Distància focal de definició de sistemes òptics i mètodes de prova

1.Distància focal dels sistemes òptics

La distància focal és un indicador molt important del sistema òptic, pel concepte de distància focal, més o menys en tenim una comprensió, repassem aquí.
La distància focal d'un sistema òptic, definida com la distància des del centre òptic del sistema òptic fins al focus del feix quan incideix la 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 cap 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 a un punt. 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 de la 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'ampliació 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, presentarem els mètodes utilitzats habitualment per provar la distància focal dels sistemes òptics:：

2.1CMètode ollimador

El principi d'utilitzar un col·limador per provar la distància focal d'un sistema òptic és el que es mostra al 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 col·limador convergeixi pel sistema òptic provat i s'imatge 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 GaussiàMètode
La figura esquemàtica del mètode gaussià per provar la distància focal d'un sistema òptic es mostra a continuació:

A la figura, els plans principals frontal i posterior del sistema òptic a prova es representen com a P i P' respectivament, i la distància entre els dos plans principals és d_P. En 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 a prova. El sistema a prova es pot col·locar en dues posicions, denotades com a posició 1 i posició 2 respectivament. L'objecte de l'esquerra es pot veure clarament a la pantalla de recepció. Es pot mesurar la distància entre aquestes dues ubicacions (indicada com a D). Segons la relació conjugada, podem obtenir:

En aquestes dues posicions, les distàncies de l'objecte es registren com a s1 i s2 respectivament, després s2 - s1 = D. Mitjançant la derivació de la fórmula, podem obtenir la distància focal del sistema òptic de la següent manera:

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

En primer lloc, la lent a prova no es col·loca al camí òptic. L'objectiu observat a l'esquerra passa per la lent col·limadora i es converteix en llum paral·lela. La llum paral·lela convergeix per una lent convergent amb una distància focal de f₂i forma una imatge clara al pla de la imatge de referència. Després de calibrar el camí òptic, la lent a prova es col·loca al camí òptic i la distància entre la lent a prova i la lent convergent és de f₂. Com a resultat, a causa de l'acció de la lent a prova, el feix de llum es tornarà a enfocar, provocant un canvi en la posició del pla de la imatge, donant lloc a una imatge clara a la posició del nou pla de la imatge del diagrama. La distància entre el nou pla d'imatge i la lent convergent s'indica amb x. A partir de la relació objecte-imatge, la distància focal de la lent a prova es pot inferir com:

A la pràctica, el lensòmetre 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 AbateRefractòmetre

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

Col·loqueu dos regles amb diferents altures al costat de la superfície de l'objecte de la lent a prova, és a dir, la placa d'escala 1 i la placa d'escala 2. L'alçada 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 lent provada captura la imatge de l'escala 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 planxes. En aquest moment, la distància entre el microscopi i l'eix òptic s'indica amb y. Segons la relació objecte-imatge, podem obtenir la distància focal com:

2.5 Deflectometria MoireMètode
El mètode de deflectometria Moiré utilitzarà dos conjunts de regles Ronchi en feixos de llum paral·lels. La regla Ronchi és un patró en forma de quadrícula de pel·lícula metàl·lica de crom dipositat sobre un substrat de vidre, que s'utilitza habitualment per provar el rendiment dels sistemes òptics. El mètode utilitza el canvi de serrells Moiré formats per les dues reixes per provar la distància focal del sistema òptic. El diagrama esquemàtic del principi és el següent:

A la figura de dalt, l'objecte observat, després de passar pel col·limador, es converteix en un feix paral·lel. En el camí òptic, sense afegir primer la lent provada, el feix paral·lel passa per dues reixes amb un angle de desplaçament de θ i un espai de reixeta de d, formant un conjunt de serrells Moiré al pla de la imatge. A continuació, la lent provada es col·loca al camí òptic. La llum col·limada original, després de la refracció de la lent, produirà una certa distància focal. El radi de curvatura del feix de llum es pot obtenir a partir de la fórmula següent:

Normalment, la lent a prova 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 ÒpticFiberAutocolimacióMètode
A la figura següent es mostra el principi d'utilitzar el mètode d'autocolimació de fibra òptica per provar la distància focal de la lent. Utilitza fibra òptica per emetre un feix divergent que travessa 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. En moure la posició de la lent a prova cap endavant i cap enrere, podeu trobar la posició del cap de 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 cap de 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 la 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 presenta els principis de prova del mètode del col·limador, el mètode gaussià, el mètode de mesura de la distància focal, el mètode de mesurament de la distància focal Abbe, el mètode de deflexió Moiré i el mètode d'autocolimació de fibra òptica. Crec que llegint aquest article, entendreu millor els paràmetres de distància focal dels sistemes òptics.