1. Εστιακή απόσταση οπτικών συστημάτων
Η εστιακή απόσταση είναι ένας πολύ σημαντικός δείκτης του οπτικού συστήματος, για την έννοια της εστιακής απόστασης, λίγο πολύ έχουμε κατανοήσει, την οποία 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 ακόλουθο διάγραμμα για να δείξουμε αυτήν την έννοια.
Στο παραπάνω σχήμα, η παράλληλη δέσμη που προσπίπτει από το αριστερό άκρο, αφού διέλθει από το οπτικό σύστημα, συγκλίνει στην εστία εικόνας F', η αντίστροφη γραμμή επέκτασης της συγκλινούσης ακτίνας τέμνει την αντίστοιχη γραμμή επέκτασης της προσπίπτουσας παράλληλης ακτίνας σε ένα σημείο, και η επιφάνεια που διέρχεται από αυτό το σημείο και είναι κάθετη στον οπτικό άξονα ονομάζεται οπίσθιο κύριο επίπεδο, το οπίσθιο κύριο επίπεδο τέμνει τον οπτικό άξονα στο σημείο P2, το οποίο ονομάζεται κύριο σημείο (ή οπτικό κεντρικό σημείο), η απόσταση μεταξύ του κύριου σημείου και της εστίας εικόνας, είναι αυτό που συνήθως ονομάζουμε εστιακή απόσταση, το πλήρες όνομα είναι η ενεργός εστιακή απόσταση της εικόνας.
Από το σχήμα φαίνεται επίσης ότι η απόσταση από την τελευταία επιφάνεια του οπτικού συστήματος μέχρι το εστιακό σημείο F' της εικόνας ονομάζεται οπίσθια εστιακή απόσταση (BFL). Αντίστοιχα, εάν η παράλληλη δέσμη προσπίπτει από τη δεξιά πλευρά, υπάρχουν επίσης οι έννοιες της ενεργού εστιακής απόστασης και της εμπρόσθιας 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 ελέγχου της 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 ληφθεί η τιμή της εστιακής απόστασης και η τρίτη κατηγορία χρησιμοποιεί την καμπυλότητα του μετώπου κύματος της συγκλίνουσας δέσμης φωτός για να ληφθεί η τιμή της εστιακής απόστασης.
Σε αυτήν την ενότητα, θα παρουσιάσουμε τις συνήθως χρησιμοποιούμενες μεθόδους για τον έλεγχο της εστιακής απόστασης των οπτικών συστημάτων:
2.1Cμέθοδος ολλιματωτή
Η αρχή χρήσης ενός κολυμβητή για τον έλεγχο της εστιακής απόστασης ενός οπτικού συστήματος φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα:
Στο σχήμα, το δοκιμαστικό μοτίβο τοποθετείται στην εστία του κολυμβητή. Το ύψος y του δοκιμαστικού μοτίβου και η εστιακή απόσταση fc' του κολληματοποιητή είναι γνωστά. Αφού η παράλληλη δέσμη που εκπέμπεται από τον κολληματοποιητή 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 δοκιμαστικού μοτίβου στο επίπεδο εικόνας. Η εστιακή απόσταση του δοκιμασμένου οπτικού συστήματος μπορεί να χρησιμοποιήσει τον ακόλουθο τύπο:
2.2 ΓκαουσιανήMμέθοδος
Το σχηματικό σχήμα της Γκαουσιανής μεθόδου για τον έλεγχο της εστιακής απόστασης ενός οπτικού συστήματος φαίνεται παρακάτω:
Στο σχήμα, τα μπροστινά και πίσω κύρια επίπεδα του υπό δοκιμή οπτικού συστήματος αναπαρίστανται ως P και P' αντίστοιχα, και η απόσταση μεταξύ των δύο κύριων επιπέδων είναι d.PΣε αυτή τη μέθοδο, η τιμή του dPθεωρείται γνωστή ή η τιμή της είναι μικρή και μπορεί να αγνοηθεί. Ένα αντικείμενο και μια οθόνη λήψης τοποθετούνται στο αριστερό και 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 (συμβολίζεται ως D) μπορεί να μετρηθεί. Σύμφωνα με τη συζυγή σχέση, μπορούμε να λάβουμε:
Σε αυτές τις δύο θέσεις, οι αποστάσεις των αντικειμένων καταγράφονται ως s1 και s2 αντίστοιχα, και στη συνέχεια s2 - s1 = D. Μέσω της εξαγωγής τύπου, μπορούμε να λάβουμε την εστιακή απόσταση του οπτικού συστήματος ως εξής:
2.3μεγάλοενσόμετρο
Το φακόμετρο είναι πολύ κατάλληλο για τον έλεγχο οπτικών συστημάτων μεγάλου εστιακού μήκους. Το σχηματικό του σχήμα έχει ως εξής:
Καταρχάς, ο υπό δοκιμή φακός δεν τοποθετείται στην οπτική διαδρομή. Ο παρατηρούμενος στόχος στα αριστερά διέρχεται από τον φακό ευθυγράμμισης και γίνεται παράλληλο φως. Το παράλληλο φως συγκλίνει από έναν συγκλίνοντα φακό με εστιακή απόσταση f.2και σχηματίζει μια καθαρή εικόνα στο επίπεδο αναφοράς εικόνας. 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 f2Ως αποτέλεσμα, λόγω της δράσης του υπό δοκιμή φακού, η δέσμη φωτός θα επανεστιαστεί, προκαλώντας 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 με x. Με βάση τη σχέση αντικειμένου-εικόνας, η εστιακή απόσταση του υπό δοκιμή φακού μπορεί να συναχθεί ως:
Στην πράξη, το φακόμετρο έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στη μέτρηση κορυφαίας εστιακής απόστασης των φακών γυαλιών και έχει τα πλεονεκτήματα της απλής λειτουργίας και της αξιόπιστης ακρίβειας.
2.4 ΑββάςRευθλασίμετρο
Το διαθλασίμετρο Abbe είναι μια άλλη μέθοδος για τον έλεγχο 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 υπό δοκιμή φακού, δηλαδή την πλάκα κλίμακας 1 και την πλάκα κλίμακας 2. Τα αντίστοιχα ύψη των 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. Η πλάκα κλίμακας απεικονίζεται από τον υπό δοκιμή φακό με εστιακή απόσταση f. Ένα μικροσκόπιο εγκαθίσταται στο άκρο της επιφάνειας εικόνας. Μετακινώντας τη θέση του μικροσκοπίου, βρίσκονται οι άνω εικόνες των δύο πλακών κλίμακας. Αυτή τη στιγμή, η απόσταση μεταξύ του μικροσκοπίου και του οπτικού άξονα συμβολίζεται με y. Σύμφωνα με τη σχέση αντικειμένου-εικόνας, μπορούμε να λάβουμε την εστιακή απόσταση ως:
2.5 Εκτροπή MoireΜέθοδος
Η μέθοδος εκτροπομετρίας Moiré θα χρησιμοποιήσει δύο σετ κανόνων Ronchi σε παράλληλες δέσμες φωτός. Ο κανόνας Ronchi είναι ένα πλέγμα που μοιάζει με μεμβράνη μεταλλικού χρωμίου εναποτίθεται σε ένα γυάλινο υπόστρωμα, το οποίο χρησιμοποιείται συνήθως για τον έλεγχο της απόδοσης των οπτικών συστημάτων. Η μέθοδος χρησιμοποιεί την αλλαγή στους κροσσούς Moiré που σχηματίζονται από τα δύο πλέγματα για να ελέγξει την εστιακή απόσταση του οπτικού συστήματος. Το σχηματικό διάγραμμα της αρχής έχει ως εξής:
Στο παραπάνω σχήμα, το παρατηρούμενο αντικείμενο, αφού περάσει από τον κατευθυντήρα, γίνεται μια παράλληλη δέσμη. Στην οπτική διαδρομή, χωρίς να προστεθεί πρώτα ο δοκιμασμένος φακός, η παράλληλη δέσμη διέρχεται από δύο πλέγματα με γωνία μετατόπισης θ και απόσταση πλέγματος d, σχηματίζοντας ένα σύνολο κροσσών Moiré στο επίπεδο της εικόνας. Στη συνέχεια, ο δοκιμασμένος φακός τοποθετείται στην οπτική διαδρομή. Το αρχικό κατευθυνόμενο φως, μετά τη διάθλαση από τον φακό, θα παράγει ένα ορισμένο εστιακό μήκος. 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 ΟπτικόFΊβερAαυτοκολλιμάτωσηMμέθοδος
Η αρχή χρήσης της μεθόδου αυτο-ευθυγράμμισης οπτικών ινών για τον έλεγχο της εστιακής απόστασης του φακού φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Χρησιμοποιεί οπτικές ίνες για να εκπέμψει μια αποκλίνουσα δέσμη που διέρχεται από τον υπό δοκιμή φακό και στη συνέχεια σε ένα επίπεδο κάτοπτρο. Οι τρεις οπτικές διαδρομές στο σχήμα αντιπροσωπεύουν τις συνθήκες της οπτικής ίνας εντός της εστίασης, εντός της εστίασης και εκτός της εστίασης αντίστοιχα. Μετακινώντας τη θέση του υπό δοκιμή φακού μπρος-πίσω, μπορείτε να βρείτε τη θέση της κεφαλής της ίνας στην εστίαση. Σε αυτό το σημείο, η δέσμη αυτο-ευθυγραμμίζεται και, μετά την ανάκλαση από το επίπεδο κάτοπτρο, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας θα επιστρέψει στη θέση της κεφαλής της ίνας. Η μέθοδος είναι απλή στην αρχή της και εύκολη στην εφαρμογή.
3. Συμπέρασμα
Η εστιακή απόσταση είναι μια σημαντική παράμετρος ενός οπτικού συστήματος. Σε αυτό το άρθρο, αναλύουμε λεπτομερώς την έννοια της εστιακής απόστασης του οπτικού συστήματος και τις μεθόδους δοκιμής της. 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 εμπρός προς τα πίσω. Στην πράξη, υπάρχουν πολλές μέθοδοι για τη δοκιμή της εστιακής απόστασης ενός οπτικού συστήματος. Αυτό το άρθρο εισάγει τις αρχές δοκιμής της μεθόδου κολληματωτή, της μεθόδου Gauss, της μεθόδου μέτρησης εστιακού μήκους, της μεθόδου μέτρησης εστιακού μήκους Abbe, της μεθόδου εκτροπής Moiré και της μεθόδου αυτοκολληματοποίησης οπτικών ινών. Πιστεύω ότι διαβάζοντας αυτό το άρθρο, θα έχετε καλύτερη κατανόηση των παραμέτρων εστιακού μήκους στα οπτικά συστήματα.
Ώρα δημοσίευσης: 09 Αυγούστου 2024
