Žižna daljina definicije optičkih sistema i metode ispitivanja

1.Žišna daljina optičkih sistema

Žižna daljina je veoma važan indikator optičkog sistema, za koncept žižne daljine, manje-više imamo razumijevanja, pregledamo ovdje.
Žižna daljina optičkog sistema, definisana kao rastojanje od optičkog centra optičkog sistema do fokusa snopa kada upadne paralelna svetlost, je mera koncentracije ili divergencije svetlosti u optičkom sistemu. Koristimo sljedeći dijagram za ilustraciju ovog koncepta.

Na gornjoj slici, paralelni snop koji upada s lijevog kraja, nakon što prođe kroz optički sistem, konvergira u fokus slike F', obrnuta produžna linija konvergentne zrake siječe se s odgovarajućom produžnom linijom upadne paralelne zrake na tačku, a površina koja prolazi ovu tačku i okomita je na optičku os naziva se zadnja glavna ravan, zadnja glavna ravnina siječe se s optičkom osom u tački P2, koja se naziva glavna točka (ili optička središnja točka), udaljenost između glavne tačke i fokusa slike, to je ono što obično zovemo žižna daljina, puni naziv je efektivna žižna daljina slike.
Sa slike se takođe može videti da se rastojanje od poslednje površine optičkog sistema do fokusne tačke F' slike naziva pozadinska žižna daljina (BFL). Shodno tome, ako paralelni snop pada sa desne strane, postoje i koncepti efektivne žižne daljine i prednje žižne daljine (FFL).

2. Metode ispitivanja žarišne dužine

U praksi postoji mnogo metoda koje se mogu koristiti za testiranje žižne daljine optičkih sistema. Na osnovu različitih principa, metode ispitivanja 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 da bi dobila vrednost žarišne daljine, a treća kategorija koristi zakrivljenost talasnog fronta konvergentnog svetlosnog snopa da bi dobila vrednost žižne daljine .
U ovom odeljku ćemo predstaviti najčešće korišćene metode za testiranje žižne daljine optičkih sistema:

2.1COlimator Method

Princip upotrebe kolimatora za testiranje žižne daljine optičkog sistema je kao što je prikazano na dijagramu ispod:

Na slici je test uzorak postavljen u fokus kolimatora. Visina y testnog uzorka i žižna daljina f_c' kolimatora su poznati. Nakon što se paralelni snop koji emituje kolimator konvergirao testiranim optičkim sistemom i snimio na ravni slike, žižna daljina optičkog sistema može se izračunati na osnovu visine y' test uzorka na ravni slike. Žižna daljina testiranog optičkog sistema može koristiti sljedeću formulu:

2.2 GausovMethod
Šematski prikaz Gaussove metode za testiranje žižne daljine optičkog sistema je prikazan na sledeći način:

Na slici, prednja i zadnja glavna ravnina optičkog sistema koji se testira su predstavljene kao P i P' respektivno, a rastojanje između dve glavne ravni je d_P. U ovoj metodi, vrijednost d_Psmatra se poznatim ili je njegova vrijednost mala i može se zanemariti. Objekt i prijemni ekran su postavljeni na lijevom i desnom kraju, a razmak između njih se bilježi kao L, pri čemu L treba biti veći od 4 puta žižne daljine sistema koji se testira. Sistem koji se testira može se postaviti u dvije pozicije, označene kao pozicija 1 i pozicija 2. Objekt s lijeve strane može se jasno prikazati na prijemnom ekranu. Udaljenost između ove dvije lokacije (označena kao D) može se izmjeriti. Prema konjugiranom odnosu možemo dobiti:

Na ove dvije pozicije, udaljenosti objekata se snimaju kao s1 i s2, zatim s2 - s1 = D. Izvođenjem formule možemo dobiti žižnu daljinu optičkog sistema kao što je dolje:

2.3Lenzometar
Lensometar je veoma pogodan za testiranje optičkih sistema velike žižne daljine. Njegova šematska slika je sljedeća:

Prvo, sočivo koje se testira nije postavljeno na optičku putanju. Posmatrana meta na lijevoj strani prolazi kroz kolimirajuću leću i postaje paralelna svjetlost. Paralelno svjetlo konvergira konvergentno sočivo sa žižnom daljinom f₂i formira jasnu sliku na referentnoj ravni slike. Nakon što je optička putanja kalibrirana, sočivo koje se testira se postavlja u optičku putanju, a udaljenost između sočiva koja se testira i konvergentne leće je f₂. Kao rezultat toga, zbog djelovanja sočiva koje se testira, svjetlosni snop će se ponovo fokusirati, uzrokujući pomak u položaju ravni slike, što rezultira jasnom slikom na poziciji nove ravni slike na dijagramu. Udaljenost između nove ravni slike i konvergentne leće označava se sa x. Na osnovu odnosa objekt-slika, žižna daljina sočiva koja se testira može se zaključiti kao:

U praksi, sočivometar se široko koristi za mjerenje najviše žarišta naočnih sočiva, a ima prednosti jednostavnog rada i pouzdane preciznosti.

2.4 AbbeRefraktometar

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

Postavite dva ravnala sa različitim visinama na stranu površine predmeta na sočivu koja se testira, odnosno skalu 1 i ploču skale 2. Odgovarajuće visine skale su y1 i y2. Udaljenost između dvije skale je e, a ugao između gornje linije ravnala i optičke ose je u. Skalirano je prikazano testiranim objektivom sa žižnom daljinom od f. Mikroskop je instaliran na kraju površine slike. Pomicanjem položaja mikroskopa, nalaze se gornje slike dvije skale. U ovom trenutku, udaljenost između mikroskopa i optičke ose označava se sa y. Prema odnosu objekt-slika, žižnu daljinu možemo dobiti kao:

2.5 Moire deflektometrijaMetoda
Metoda Moiré deflektometrije će koristiti dva seta Ronchijevih pravila u paralelnim svjetlosnim snopovima. Ronchi linija je mrežasta šara metalnog krom filma nanesenog na staklenu podlogu, koja se obično koristi za testiranje performansi optičkih sistema. Metoda koristi promjenu Moiré resa koje formiraju dvije rešetke za testiranje žižne daljine optičkog sistema. Šematski dijagram principa je sljedeći:

Na gornjoj slici, posmatrani objekat, nakon prolaska kroz kolimator, postaje paralelni snop. Na optičkoj putanji, bez prethodnog dodavanja testiranog sočiva, paralelni snop prolazi kroz dvije rešetke sa uglom pomaka od θ i razmakom rešetke d, formirajući skup Moiré resica na ravni slike. Zatim se testirano sočivo postavlja na optički put. Originalna kolimirana svjetlost, nakon prelamanja od sočiva, proizvešće određenu žarišnu daljinu. Radijus zakrivljenosti svjetlosnog snopa može se dobiti iz sljedeće formule:

Obično se testirano sočivo postavlja vrlo blizu prve rešetke, tako da R vrijednost u gornjoj formuli odgovara žižnoj daljini sočiva. Prednost ove metode je što može testirati žižnu daljinu pozitivnih i negativnih sistema žižne daljine.

2.6 OptičkiFiberAutokolimacijaMethod
Princip upotrebe metode autokolimacije optičkih vlakana za testiranje žižne daljine sočiva prikazan je na donjoj slici. Koristi optička vlakna da emituje divergentni snop koji prolazi kroz sočivo koje se testira, a zatim na ravno ogledalo. Tri optičke putanje na slici predstavljaju uslove optičkog vlakna unutar fokusa, unutar fokusa i izvan fokusa. Pomeranjem položaja leće koja se testira napred-nazad, možete pronaći položaj glave vlakna u fokusu. U ovom trenutku, snop je samokolimiran, a nakon odbijanja 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 njegove metode ispitivanja. U kombinaciji sa šematskim dijagramom, objašnjavamo definiciju žižne daljine, uključujući koncepte žižne daljine sa strane slike, žižne daljine sa strane objekta i fokusne daljine od prednje do zadnje strane. U praksi postoji mnogo metoda za testiranje žižne daljine optičkog sistema. Ovaj članak predstavlja principe testiranja kolimatorske metode, Gausove metode, metode mjerenja žarišne daljine, Abbeove metode mjerenja žarišne daljine, Moiréove metode otklona i metode autokolimacije optičkih vlakana. Vjerujem da ćete čitanjem ovog članka bolje razumjeti parametre žarišne daljine u optičkim sistemima.