Definicija žižne daljine optičkih sistema i metode ispitivanja

1. Žižna daljina optičkih sistema

Žižna daljina je veoma važan pokazatelj optičkog sistema, što se tiče koncepta žižne daljine, manje-više razumijemo, pa ćemo ga ovdje pregledati.
Žižna daljina optičkog sistema, definirana kao udaljenost od optičkog centra optičkog sistema do fokusa snopa pri paralelnom upadu svjetlosti, mjera je koncentracije ili divergencije svjetlosti u optičkom sistemu. Koristimo sljedeći dijagram da ilustrujemo ovaj koncept.

Na gornjoj slici, paralelni snop koji upada s lijevog kraja, nakon prolaska kroz optički sistem, konvergira prema fokusu slike F', obrnuta produžetna linija konvergentnog zraka siječe se s odgovarajućom produžetnom linijom upadnog paralelnog zraka u tački, a površina koja prolazi ovu tačku i okomita je na optičku osu naziva se zadnja glavna ravan, zadnja glavna ravan siječe se s optičkom osom u tački P2, koja se naziva glavna tačka (ili optički centar), udaljenost između glavne tačke i fokusa slike, to je ono što obično nazivamo žarišnom daljinom, puni naziv je efektivna žarišna daljina slike.
Iz slike se također može vidjeti da se udaljenost od posljednje površine optičkog sistema do žarišne tačke F' slike naziva zadnja žarišna daljina (BFL). Shodno tome, ako paralelni snop pada s desne strane, postoje i koncepti efektivne žarišne daljine i prednje žarišne daljine (FFL).

2. Metode ispitivanja žarišne daljine

U praksi postoji mnogo metoda koje se mogu koristiti za testiranje žižne daljine optičkih sistema. Na osnovu različitih principa, metode testiranja žižne daljine mogu se podijeliti u tri kategorije. Prva kategorija se zasniva na položaju ravni slike, druga kategorija koristi odnos između uvećanja i žižne daljine za dobijanje vrijednosti žižne daljine, a treća kategorija koristi zakrivljenost talasnog fronta konvergentnog svjetlosnog snopa za dobijanje vrijednosti žižne daljine.
U ovom odjeljku ćemo predstaviti uobičajene metode za testiranje žižne daljine optičkih sistema:

2.1CMetoda olimatora

Princip korištenja kolimatora za testiranje žižne daljine optičkog sistema prikazan je na dijagramu ispod:

Na slici je testni uzorak postavljen u fokus kolimatora. Visina y testnog uzorka i žarišna daljina f_c' kolimatora su poznati. Nakon što paralelni snop koji emituje kolimator konvergira testirani optički sistem i snimi se na ravni slike, žižna daljina optičkog sistema može se izračunati na osnovu visine y' testnog uzorka na ravni slike. Žižna daljina testiranog optičkog sistema može se izračunati pomoću sljedeće formule:

2.2 GaussovaMmetoda
Shematski prikaz Gaussove metode za testiranje žarišne daljine optičkog sistema prikazan je ispod:

Na slici su prednja i zadnja glavna ravan testiranog optičkog sistema predstavljene kao P i P' respektivno, a udaljenost između dvije glavne ravni je d_PU ovoj metodi, vrijednost d_Pse smatra poznatim ili je njegova vrijednost mala i može se zanemariti. Objekt i prijemni ekran se postavljaju na lijevi i desni kraj, a udaljenost između njih se bilježi kao L, gdje L mora biti veća od 4 puta žižne daljine testiranog sistema. Testirani sistem se može postaviti u dva položaja, označena kao položaj 1 i položaj 2. Objekt s lijeve strane se može jasno vidjeti na prijemnom ekranu. Udaljenost između ove dvije lokacije (označene kao D) se može izmjeriti. Prema konjugovanom odnosu, možemo dobiti:

Na ove dvije pozicije, udaljenosti objekata se zapisuju kao s1 i s2 respektivno, tada je s2 - s1 = D. Izvođenjem formule možemo dobiti žižnu daljinu optičkog sistema kao što slijedi:

2.3Lenzometar
Lenzometar je veoma pogodan za testiranje optičkih sistema sa velikom žižnom daljinom. Njegova shematska slika je sljedeća:

Prvo, testirana leća nije postavljena u optički put. Posmatrana meta s lijeve strane prolazi kroz kolimatorsku leću i postaje paralelna svjetlost. Paralelna svjetlost se konvergira pomoću konvergentne leće sa žarišnom daljinom f.₂i formira jasnu sliku na referentnoj ravni slike. Nakon što je optička putanja kalibrirana, testirana leća se postavlja u optičku putanju, a udaljenost između testirane leće i konvergentne leće je f₂Kao rezultat toga, zbog djelovanja testiranog sočiva, svjetlosni snop će se refokusirati, uzrokujući pomak u položaju ravni slike, što će rezultirati jasnom slikom na poziciji nove ravni slike na dijagramu. Udaljenost između nove ravni slike i konvergentnog sočiva označena je kao x. Na osnovu odnosa objekta i slike, žižna daljina testiranog sočiva može se zaključiti kao:

U praksi, lensometar se široko koristi u mjerenju gornje žarišne daljine naočala i ima prednosti jednostavnog rukovanja i pouzdane preciznosti.

2.4 AbbeRefraktometar

Abbeov refraktometar je još jedna metoda za testiranje žarišne daljine optičkih sistema. Njegova shematska slika je sljedeća:

Postavite dva ravnala različitih visina na stranu površine predmeta na testiranom sočivu, i to skalu 1 i skalu 2. Odgovarajuće visine skala su y1 i y2. Udaljenost između dvije skale je e, a ugao između gornje linije ravnala i optičke ose je u. Skala se snima testiranim sočivom sa žižnom daljinom f. Mikroskop je postavljen na kraj površine slike. Pomicanjem položaja mikroskopa pronalaze se gornje slike dvije skale. U ovom trenutku, udaljenost između mikroskopa i optičke ose označava se kao y. Prema odnosu predmeta i slike, možemo dobiti žižnu daljinu kao:

2.5 Moire deflektometrijaMetoda
Metoda Moiré deflektometrije koristi dva seta Ronchijevih linija u paralelnim svjetlosnim snopovima. Ronchijeva linija je mrežasti uzorak metalnog hromnog filma nanesenog na staklenu podlogu, koji se obično koristi za testiranje performansi optičkih sistema. Metoda koristi promjenu Moiréovih pruga koje formiraju dvije rešetke za testiranje žarišne daljine optičkog sistema. Šematski dijagram principa je sljedeći:

Na gornjoj slici, posmatrani objekat, nakon prolaska kroz kolimator, postaje paralelni snop. U optičkom putu, bez prethodnog dodavanja testiranog sočiva, paralelni snop prolazi kroz dvije rešetke sa uglom pomjeranja θ i razmakom rešetke d, formirajući skup Moiré pruga na ravni slike. Zatim se testirano sočivo postavlja u optički put. Originalna kolimirana svjetlost, nakon prelamanja sočivom, proizvodi određenu žarišnu daljinu. Poluprečnik zakrivljenosti svjetlosnog snopa može se dobiti iz sljedeće formule:

Obično se testirano sočivo postavlja vrlo blizu prve rešetke, tako da vrijednost R u gornjoj formuli odgovara žižnoj daljini sočiva. Prednost ove metode je što se njome mogu testirati žižna daljina sistema pozitivne i negativne žižne daljine.

2.6 OptičkiFiberAautokolimacijaMmetoda
Princip korištenja metode autokolimacije optičkih vlakana za testiranje žižne daljine sočiva prikazan je na slici ispod. Koristi optička vlakna za emitovanje divergentnog snopa koji prolazi kroz sočivo koje se testira, a zatim na ravno ogledalo. Tri optička puta na slici predstavljaju uslove optičkog vlakna unutar fokusa, unutar fokusa i izvan fokusa, respektivno. Pomicanjem položaja sočiva koje se testira naprijed-nazad, možete pronaći položaj glave vlakna u fokusu. U ovom trenutku, snop se samokolimira, i nakon refleksije od ravnog ogledala, većina energije će se vratiti u položaj glave vlakna. Metoda je u principu jednostavna i laka za implementaciju.

3. Zaključak

Žižna daljina je važan parametar optičkog sistema. U ovom članku detaljno opisujemo koncept žižne daljine optičkog sistema i metode njenog testiranja. U kombinaciji sa shematskim dijagramom, objašnjavamo definiciju žižne daljine, uključujući koncepte žižne daljine na strani slike, žižne daljine na strani objekta i žižne daljine od naprijed do nazad. U praksi postoji mnogo metoda za testiranje žižne daljine optičkog sistema. Ovaj članak predstavlja principe testiranja kolimatorske metode, Gaussove metode, metode mjerenja žižne daljine, Abbe metode mjerenja žižne daljine, Moiré metode otklona i metode autokolimacije optičkih vlakana. Vjerujem da ćete čitanjem ovog članka bolje razumjeti parametre žižne daljine u optičkim sistemima.