Definició i mètodes de prova de la distància focal dels sistemes òptics

1. Distància focal dels sistemes òptics

La distància focal és un indicador molt important del sistema òptic. El concepte de distància focal, que més o menys entenem, el revisem aquí.
La distància focal d'un sistema òptic, definida com la distància des del centre òptic del sistema fins al focus del feix quan incideix llum paral·lela, és una mesura de la concentració o divergència de la llum en un sistema òptic. Utilitzem el diagrama següent per il·lustrar aquest concepte.

A la figura anterior, el feix paral·lel incident des de l'extrem esquerre, després de passar pel sistema òptic, convergeix al focus d'imatge F', la línia d'extensió inversa del raig convergent es talla amb la línia d'extensió corresponent del raig paral·lel incident en un punt, i la superfície que passa per aquest punt i és perpendicular a l'eix òptic s'anomena pla principal posterior, el pla principal posterior es talla amb l'eix òptic en el punt P2, que s'anomena punt principal (o punt central òptic), la distància entre el punt principal i el focus d'imatge, és el que normalment anomenem distància focal, el nom complet és la distància focal efectiva de la imatge.
També es pot veure a la figura que la distància des de l'última superfície del sistema òptic fins al punt focal F' de la imatge s'anomena distància focal posterior (BFL). En conseqüència, si el feix paral·lel incideix des del costat dret, també hi ha conceptes de distància focal efectiva i distància focal frontal (FFL).

2. Mètodes de prova de distància focal

A la pràctica, hi ha molts mètodes que es poden utilitzar per provar la distància focal dels sistemes òptics. Basant-se en diferents principis, els mètodes de prova de distància focal es poden dividir en tres categories. La primera categoria es basa en la posició del pla de la imatge, la segona categoria utilitza la relació entre l'augment i la distància focal per obtenir el valor de la distància focal, i la tercera categoria utilitza la curvatura del front d'ona del feix de llum convergent per obtenir el valor de la distància focal.
En aquesta secció, introduirem els mètodes més utilitzats per provar la distància focal dels sistemes òptics:：

2.1CMètode de l'ollimator

El principi d'ús d'un colimador per provar la distància focal d'un sistema òptic es mostra en el diagrama següent:

A la figura, el patró de prova es col·loca al focus del col·limador. L'alçada y del patró de prova i la distància focal f_c' del colimador són coneguts. Després que el feix paral·lel emès pel colimador convergeixi amb el sistema òptic provat i es visualitzi al pla de la imatge, la distància focal del sistema òptic es pot calcular en funció de l'alçada y' del patró de prova al pla de la imatge. La distància focal del sistema òptic provat pot utilitzar la fórmula següent:

2.2 GaussiàMmètode
La figura esquemàtica del mètode gaussià per avaluar la distància focal d'un sistema òptic es mostra a continuació:

A la figura, els plans principals frontal i posterior del sistema òptic sota prova es representen com a P i P' respectivament, i la distància entre els dos plans principals és d_PEn aquest mètode, el valor de d_Pes considera conegut, o el seu valor és petit i es pot ignorar. Un objecte i una pantalla receptora es col·loquen als extrems esquerre i dret, i la distància entre ells es registra com a L, on L ha de ser superior a 4 vegades la distància focal del sistema que s'està provant. El sistema que s'està provant es pot col·locar en dues posicions, denotades com a posició 1 i posició 2 respectivament. L'objecte de l'esquerra es pot visualitzar clarament a la pantalla receptora. Es pot mesurar la distància entre aquestes dues ubicacions (denotada com a D). Segons la relació conjugada, podem obtenir:

En aquestes dues posicions, les distàncies dels objectes es registren com a s1 i s2 respectivament, i per tant s2 - s1 = D. Mitjançant la derivació de fórmules, podem obtenir la distància focal del sistema òptic de la manera següent:

2.3Lensòmetre
El lentòmetre és molt adequat per provar sistemes òptics de llarga distància focal. La seva figura esquemàtica és la següent:

Primer, la lent que s'està provant no es col·loca a la trajectòria òptica. L'objectiu observat a l'esquerra passa a través de la lent colimadora i es converteix en llum paral·lela. La llum paral·lela convergeix mitjançant una lent convergent amb una distància focal de f.₂i forma una imatge clara al pla de la imatge de referència. Després de calibrar la trajectòria òptica, la lent que s'està provant es col·loca a la trajectòria òptica i la distància entre la lent que s'està provant i la lent convergent és f₂Com a resultat, a causa de l'acció de la lent que s'està provant, el feix de llum es reenfocarà, provocant un canvi en la posició del pla d'imatge, donant lloc a una imatge clara a la posició del nou pla d'imatge al diagrama. La distància entre el nou pla d'imatge i la lent convergent es denota com a x. Basant-se en la relació objecte-imatge, la distància focal de la lent que s'està provant es pot deduir com:

A la pràctica, el lentòmetre s'ha utilitzat àmpliament en la mesura focal superior de les lents d'ulleres, i té els avantatges d'un funcionament senzill i una precisió fiable.

2.4 AbatRefractòmetre

El refractòmetre d'Abbe és un altre mètode per comprovar la distància focal dels sistemes òptics. La seva figura esquemàtica és la següent:

Col·loqueu dos regles amb diferents altures a la superfície de l'objecte de la lent que s'està provant, és a dir, la placa d'escala 1 i la placa d'escala 2. Les altures de les plaques d'escala corresponents són y1 i y2. La distància entre les dues plaques d'escala és e, i l'angle entre la línia superior del regle i l'eix òptic és u. La placa d'escala és imatge de la lent provada amb una distància focal de f. S'instal·la un microscopi a l'extrem de la superfície de la imatge. En moure la posició del microscopi, es troben les imatges superiors de les dues plaques d'escala. En aquest moment, la distància entre el microscopi i l'eix òptic es denota com a y. Segons la relació objecte-imatge, podem obtenir la distància focal com:

2.5 Deflexometria MoiréMètode
El mètode de deflectometria Moiré utilitzarà dos conjunts de franges de Ronchi en feixos de llum paral·lels. La franja de Ronchi és un patró en forma de quadrícula de pel·lícula de crom metàl·lic dipositada sobre un substrat de vidre, que s'utilitza habitualment per provar el rendiment dels sistemes òptics. El mètode utilitza el canvi en les franges de Moiré formades per les dues reixes per provar la distància focal del sistema òptic. El diagrama esquemàtic del principi és el següent:

A la figura anterior, l'objecte observat, després de passar pel colimador, es converteix en un feix paral·lel. En el camí òptic, sense afegir primer la lent provada, el feix paral·lel passa a través de dues xarxes de difracció amb un angle de desplaçament de θ i una separació de xarxes de difracció de d, formant un conjunt de franges de Moiré al pla de la imatge. A continuació, la lent provada es col·loca al camí òptic. La llum colimatada original, després de la refracció per la lent, produirà una determinada distància focal. El radi de curvatura del feix de llum es pot obtenir a partir de la fórmula següent:

Normalment, la lent que s'està provant es col·loca molt a prop de la primera reixa, de manera que el valor R de la fórmula anterior correspon a la distància focal de la lent. L'avantatge d'aquest mètode és que pot provar la distància focal dels sistemes de distància focal positiva i negativa.

2.6 ÒpticFiberAutocolimacióMmètode
El principi d'ús del mètode d'autocolimació de fibra òptica per provar la distància focal de la lent es mostra a la figura següent. Utilitza fibra òptica per emetre un feix divergent que passa a través de la lent que s'està provant i després cap a un mirall pla. Els tres camins òptics de la figura representen les condicions de la fibra òptica dins del focus, dins del focus i fora del focus, respectivament. Movent la posició de la lent que s'està provant endavant i endarrere, podeu trobar la posició del capçal de la fibra al focus. En aquest moment, el feix s'autocolima i, després de la reflexió pel mirall pla, la major part de l'energia tornarà a la posició del capçal de la fibra. El mètode és senzill en principi i fàcil d'implementar.

3. Conclusió

La distància focal és un paràmetre important d'un sistema òptic. En aquest article, detallem el concepte de distància focal del sistema òptic i els seus mètodes de prova. Combinat amb el diagrama esquemàtic, expliquem la definició de distància focal, incloent-hi els conceptes de distància focal del costat de la imatge, distància focal del costat de l'objecte i distància focal de davant a darrere. A la pràctica, hi ha molts mètodes per provar la distància focal d'un sistema òptic. Aquest article introdueix els principis de prova del mètode del colimador, el mètode gaussià, el mètode de mesura de la distància focal, el mètode de mesura de la distància focal d'Abbe, el mètode de deflexió de Moiré i el mètode d'autocolimació de la fibra òptica. Crec que llegint aquest article, tindreu una millor comprensió dels paràmetres de distància focal en els sistemes òptics.