Definicija i metode ispitivanja žarišne duljine optičkih sustava

1.Žarišna duljina optičkih sustava

Žarišna duljina je vrlo važan pokazatelj optičkog sustava, za koncept žarišne duljine, više-manje imamo razumijevanja, pregled ovdje.
Žarišna duljina optičkog sustava, definirana kao udaljenost od optičkog središta optičkog sustava do fokusa zrake kada paralelno upada svjetlost, mjera je koncentracije ili divergencije svjetlosti u optičkom sustavu. Koristimo sljedeći dijagram za ilustraciju ovog koncepta.

Na gornjoj slici, paralelni snop koji upada s lijevog kraja, nakon prolaska kroz optički sustav, konvergira u fokus slike F', obrnuta linija produžetka konvergentne zrake siječe se s odgovarajućom produžnom linijom upadne paralelne zrake na točka, a površina koja prolazi ovom točkom i okomita je na optičku os naziva se stražnja glavna ravnina, stražnja glavna ravnina siječe se s optičkom osi u točki P2, koja se naziva glavna točka (ili optička središnja točka), udaljenost između glavne točke i fokusa slike, to je ono što obično nazivamo žarišnom duljinom, puni naziv je efektivna žarišna duljina slike.
Iz slike je također vidljivo da se udaljenost od posljednje površine optičkog sustava do žarišne točke F' slike naziva zadnja žarišna duljina (BFL). Sukladno tome, ako paralelni snop pada s desne strane, također postoje koncepti efektivne žarišne duljine i prednje žarišne duljine (FFL).

2. Metode ispitivanja žarišne duljine

U praksi postoje mnoge metode koje se mogu koristiti za ispitivanje žarišne duljine optičkih sustava. Na temelju različitih principa, metode ispitivanja žarišne duljine mogu se podijeliti u tri kategorije. Prva kategorija temelji se na položaju ravnine slike, druga kategorija koristi odnos između povećanja i žarišne duljine da bi se dobila vrijednost žarišne duljine, a treća kategorija koristi zakrivljenost valne fronte konvergirajuće svjetlosne zrake da bi se dobila vrijednost žarišne duljine .
U ovom odjeljku predstavit ćemo najčešće korištene metode za testiranje žarišne duljine optičkih sustava:

2.1Colimatorska metoda

Načelo korištenja kolimatora za ispitivanje žarišne duljine optičkog sustava prikazano je na donjem dijagramu:

Na slici je ispitni uzorak postavljen u fokus kolimatora. Visina y ispitnog uzorka i žarišna duljina f_c' kolimatora su poznati. Nakon što ispitani optički sustav konvergira paralelnu zraku koju emitira kolimator i prikaže je na ravnini slike, žarišna duljina optičkog sustava može se izračunati na temelju visine y' testnog uzorka na ravnini slike. Žarišna duljina testiranog optičkog sustava može se koristiti sljedećom formulom:

2.2 GaussovMethod
Shematski prikaz Gaussove metode za ispitivanje žarišne duljine optičkog sustava prikazan je u nastavku:

Na slici su prednja i stražnja glavna ravnina ispitivanog optičkog sustava prikazane kao P i P', a udaljenost između dviju glavnih ravnina je d_P. U ovoj metodi, vrijednost d_Pse smatra poznatim ili je njegova vrijednost mala i može se zanemariti. Predmet i prijemni zaslon postavljaju se na lijevi i desni kraj, a udaljenost između njih bilježi se kao L, gdje L mora biti veći od 4 puta žarišne duljine sustava koji se testira. Sustav koji se ispituje može se postaviti u dva položaja, označena kao položaj 1 i položaj 2. Objekt s lijeve strane može se jasno prikazati na prijemnom zaslonu. Udaljenost između ta dva mjesta (označena kao D) može se izmjeriti. Prema konjugiranom odnosu možemo dobiti:

Na ova dva položaja, udaljenosti objekta se bilježe kao s1 i s2, zatim s2 - s1 = D. Izvođenjem formule, možemo dobiti žarišnu duljinu optičkog sustava kao u nastavku:

2.3Lenzometar
Lensometar je vrlo prikladan za testiranje optičkih sustava velike žarišne duljine. Njegova shema je sljedeća:

Prvo, leća koja se testira nije postavljena na optički put. Promatrana meta s lijeve strane prolazi kroz kolimirajuću leću i postaje paralelna svjetlost. Paralelnu svjetlost konvergira konvergentna leća žarišne duljine f₂i oblikuje jasnu sliku u ravnini referentne slike. Nakon što je optički put kalibriran, leća koja se testira postavlja se na optički put, a udaljenost između leće koja se testira i konvergentne leće je f₂. Kao rezultat toga, zbog djelovanja leće koja se testira, svjetlosni snop će se ponovno fokusirati, uzrokujući pomak u položaju ravnine slike, što će rezultirati jasnom slikom na poziciji nove ravnine slike u dijagramu. Udaljenost između nove ravnine slike i konvergentne leće označena je kao x. Na temelju odnosa objekt-slika, žarišna duljina leće koja se testira može se zaključiti kao:

U praksi, lensometar se naširoko koristi u mjerenju gornjeg žarišta naočalnih leća, a ima prednosti jednostavnog rukovanja i pouzdane preciznosti.

2.4 AbbeRefraktometar

Abbeov refraktometar još je jedna metoda za ispitivanje žarišne duljine optičkih sustava. Njegova shema je sljedeća:

Postavite dva ravnala različitih visina na stranu površine leće koja se testira, točnije skalu 1 i skalu 2. Odgovarajuće visine skale su y1 i y2. Udaljenost između dvije skale je e, a kut između gornje crte ravnala i optičke osi je u. Skala je snimljena testiranim objektivom žarišne duljine f. Mikroskop je instaliran na kraju površine slike. Pomicanjem položaja mikroskopa pronalaze se gornje slike dviju ljestvica. U ovom trenutku, udaljenost između mikroskopa i optičke osi označava se kao y. Prema odnosu objekt-slika, možemo dobiti žarišnu duljinu kao:

2.5 Moire deflektometrijametoda
Metoda Moiré deflektometrije koristit će dva niza Ronchijevih linija u paralelnim svjetlosnim zrakama. Ronchijeva linija je rešetkasti uzorak metalnog kromovog filma nanesenog na staklenu podlogu, koji se obično koristi za testiranje performansi optičkih sustava. Metoda koristi promjenu Moiré rubova koje formiraju dvije rešetke za testiranje žarišne duljine optičkog sustava. Shematski dijagram principa je sljedeći:

Na gornjoj slici promatrani objekt nakon prolaska kroz kolimator postaje paralelna zraka. Na optičkom putu, bez prethodnog dodavanja testirane leće, paralelni snop prolazi kroz dvije rešetke s kutom pomaka θ i razmakom rešetki od d, tvoreći niz Moiré rubova na ravnini slike. Zatim se testirana leća postavlja na optički put. Izvorno kolimirano svjetlo, nakon loma na leći, proizvest će određenu žarišnu duljinu. Radijus zakrivljenosti svjetlosnog snopa može se dobiti iz sljedeće formule:

Obično se leća koja se testira postavlja vrlo blizu prve rešetke, tako da vrijednost R u gornjoj formuli odgovara žarišnoj duljini leće. Prednost ove metode je što može testirati žarišnu duljinu pozitivnih i negativnih sustava žarišne duljine.

2.6 OptičkiFiberAutokolimacijaMethod
Princip korištenja metode autokolimacije optičkog vlakna za ispitivanje žarišne duljine leće prikazan je na slici ispod. Koristi optička vlakna za emitiranje divergentne zrake koja prolazi kroz leću koja se testira, a zatim na ravno zrcalo. Tri optičke staze na slici predstavljaju stanje optičkog vlakna unutar fokusa, unutar fokusa i izvan fokusa. Pomicanjem položaja leće koja se testira naprijed-natrag, možete pronaći položaj glave vlakna u fokusu. U ovom trenutku, zraka je samokolimirana, a nakon refleksije od ravnog zrcala, većina energije će se vratiti u položaj glave vlakna. Metoda je načelno jednostavna i laka za provedbu.

3. Zaključak

Žarišna duljina važan je parametar optičkog sustava. U ovom članku detaljno opisujemo koncept žarišne duljine optičkog sustava i njegove metode ispitivanja. U kombinaciji sa shematskim dijagramom objašnjavamo definiciju žarišne duljine, uključujući koncepte žarišne duljine na strani slike, žarišne duljine na strani objekta i žarišne duljine naprijed-natrag. U praksi postoji mnogo metoda za ispitivanje žarišne duljine optičkog sustava. Ovaj članak predstavlja principe ispitivanja metode kolimatora, Gaussove metode, metode mjerenja žarišne duljine, metode mjerenja žarišne duljine Abbe, metode Moiré defleksije i metode autokolimacije optičkih vlakana. Vjerujem da ćete čitanjem ovog članka bolje razumjeti parametre žarišne duljine u optičkim sustavima.