Longitud focal dels mètodes de definició i prova de sistemes òptics

1. Longitud de sistemes òptics

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

A la figura anterior, l’incident de feix paral·lel des de l’extrem esquerre, després de passar pel sistema òptic, convergeix al focus de la imatge f ', la línia d’extensió inversa del raig convergent s’entrecreu (o el punt de centre òptic), la distància entre el punt principal i el focus de la imatge, és el que normalment anomenem la longitud focal, el nom complet és la longitud focal efectiva de la imatge.
També es pot veure a la figura que la distància des de la darrera superfície del sistema òptic fins al punt focal f 'de la imatge s'anomena longitud focal posterior (BFL). Correspondentment, si el feix paral·lel és incident des del costat dret, també hi ha conceptes de longitud focal efectiva i de longitud focal frontal (FFL).

2. Mètodes de prova de longitud focal

A la pràctica, hi ha molts mètodes que es poden utilitzar per provar la longitud focal dels sistemes òptics. A partir de diferents principis, els mètodes de prova de longitud focal es poden dividir en tres categories. La primera categoria es basa en la posició del pla d’imatge, la segona categoria utilitza la relació entre ampliació i longitud focal per obtenir el valor de longitud focal, i la tercera categoria utilitza la curvatura del front d’ona del feix de llum convergint per obtenir el valor de longitud focal.
En aquesta secció, introduirem els mètodes utilitzats habitualment per provar la longitud focal dels sistemes òptics:

2.1CMètode Ollimator

El principi d’utilitzar un col·limador per provar la longitud focal d’un sistema òptic és com es mostra al diagrama següent:

A la figura, el patró de prova se situa al focus del col·limador. L'alçada Y del patró de prova i la longitud focal f_c"El Collimator és conegut. Després que el feix paral·lel emès pel col·limador sigui convergit pel sistema òptic provat i imaginat al pla de la imatge, la longitud focal del sistema òptic es pot calcular a partir de l'alçada Y 'del patró de prova del pla de la imatge. La longitud focal del sistema òptic provat pot utilitzar la fórmula següent:

2.2 GaussianMetod
La figura esquemàtica del mètode gaussià per provar la longitud focal d’un sistema òptic es mostra a continuació:

A la figura, els plans principals frontals i posteriors del sistema òptic sota prova es representen com a P i P 'respectivament, i la distància entre els dos avions 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 longitud focal del sistema a prova. El sistema sota prova es pot situar en dues posicions, denotat com a posició 1 i posició 2 respectivament. L'objecte de l'esquerra es pot imaginar clarament a la pantalla de recepció. Es pot mesurar la distància entre aquestes dues ubicacions (denotades com a D). Segons la relació conjugada, podem obtenir:

En aquestes dues posicions, les distàncies d'objectes es registren com a S1 i S2 respectivament, llavors S2 - S1 = D. mitjançant la derivació de fórmules, podem obtenir la longitud focal del sistema òptic com a continuació:

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

Primer, la lent que es prova no es col·loca al camí òptic. L’objectiu observat a l’esquerra passa per la lent de col·limació i es converteix en llum paral·lela. La llum paral·lela es convergeix mitjançant una lent convergent amb una longitud focal de f₂i forma una imatge clara al pla de la imatge de referència. Després de calibrar la ruta òptica, la lent sota prova es col·loca a la ruta òptica i la distància entre la lent a prova i la lent convergent és F₂. Com a resultat, a causa de l’acció de la lent a prova, es tornarà a centrar el feix de llum, 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 x. A partir de la relació d’imatge d’objectes, es pot inferir la longitud focal de la lent a prova com:

A la pràctica, el lensòmetre s'ha utilitzat àmpliament en la mesura focal superior de les lents d'espectacles i té els avantatges del funcionament senzill i de la precisió fiable.

2,4 abbeRefractòmetre

El refractòmetre ABBE és un altre mètode per provar la longitud focal dels sistemes òptics. La seva figura esquemàtica és la següent:

Col·loqueu dos governants amb altures diferents al costat de la superfície de l'objecte de la lent sota prova, a saber, la placa 1 i la placa d'escala 2. 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 de la regla i l’eix òptic és u. L’escala s’imagina per la lent provada amb una longitud 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 d'imatge d'objectes, podem obtenir la longitud focal com a ：

2.5 Moire DeflectometriaMètode
El mètode de deflectometria de Moiré utilitzarà dos conjunts de sentències de Ronchi en bigues de llum paral·leles. La sentència de Ronchi és un patró de pel·lícula de crom de metall dipositat 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 pels dos reixes per provar la longitud focal del sistema òptic. El diagrama esquemàtic del principi és el següent ：

A la figura anterior, l'objecte observat, després de passar pel col·limador, es converteix en un feix paral·lel. En el camí òptic, sense afegir la lent provada primer, el feix paral·lel passa per dos reixes amb un angle de desplaçament de θ i un espai de reixeta 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 Collimada original, després de la refracció per la lent, produirà una certa longitud focal. El radi de curvatura del feix de llum es pot obtenir de la fórmula següent ：

Normalment la lent que es fa 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 longitud focal de la lent. L’avantatge d’aquest mètode és que pot provar la longitud focal dels sistemes de longitud focal positius i negatius.

2.6 OpticalFiberAutocollimacióMetod
El principi d’utilitzar el mètode d’autocollimació de fibra òptica per provar la longitud focal de la lent es mostra a la figura següent. Utilitza fibra òptica per emetre un feix divergent que passa per la lent que es prova i després en 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. Si es mou la posició de la lent sota prova i torneu, podeu trobar la posició del cap de fibra al focus. En aquest moment, el feix es col·loca en si mateix i, després de la reflexió del 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 longitud focal és un paràmetre important d’un sistema òptic. En aquest article, detallem el concepte de longitud focal del sistema òptic i els seus mètodes de prova. Combinats amb el diagrama esquemàtic, expliquem la definició de longitud focal, inclosos els conceptes de longitud focal-costat de la imatge, longitud focal-costat de l’objecte i longitud focal frontal a enrere. A la pràctica, hi ha molts mètodes per provar la longitud focal d’un sistema òptic. Aquest article introdueix els principis de prova del mètode Collimator, el mètode gaussià, el mètode de mesurament de la longitud focal, el mètode de mesura de la longitud focal ABBE, el mètode de deflexió de Moiré i el mètode d’autocollimació de fibra òptica. Crec que en llegir aquest article, tindreu una millor comprensió dels paràmetres de longitud focal en sistemes òptics.