1. Goriščna razdalja optičnih sistemov
Goriščna razdalja je zelo pomemben kazalnik optičnega sistema. Koncept goriščne razdalje imamo bolj ali manj razumeti, zato ga bomo tukaj pregledali.
Goriščna razdalja optičnega sistema, definirana kot razdalja od optičnega središča optičnega sistema do gorišča žarka pri vzporednem padu svetlobe, je mera koncentracije ali divergence svetlobe v optičnem sistemu. Za ponazoritev tega koncepta uporabljamo naslednji diagram.
Na zgornji sliki vzporedni žarek, ki vpada z levega konca, po prehodu skozi optični sistem konvergira v gorišče slike F', povratna podaljševalna črta konvergentnega žarka se seka z ustrezno podaljševalno črto vpadnega vzporednega žarka v točki, površina, ki poteka mimo te točke in je pravokotna na optično os, pa se imenuje zadnja glavna ravnina, zadnja glavna ravnina se seka z optično osjo v točki P2, ki se imenuje glavna točka (ali optično središče), razdalja med glavno točko in goriščem slike pa je tisto, čemur običajno pravimo goriščna razdalja, polno ime pa je efektivna goriščna razdalja slike.
Iz slike je razvidno tudi, da se razdalja od zadnje površine optičnega sistema do goriščne točke F' slike imenuje zadnja goriščna razdalja (BFL). Če vzporedni žarek pada z desne strani, obstajata tudi pojma efektivna goriščna razdalja in sprednja goriščna razdalja (FFL).
2. Metode testiranja goriščne razdalje
V praksi obstaja veliko metod, ki jih je mogoče uporabiti za testiranje goriščne razdalje optičnih sistemov. Na podlagi različnih načel lahko metode testiranja goriščne razdalje razdelimo v tri kategorije. Prva kategorija temelji na položaju slikovne ravnine, druga kategorija uporablja razmerje med povečavo in goriščno razdaljo za pridobitev vrednosti goriščne razdalje, tretja kategorija pa uporablja ukrivljenost valovne fronte zbližujočega se svetlobnega žarka za pridobitev vrednosti goriščne razdalje.
V tem razdelku bomo predstavili pogosto uporabljene metode za testiranje goriščne razdalje optičnih sistemov:
2.1CMetoda olimatorja
Načelo uporabe kolimatorja za testiranje goriščne razdalje optičnega sistema je prikazano na spodnjem diagramu:
Na sliki je testni vzorec postavljen v gorišče kolimatorja. Višina y testnega vzorca in goriščna razdalja fc' kolimatorja so znani. Ko se vzporedni žarek, ki ga oddaja kolimator, zbere v testiranem optičnem sistemu in se slika na slikovni ravnini, se lahko goriščna razdalja optičnega sistema izračuna na podlagi višine y' testnega vzorca na slikovni ravnini. Goriščna razdalja testiranega optičnega sistema se lahko izračuna z naslednjo formulo:
2.2 GaussovaMmetoda
Shematski prikaz Gaussove metode za testiranje goriščne razdalje optičnega sistema je prikazan spodaj:
Na sliki sta sprednja in zadnja glavna ravnina preizkušanega optičnega sistema predstavljeni kot P in P', razdalja med glavnima ravninama pa je d.PPri tej metodi je vrednost dPse šteje za znano ali pa je njegova vrednost majhna in jo lahko zanemarimo. Predmet in sprejemni zaslon sta postavljena na levi in desni konec, razdalja med njima pa se zabeleži kot L, kjer mora biti L večja od 4-kratnika goriščne razdalje preizkušanega sistema. Preizkušani sistem lahko postavimo v dva položaja, označena kot položaj 1 oziroma položaj 2. Predmet na levi je mogoče jasno prikazati na sprejemnem zaslonu. Razdaljo med tema dvema mestoma (označeno kot D) je mogoče izmeriti. Glede na konjugirano razmerje lahko dobimo:
Na teh dveh položajih sta razdalji do objektov zabeleženi kot s1 oziroma s2, nato pa je s2 - s1 = D. Z izpeljavo formule lahko dobimo goriščno razdaljo optičnega sistema, kot je prikazano spodaj:
2.3Lenzometer
Lenzometer je zelo primeren za testiranje optičnih sistemov z dolgo goriščno razdaljo. Njegova shematska slika je naslednja:
Prvič, testirana leča ni postavljena na optično pot. Opazovana tarča na levi prehaja skozi kolimacijsko lečo in postane vzporedna svetloba. Vzporedna svetloba se zbliža s zbiralno lečo z goriščno razdaljo f.2in tvori jasno sliko na referenčni slikovni ravnini. Po kalibraciji optične poti se testirana leča postavi na optično pot, razdalja med testirano lečo in zbiralno lečo pa je f2Posledično se bo zaradi delovanja preizkušane leče svetlobni žarek ponovno osredotočil, kar bo povzročilo premik položaja slikovne ravnine, kar bo na diagramu povzročilo jasno sliko na položaju nove slikovne ravnine. Razdalja med novo slikovno ravnino in zbiralno lečo je označena kot x. Na podlagi razmerja med objektom in sliko lahko goriščno razdaljo preizkušane leče sklepamo kot:
V praksi se lenzometer pogosto uporablja pri merjenju goriščne razdalje očalnih leč in ima prednosti preprostega delovanja in zanesljive natančnosti.
2.4 AbbeRefraktometer
Abbejev refraktometer je še ena metoda za testiranje goriščne razdalje optičnih sistemov. Njegova shematska slika je naslednja:
Na površino preizkušane leče, ki je na strani predmeta, postavite dve ravnili z različno višino, in sicer merilno ploščo 1 in merilno ploščo 2. Ustrezni višini merilnih plošč sta y1 in y2. Razdalja med obema merilnima ploščama je e, kot med zgornjo črto ravnila in optično osjo pa je u. Merilno ploščo slika preizkušena leča z goriščno razdaljo f. Na koncu slikovne površine je nameščen mikroskop. S premikanjem položaja mikroskopa poiščemo zgornji sliki obeh merilnih plošč. V tem primeru je razdalja med mikroskopom in optično osjo označena kot y. Glede na razmerje med predmetom in sliko lahko dobimo goriščno razdaljo kot:
2.5 Moire deflektometrijaMetoda
Metoda Moiréjeve deflektometrije uporablja dva niza Ronchijevih linij v vzporednih svetlobnih žarkih. Ronchijeva linija je mrežast vzorec kovinsko-kromovega filma, nanešenega na stekleno podlago, ki se običajno uporablja za testiranje delovanja optičnih sistemov. Metoda uporablja spremembo Moiréjevih linij, ki jih tvorita dve rešetki, za testiranje goriščne razdalje optičnega sistema. Shematski diagram načela je naslednji:
Na zgornji sliki opazovani objekt po prehodu skozi kolimator postane vzporedni žarek. Na optični poti, brez predhodnega dodajanja testirane leče, vzporedni žarek prehaja skozi dve rešetki s kotom premika θ in razmikom med rešetkami d, pri čemer na slikovni ravnini tvorita niz Moiréjevih prog. Nato se na optično pot postavi testirana leča. Prvotna kolimirana svetloba po lomu v leči ustvari določeno goriščno razdaljo. Polmer ukrivljenosti svetlobnega žarka lahko dobimo z naslednjo formulo:
Običajno je testirana leča nameščena zelo blizu prve rešetke, zato vrednost R v zgornji formuli ustreza goriščni razdalji leče. Prednost te metode je, da lahko testira goriščno razdaljo sistemov s pozitivno in negativno goriščno razdaljo.
2.6 OptičniFiberAavtokolimacijaMmetoda
Načelo uporabe metode avtokolimacije optičnih vlaken za testiranje goriščne razdalje leče je prikazano na spodnji sliki. Uporablja optična vlakna za oddajanje divergentnega žarka, ki prehaja skozi testirano lečo in nato na ravno zrcalo. Tri optične poti na sliki predstavljajo stanje optičnega vlakna znotraj fokusa, znotraj fokusa in zunaj fokusa. S premikanjem položaja testirane leče naprej in nazaj lahko ugotovite položaj glave vlakna v fokusu. V tem času se žarek samokolimira in po odboju od ravnega zrcala se večina energije vrne v položaj glave vlakna. Metoda je načeloma preprosta in enostavna za izvedbo.
3. Zaključek
Goriščna razdalja je pomemben parameter optičnega sistema. V tem članku podrobno opisujemo koncept goriščne razdalje optičnega sistema in metode njenega testiranja. S shematskim diagramom pojasnjujemo definicijo goriščne razdalje, vključno s koncepti goriščne razdalje na strani slike, goriščne razdalje na strani predmeta in goriščne razdalje od spredaj do zadaj. V praksi obstaja veliko metod za testiranje goriščne razdalje optičnega sistema. Ta članek predstavlja načela testiranja kolimatorske metode, Gaussove metode, metode merjenja goriščne razdalje, Abbejeve metode merjenja goriščne razdalje, metode Moiréjevega odklona in metode avtokolimacije optičnih vlaken. Verjamem, da boste z branjem tega članka bolje razumeli parametre goriščne razdalje v optičnih sistemih.
Čas objave: 9. avg. 2024
