος έως την εστία της δέσμης όταν προσπίπτει παράλληλο φως, είναι ένα μέτρο της συγκέντρωσης ή της απόκλισης του φωτός σε ένα οπτικό σύστημα. Χρησιμοποιούμε το παρακάτω διάγραμμα για να επεξηγήσουμε αυτήν την έννοια.

Στο παραπάνω σχήμα, η παράλληλη δέσμη που προσπίπτει από το αριστερό άκρο, αφού περάσει από το οπτικό σύστημα, συγκλίνει στην εστία της εικόνας F', η αντίστροφη γραμμή επέκτασης της συγκλίνουσας ακτίνας τέμνεται με την αντίστοιχη γραμμή επέκτασης της προσπίπτουσας παράλληλης ακτίνας σε σημείο, και η επιφάνεια που διέρχεται από αυτό το σημείο και είναι κάθετη στον οπτικό άξονα ονομάζεται πίσω κύριο επίπεδο, το πίσω κύριο επίπεδο τέμνεται με τον οπτικό άξονα στο σημείο P2, το οποίο ονομάζεται κύριο σημείο (ή οπτικό κεντρικό σημείο), η απόσταση μεταξύ του κύριου σημείου και της εστίασης της εικόνας, είναι αυτό που συνήθως ονομάζουμε εστιακή απόσταση, το πλήρες όνομα είναι η πραγματική εστιακή απόσταση της εικόνας.
Μπορεί επίσης να φανεί από το σχήμα ότι η απόσταση από την τελευταία επιφάνεια του οπτικού συστήματος μέχρι το εστιακό σημείο F' της εικόνας ονομάζεται πίσω εστιακή απόσταση (BFL). Αντίστοιχα, εάν η παράλληλη δέσμη προσπίπτει από τη δεξιά πλευρά, υπάρχουν επίσης έννοιες της ενεργού εστιακής απόστασης και της μπροστινής εστιακής απόστασης (FFL).

2. Μέθοδοι δοκιμής εστιακού μήκους

Στην πράξη, υπάρχουν πολλές μέθοδοι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της εστιακής απόστασης των οπτικών συστημάτων. Με βάση διαφορετικές αρχές, οι μέθοδοι δοκιμής εστιακής απόστασης μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία βασίζεται στη θέση του επιπέδου της εικόνας, η δεύτερη κατηγορία χρησιμοποιεί τη σχέση μεταξύ μεγέθυνσης και εστιακής απόστασης για να λάβει την τιμή της εστιακής απόστασης και η τρίτη κατηγορία χρησιμοποιεί την καμπυλότητα μετώπου κύματος της συγκλίνουσας δέσμης φωτός για να αποκτήσει την τιμή της εστιακής απόστασης .
Σε αυτή την ενότητα, θα εισαγάγουμε τις συνήθως χρησιμοποιούμενες μεθόδους για τη δοκιμή της εστιακής απόστασης των οπτικών συστημάτων:

2.1CΜέθοδος ollimator

Η αρχή της χρήσης ενός collimator για τη δοκιμή της εστιακής απόστασης ενός οπτικού συστήματος είναι όπως φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα:

Στο σχήμα, το μοτίβο δοκιμής τοποθετείται στο επίκεντρο του ρυθμιστή. Το ύψος y του σχεδίου δοκιμής και η εστιακή απόσταση f_c' του collimator είναι γνωστά. Αφού η παράλληλη δέσμη που εκπέμπεται από τον ρυθμιστή συγκλίνει από το δοκιμασμένο οπτικό σύστημα και απεικονιστεί στο επίπεδο εικόνας, η εστιακή απόσταση του οπτικού συστήματος μπορεί να υπολογιστεί με βάση το ύψος y' του σχεδίου δοκιμής στο επίπεδο εικόνας. Η εστιακή απόσταση του ελεγμένου οπτικού συστήματος μπορεί να χρησιμοποιεί τον ακόλουθο τύπο:

2.2 GaussianMέθοδος
Το σχηματικό σχήμα της μεθόδου Gauss για τον έλεγχο της εστιακής απόστασης ενός οπτικού συστήματος φαίνεται παρακάτω:

Στο σχήμα, τα εμπρός και πίσω κύρια επίπεδα του υπό δοκιμή οπτικού συστήματος αντιπροσωπεύονται ως P και P' αντίστοιχα, και η απόσταση μεταξύ των δύο κύριων επιπέδων είναι d_P. Στη μέθοδο αυτή, η τιμή του d_Pθεωρείται γνωστό ή η αξία του είναι μικρή και μπορεί να αγνοηθεί. Ένα αντικείμενο και μια οθόνη λήψης τοποθετούνται στο αριστερό και το δεξί άκρο και η απόσταση μεταξύ τους καταγράφεται ως L, όπου το L πρέπει να είναι μεγαλύτερο από 4 φορές την εστιακή απόσταση του υπό δοκιμή συστήματος. Το υπό δοκιμή σύστημα μπορεί να τοποθετηθεί σε δύο θέσεις, που συμβολίζονται ως θέση 1 και θέση 2 αντίστοιχα. Το αντικείμενο στα αριστερά μπορεί να απεικονιστεί καθαρά στην οθόνη λήψης. Η απόσταση μεταξύ αυτών των δύο θέσεων (που συμβολίζεται ως D) μπορεί να μετρηθεί. Σύμφωνα με τη συζυγική σχέση, μπορούμε να πάρουμε:

Σε αυτές τις δύο θέσεις, οι αποστάσεις των αντικειμένων καταγράφονται ως s1 και s2 αντίστοιχα, στη συνέχεια s2 - s1 = D. Μέσω της παραγωγής τύπου, μπορούμε να πάρουμε την εστιακή απόσταση του οπτικού συστήματος όπως παρακάτω:

2.3μεγάλοενσόμετρο
Το Φακόμετρο είναι πολύ κατάλληλο για τη δοκιμή οπτικών συστημάτων μεγάλης εστιακής απόστασης. Το σχηματικό του σχήμα έχει ως εξής:

Πρώτον, ο υπό δοκιμή φακός δεν τοποθετείται στην οπτική διαδρομή. Ο παρατηρούμενος στόχος στα αριστερά περνά μέσα από τον φακό ευθυγράμμισης και γίνεται παράλληλο φως. Το παράλληλο φως συγκλίνει από έναν συγκλίνοντα φακό με εστιακή απόσταση f₂και σχηματίζει μια καθαρή εικόνα στο επίπεδο εικόνας αναφοράς. Αφού βαθμονομηθεί η οπτική διαδρομή, ο υπό δοκιμή φακός τοποθετείται στην οπτική διαδρομή και η απόσταση μεταξύ του υπό δοκιμή φακού και του συγκλίνοντος φακού είναι f₂. Ως αποτέλεσμα, λόγω της δράσης του υπό δοκιμή φακού, η δέσμη φωτός θα εστιαστεί εκ νέου, προκαλώντας μια μετατόπιση στη θέση του επιπέδου εικόνας, με αποτέλεσμα μια καθαρή εικόνα στη θέση του νέου επιπέδου εικόνας στο διάγραμμα. Η απόσταση μεταξύ του νέου επιπέδου εικόνας και του συγκλίνοντος φακού συμβολίζεται ως x. Με βάση τη σχέση αντικειμένου-εικόνας, η εστιακή απόσταση του υπό δοκιμή φακού μπορεί να συναχθεί ως εξής:

Στην πράξη, το φακόμετρο έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην κορυφαία εστιακή μέτρηση των φακών γυαλιών γυαλιών και έχει τα πλεονεκτήματα της απλής λειτουργίας και της αξιόπιστης ακρίβειας.

2.4 AbbeRεκφρακτόμετρο

Το διαθλασίμετρο Abbe είναι μια άλλη μέθοδος για τη δοκιμή της εστιακής απόστασης των οπτικών συστημάτων. Το σχηματικό του σχήμα έχει ως εξής:

Τοποθετήστε δύο χάρακες με διαφορετικά ύψη στην πλευρά της επιφάνειας του αντικειμένου του φακού υπό δοκιμή, συγκεκριμένα της πλάκας κλίμακας 1 και της πλάκας κλίμακας 2. Το ύψος των αντίστοιχων πλακών κλίμακας είναι y1 και y2. Η απόσταση μεταξύ των δύο πλακών κλίμακας είναι e και η γωνία μεταξύ της άνω γραμμής του χάρακα και του οπτικού άξονα είναι u. Το scaleplated απεικονίζεται από τον δοκιμασμένο φακό με εστιακή απόσταση f. Ένα μικροσκόπιο είναι εγκατεστημένο στο άκρο της επιφάνειας της εικόνας. Μετακινώντας τη θέση του μικροσκοπίου, εντοπίζονται οι κορυφαίες εικόνες των δύο πλακών κλίμακας. Αυτή τη στιγμή, η απόσταση μεταξύ του μικροσκοπίου και του οπτικού άξονα συμβολίζεται ως y. Σύμφωνα με τη σχέση αντικειμένου-εικόνας, μπορούμε να πάρουμε την εστιακή απόσταση ως:

2.5 Παρακλομετρία MoireΜέθοδος
Η μέθοδος εκτροπομετρίας Moiré θα χρησιμοποιήσει δύο σετ κανόνων Ronchi σε παράλληλες δέσμες φωτός. Ο κανόνας Ronchi είναι ένα σχέδιο που μοιάζει με πλέγμα από μεταλλικό φιλμ χρωμίου που εναποτίθεται σε γυάλινο υπόστρωμα, το οποίο χρησιμοποιείται συνήθως για τη δοκιμή της απόδοσης των οπτικών συστημάτων. Η μέθοδος χρησιμοποιεί την αλλαγή στα κρόσσια Moiré που σχηματίζονται από τις δύο σχάρες για να δοκιμάσει την εστιακή απόσταση του οπτικού συστήματος. Το σχηματικό διάγραμμα της αρχής έχει ως εξής:

Στο παραπάνω σχήμα, το παρατηρούμενο αντικείμενο, αφού περάσει από τον ρυθμιστή, γίνεται παράλληλη δέσμη. Στην οπτική διαδρομή, χωρίς να προστεθεί πρώτα ο δοκιμασμένος φακός, η παράλληλη δέσμη διέρχεται από δύο σχάρες με γωνία μετατόπισης θ και απόσταση εσχάρας d, σχηματίζοντας ένα σύνολο κροσσών Moiré στο επίπεδο εικόνας. Στη συνέχεια, ο δοκιμασμένος φακός τοποθετείται στην οπτική διαδρομή. Το αρχικό ευθυγραμμισμένο φως, μετά τη διάθλαση από τον φακό, θα παράγει μια ορισμένη εστιακή απόσταση. Η ακτίνα καμπυλότητας της δέσμης φωτός μπορεί να ληφθεί από τον ακόλουθο τύπο:

Συνήθως ο υπό δοκιμή φακός τοποθετείται πολύ κοντά στο πρώτο πλέγμα, επομένως η τιμή R στον παραπάνω τύπο αντιστοιχεί στην εστιακή απόσταση του φακού. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι μπορεί να ελέγξει την εστιακή απόσταση συστημάτων θετικής και αρνητικής εστιακής απόστασης.

2.6 ΟπτικήFiberAουτοσυναρμολόγησηMέθοδος
Η αρχή της χρήσης της μεθόδου αυτόματης ευθυγράμμισης οπτικών ινών για τη δοκιμή της εστιακής απόστασης του φακού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Χρησιμοποιεί οπτικές ίνες για να εκπέμπει μια αποκλίνουσα δέσμη που περνά μέσα από τον υπό δοκιμή φακό και στη συνέχεια σε έναν επίπεδο καθρέφτη. Οι τρεις οπτικές διαδρομές στο σχήμα αντιπροσωπεύουν τις συνθήκες της οπτικής ίνας εντός της εστίας, εντός της εστίασης και εκτός εστίασης αντίστοιχα. Μετακινώντας τη θέση του φακού υπό δοκιμή μπρος-πίσω, μπορείτε να βρείτε τη θέση της κεφαλής των ινών στην εστίαση. Αυτή τη στιγμή, η δέσμη αυτο-συγκεντρώνεται και μετά την ανάκλαση από τον επίπεδο καθρέφτη, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας θα επιστρέψει στη θέση της κεφαλής της ίνας. Η μέθοδος είναι απλή κατ' αρχήν και εύκολη στην εφαρμογή.

3. Συμπέρασμα

Η εστιακή απόσταση είναι μια σημαντική παράμετρος ενός οπτικού συστήματος. Σε αυτό το άρθρο, περιγράφουμε λεπτομερώς την έννοια της εστιακής απόστασης του οπτικού συστήματος και τις μεθόδους δοκιμής του. Σε συνδυασμό με το σχηματικό διάγραμμα, εξηγούμε τον ορισμό της εστιακής απόστασης, συμπεριλαμβανομένων των εννοιών της εστιακής απόστασης από την πλευρά της εικόνας, της εστιακής απόστασης από την πλευρά του αντικειμένου και της εστιακής απόστασης από μπροστά προς τα πίσω. Στην πράξη, υπάρχουν πολλές μέθοδοι για τον έλεγχο της εστιακής απόστασης ενός οπτικού συστήματος. Αυτό το άρθρο εισάγει τις αρχές δοκιμής της μεθόδου collimator, της μεθόδου Gaussian, της μεθόδου μέτρησης εστιακού μήκους, της μεθόδου μέτρησης εστιακού μήκους Abbe, της μεθόδου εκτροπής Moiré και της μεθόδου αυτόματης παραμόρφωσης οπτικών ινών. Πιστεύω ότι διαβάζοντας αυτό το άρθρο, θα κατανοήσετε καλύτερα τις παραμέτρους της εστιακής απόστασης στα οπτικά συστήματα.