Определение фокусного расстояния оптических систем и методы тестирования

1. Фокусное расстояние оптических систем.

Фокусное расстояние – очень важный показатель оптической системы, с понятием фокусного расстояния мы более-менее разобрались, рассмотрим здесь.
Фокусное расстояние оптической системы, определяемое как расстояние от оптического центра оптической системы до фокуса луча при параллельном падении света, является мерой концентрации или расхождения света в оптической системе. Мы используем следующую диаграмму, чтобы проиллюстрировать эту концепцию.

На приведенном выше рисунке параллельный луч, падающий с левого конца, после прохождения оптической системы сходится к фокусу изображения F', обратная выносная линия сходящегося луча пересекается с соответствующей выносной линией падающего параллельного луча в точке точка, а поверхность, проходящая через эту точку и перпендикулярная оптической оси, называется задней главной плоскостью, задняя главная плоскость пересекается с оптической осью в точке Р2, которая называется главной точкой (или оптическим центром), расстояние между основной точкой и фокусом изображения, это то, что мы обычно называем фокусным расстоянием, полное название — эффективное фокусное расстояние изображения.
Из рисунка также видно, что расстояние от последней поверхности оптической системы до фокальной точки F' изображения называется задним фокусным расстоянием (БФЛ). Соответственно, если параллельный луч падает с правой стороны, существуют также понятия эффективного фокусного расстояния и переднего фокусного расстояния (ФФЛ).

2. Методы проверки фокусного расстояния

На практике существует множество методов проверки фокусного расстояния оптических систем. Основываясь на различных принципах, методы проверки фокусного расстояния можно разделить на три категории. Первая категория основана на положении плоскости изображения, вторая категория использует соотношение между увеличением и фокусным расстоянием для получения значения фокусного расстояния, а третья категория использует кривизну волнового фронта сходящегося светового луча для получения значения фокусного расстояния. .
В этом разделе мы представим широко используемые методы проверки фокусного расстояния оптических систем:

2.1CОллиматорный метод

Принцип использования коллиматора для проверки фокусного расстояния оптической системы показан на схеме ниже:

На рисунке тестовая картина расположена в фокусе коллиматора. Высота y тестовой таблицы и фокусное расстояние f_c' коллиматора известны. После того как параллельный луч, испускаемый коллиматором, сводится к тестируемой оптической системе и отображается в плоскости изображения, фокусное расстояние оптической системы можно рассчитать на основе высоты y' тестовой таблицы в плоскости изображения. Фокусное расстояние тестируемой оптической системы можно определить по следующей формуле:

2.2 ГауссианMметод
Схематическое изображение метода Гаусса для проверки фокусного расстояния оптической системы показано ниже:

На рисунке передняя и задняя главные плоскости испытуемой оптической системы обозначены как P и P' соответственно, а расстояние между двумя главными плоскостями равно d._P. В этом методе значение d_Pсчитается известным, либо его значение мало и его можно игнорировать. Объект и приемный экран размещают на левом и правом концах, а расстояние между ними записывают как L, где L должно быть более чем в 4 раза больше фокусного расстояния испытуемой системы. Тестируемую систему можно разместить в двух положениях, обозначенных как положение 1 и положение 2 соответственно. Объект слева можно четко отобразить на принимающем экране. Расстояние между этими двумя точками (обозначенными буквой D) можно измерить. Согласно сопряженному отношению, мы можем получить:

В этих двух положениях расстояния до объекта записываются как s1 и s2 соответственно, тогда s2 - s1 = D. Путем вывода формулы мы можем получить фокусное расстояние оптической системы, как показано ниже:

2.3лэнзометр
Лензометр очень удобен для тестирования оптических систем с большим фокусным расстоянием. Его схематический рисунок выглядит следующим образом:

Во-первых, испытуемая линза не находится на оптическом пути. Наблюдаемая цель слева проходит через коллимирующую линзу и становится параллельным светом. Параллельный свет собирается собирающей линзой с фокусным расстоянием f.₂и формирует четкое изображение в плоскости опорного изображения. После калибровки оптического пути испытуемая линза помещается в оптический путь, а расстояние между испытуемой линзой и собирающей линзой составляет f.₂. В результате под действием тестируемой линзы луч света будет перефокусирован, вызывая смещение положения плоскости изображения, в результате чего в положении новой плоскости изображения на диаграмме получается четкое изображение. Расстояние между новой плоскостью изображения и собирающей линзой обозначается как x. На основании соотношения объект-изображение фокусное расстояние тестируемой линзы можно определить как:

На практике линзометр широко используется для измерения верхнего фокуса очковых линз и обладает такими преимуществами, как простота эксплуатации и надежная точность.

2.4 АббеRрефрактометр

Рефрактометр Аббе — еще один метод проверки фокусного расстояния оптических систем. Его схематический рисунок выглядит следующим образом:

Поместите две линейки разной высоты со стороны поверхности объекта испытуемой линзы, а именно масштабную пластину 1 и масштабную пластину 2. Соответствующие высоты масштабных пластин равны y1 и y2. Расстояние между двумя масштабными пластинами равно e, а угол между верхней линией линейки и оптической осью равен u. Изображение чешуйчатого изображения осуществляется испытуемой линзой с фокусным расстоянием f. На торце поверхности изображения установлен микроскоп. Изменяя положение микроскопа, можно найти верхние изображения двух масштабных пластин. В это время расстояние между микроскопом и оптической осью обозначается как y. Согласно взаимосвязи объект-изображение, мы можем получить фокусное расстояние как:

2.5 Муаровая дефлектометрияМетод
В методе муаровой дефлектометрии используются два набора линеек Ронки в параллельных световых лучах. Линейка Ронки представляет собой сетку из пленки металлического хрома, нанесенную на стеклянную подложку, обычно используемую для проверки производительности оптических систем. Этот метод использует изменение муаровых полос, образованных двумя решетками, для проверки фокусного расстояния оптической системы. Принципиальная схема принципа выглядит следующим образом:

На рисунке выше наблюдаемый объект после прохождения коллиматора становится параллельным лучом. На оптическом пути, без предварительного добавления испытуемой линзы, параллельный луч проходит через две решетки с углом смещения θ и шагом решеток d, образуя на плоскости изображения набор муаровых полос. Затем испытуемая линза помещается на оптический путь. Исходный коллимированный свет после преломления линзой образует определенное фокусное расстояние. Радиус кривизны светового луча можно получить по следующей формуле:

Обычно испытуемая линза размещается очень близко к первой решетке, поэтому значение R в приведенной выше формуле соответствует фокусному расстоянию линзы. Преимущество этого метода в том, что с его помощью можно проверить фокусное расстояние систем с положительным и отрицательным фокусным расстоянием.

2.6 ОптическийFиберAутоколлимацияMметод
Принцип использования метода автоколлимации оптического волокна для проверки фокусного расстояния объектива показан на рисунке ниже. Он использует оптоволокно для излучения расходящегося луча, который проходит через тестируемую линзу, а затем на плоское зеркало. Три оптических пути на рисунке представляют состояние оптического волокна внутри фокуса, внутри фокуса и вне фокуса соответственно. Перемещая положение тестируемой линзы вперед и назад, можно определить положение головки волокна в фокусе. В это время луч самоколлимируется, и после отражения от плоского зеркала большая часть энергии вернется в положение головки волокна. Метод прост в принципе и легко реализуем.

3. Заключение

Фокусное расстояние – важный параметр оптической системы. В этой статье мы подробно рассмотрим понятие фокусного расстояния оптической системы и методы его тестирования. В сочетании со схематической диаграммой мы объясняем определение фокусного расстояния, включая понятия фокусного расстояния со стороны изображения, фокусного расстояния со стороны объекта и фокусного расстояния спереди назад. На практике существует множество методов проверки фокусного расстояния оптической системы. В этой статье представлены принципы тестирования коллиматорного метода, метода Гаусса, метода измерения фокусного расстояния, метода измерения фокусного расстояния Аббе, метода муарового отклонения и метода автоколлимации оптического волокна. Я считаю, что прочитав эту статью, вы лучше поймете параметры фокусного расстояния в оптических системах.