Ohnisková vzdialenosť optických systémov, definícia a testovacie metódy

1. Ohnisková vzdialenosť optických systémov

Ohnisková vzdialenosť je veľmi dôležitým ukazovateľom optického systému. Pojem ohnisková vzdialenosť už viac-menej chápeme a tu si ho pozrieme.
Ohnisková vzdialenosť optického systému, definovaná ako vzdialenosť od optického stredu optického systému k ohnisku lúča pri dopade rovnobežného svetla, je mierou koncentrácie alebo divergencie svetla v optickom systéme. Na ilustráciu tohto konceptu použijeme nasledujúci diagram.

Na vyššie uvedenom obrázku rovnobežný lúč dopadajúci z ľavého konca po prechode optickým systémom zbieha do obrazového ohniska F', spätná predĺžovacia čiara zbiehajúceho sa lúča sa pretína so zodpovedajúcou predĺžovacou čiarou dopadajúceho rovnobežného lúča v bode a plocha, ktorá prechádza týmto bodom a je kolmá na optickú os, sa nazýva zadná hlavná rovina, zadná hlavná rovina sa pretína s optickou osou v bode P2, ktorý sa nazýva hlavný bod (alebo optický stredový bod), vzdialenosť medzi hlavným bodom a obrazovým ohniskom, to je to, čo zvyčajne nazývame ohniskovou vzdialenosťou, celý názov je efektívna ohnisková vzdialenosť obrazu.
Z obrázku je tiež vidieť, že vzdialenosť od posledného povrchu optického systému k ohnisku F' obrazu sa nazýva zadná ohnisková vzdialenosť (BFL). Podobne, ak rovnobežný lúč dopadá z pravej strany, existujú aj pojmy efektívnej ohniskovej vzdialenosti a prednej ohniskovej vzdialenosti (FFL).

2. Metódy testovania ohniskovej vzdialenosti

V praxi existuje mnoho metód, ktoré možno použiť na testovanie ohniskovej vzdialenosti optických systémov. Na základe rôznych princípov možno metódy testovania ohniskovej vzdialenosti rozdeliť do troch kategórií. Prvá kategória je založená na polohe obrazovej roviny, druhá kategória využíva vzťah medzi zväčšením a ohniskovou vzdialenosťou na získanie hodnoty ohniskovej vzdialenosti a tretia kategória využíva zakrivenie vlnoplochy zbiehajúceho sa svetelného lúča na získanie hodnoty ohniskovej vzdialenosti.
V tejto časti si predstavíme bežne používané metódy na testovanie ohniskovej vzdialenosti optických systémov:

2.1CMetóda olimátora

Princíp použitia kolimátora na testovanie ohniskovej vzdialenosti optického systému je znázornený na diagrame nižšie:

Na obrázku je testovací obrazec umiestnený v ohnisku kolimátora. Výška y testovacieho obrazca a ohnisková vzdialenosť f_c' kolimátora sú známe. Po tom, ako sa paralelný lúč emitovaný kolimátorom zblíži s testovaným optickým systémom a zobrazí sa v rovine obrazu, je možné vypočítať ohniskovú vzdialenosť optického systému na základe výšky y' testovacieho obrazca v rovine obrazu. Ohniskovú vzdialenosť testovaného optického systému je možné vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:

2.2 GaussovskáMmetóda
Schematický obrázok Gaussovej metódy na testovanie ohniskovej vzdialenosti optického systému je znázornený nižšie:

Na obrázku sú predná a zadná hlavná rovina testovaného optického systému znázornené ako P a P' a vzdialenosť medzi týmito dvoma hlavnými rovinami je d._PV tejto metóde je hodnota d_Psa považuje za známu alebo je jej hodnota malá a možno ju ignorovať. Objekt a prijímacia obrazovka sú umiestnené na ľavom a pravom konci a vzdialenosť medzi nimi sa zaznamenáva ako L, kde L musí byť väčšia ako 4-násobok ohniskovej vzdialenosti testovaného systému. Testovaný systém môže byť umiestnený v dvoch polohách, označených ako poloha 1 a poloha 2. Objekt vľavo je možné jasne zobraziť na prijímacej obrazovke. Vzdialenosť medzi týmito dvoma miestami (označené ako D) je možné zmerať. Podľa konjugovaného vzťahu môžeme získať:

V týchto dvoch polohách sa vzdialenosti objektov zaznamenávajú ako s1 a s2, potom s2 - s1 = D. Odvodením vzorca môžeme získať ohniskovú vzdialenosť optického systému takto:

2.3Lenzometer
Lensometer je veľmi vhodný na testovanie optických systémov s dlhou ohniskovou vzdialenosťou. Jeho schematický obrázok vyzerá takto:

Po prvé, testovaná šošovka nie je umiestnená v optickej dráhe. Pozorovaný cieľ vľavo prechádza kolimačnou šošovkou a stáva sa paralelným svetlom. Rovnobežné svetlo je zbiehané spojkou s ohniskovou vzdialenosťou f.₂a vytvára jasný obraz v referenčnej rovine obrazu. Po kalibrácii optickej dráhy sa testovaná šošovka umiestni do optickej dráhy a vzdialenosť medzi testovanou šošovkou a spojkou je f₂V dôsledku pôsobenia testovanej šošovky sa svetelný lúč preostri, čo spôsobí posun v polohe obrazovej roviny, výsledkom čoho bude jasný obraz v polohe novej obrazovej roviny na diagrame. Vzdialenosť medzi novou obrazovou rovinou a spojkou sa označuje ako x. Na základe vzťahu medzi objektom a obrazom možno ohniskovú vzdialenosť testovanej šošovky odvodiť ako:

V praxi sa šošovkomer široko používa na meranie najvyššej ohniskovej vzdialenosti okuliarových šošoviek a má výhody jednoduchej obsluhy a spoľahlivej presnosti.

2.4 AbbéRefraktometer

Abbeho refraktometer je ďalšou metódou na testovanie ohniskovej vzdialenosti optických systémov. Jeho schematický obrázok vyzerá takto:

Na stranu objektového povrchu testovanej šošovky umiestnite dve pravítka s rôznou výškou, a to stupnicu 1 a stupnicu 2. Zodpovedajúce výšky stupníc sú y1 a y2. Vzdialenosť medzi oboma stupnicami je e a uhol medzi hornou čiarou pravítka a optickou osou je u. Stupnica je zobrazená testovanou šošovkou s ohniskovou vzdialenosťou f. Na konci obrazovej plochy je umiestnený mikroskop. Posunutím polohy mikroskopu sa nájdu horné obrazy oboch stupníc. V tomto okamihu sa vzdialenosť medzi mikroskopom a optickou osou označuje ako y. Podľa vzťahu medzi objektom a obrazom môžeme získať ohniskovú vzdialenosť ako:

2.5 Moaré deflektometriaMetóda
Metóda Moiré deflektometrie využíva dve sady Ronchiho liniek v paralelných svetelných lúčoch. Ronchiho liniek je mriežkový vzor z kovovo-chrómového filmu naneseného na sklenený substrát, bežne používaný na testovanie výkonu optických systémov. Metóda využíva zmenu Moirého prúžkov tvorených dvoma mriežkami na testovanie ohniskovej vzdialenosti optického systému. Schematický diagram princípu je nasledovný:

Na obrázku vyššie sa pozorovaný objekt po prechode kolimátorom stáva paralelným lúčom. V optickej dráhe, bez predchádzajúceho pridania testovanej šošovky, prechádza paralelný lúč cez dve mriežky s uhlom posunutia θ a rozostupom mriežky d, čím sa na obrazovej rovine vytvorí súbor moaré prúžkov. Potom sa do optickej dráhy umiestni testovaná šošovka. Pôvodné kolimované svetlo po lome šošovkou vytvorí určitú ohniskovú vzdialenosť. Polomer zakrivenia svetelného lúča možno získať z nasledujúceho vzorca:

Testovaná šošovka sa zvyčajne umiestňuje veľmi blízko prvej mriežky, takže hodnota R vo vyššie uvedenom vzorci zodpovedá ohniskovej vzdialenosti šošovky. Výhodou tejto metódy je, že umožňuje testovať ohniskovú vzdialenosť systémov s kladnou aj zápornou ohniskovou vzdialenosťou.

2.6 OptickýFiberAautokolimáciaMmetóda
Princíp použitia metódy autokolimácie optických vlákien na testovanie ohniskovej vzdialenosti šošovky je znázornený na obrázku nižšie. Používa optické vlákno na vyžarovanie divergentného lúča, ktorý prechádza testovanou šošovkou a potom dopadá na rovinné zrkadlo. Tri optické dráhy na obrázku predstavujú stav optického vlákna v ohnisku, v ohnisku a mimo ohniska. Pohybom testovanej šošovky tam a späť môžete zistiť polohu vláknovej hlavy v ohnisku. V tomto čase je lúč samokolimovaný a po odraze od rovinného zrkadla sa väčšina energie vráti do polohy vláknovej hlavy. Metóda je v princípe jednoduchá a ľahko sa realizuje.

3. Záver

Ohnisková vzdialenosť je dôležitým parametrom optického systému. V tomto článku podrobne rozoberieme koncept ohniskovej vzdialenosti optického systému a metódy jej testovania. V kombinácii so schematickým diagramom vysvetlíme definíciu ohniskovej vzdialenosti vrátane pojmov ohnisková vzdialenosť na strane obrazu, ohnisková vzdialenosť na strane objektu a ohnisková vzdialenosť spredu dozadu. V praxi existuje mnoho metód na testovanie ohniskovej vzdialenosti optického systému. Tento článok predstavuje princípy testovania kolimátorovej metódy, Gaussovej metódy, metódy merania ohniskovej vzdialenosti, Abbeho metódy merania ohniskovej vzdialenosti, metódy Moiréovho vychýlenia a metódy autokolimácie optických vlákien. Verím, že prečítaním tohto článku lepšie pochopíte parametre ohniskovej vzdialenosti v optických systémoch.