1. Brandpuntsafstand van optische systemen
De brandpuntsafstand is een zeer belangrijke indicator van een optisch systeem. Omdat we het concept van de brandpuntsafstand min of meer begrijpen, bespreken we dit hier.
De brandpuntsafstand van een optisch systeem, gedefinieerd als de afstand van het optische centrum tot het brandpunt van de bundel wanneer er parallel licht invalt, is een maat voor de concentratie of divergentie van licht in een optisch systeem. We gebruiken het volgende diagram om dit concept te illustreren.
In de bovenstaande afbeelding convergeert de parallelle straal die van links invalt, na door het optische systeem te zijn gegaan, naar het brandpunt van het beeld F'. De omgekeerde verlengingslijn van de convergerende straal snijdt de overeenkomstige verlengingslijn van de invallende parallelle straal in een punt. Het oppervlak dat dit punt passeert en loodrecht staat op de optische as, wordt het achterste hoofdvlak genoemd. Het achterste hoofdvlak snijdt de optische as in punt P2, wat het hoofdpunt (of het optische middelpunt) wordt genoemd. De afstand tussen het hoofdpunt en het brandpunt van het beeld is wat we gewoonlijk de brandpuntsafstand noemen. De volledige naam is de effectieve brandpuntsafstand van het beeld.
Uit de afbeelding blijkt ook dat de afstand van het laatste oppervlak van het optische systeem tot het brandpunt F' van de afbeelding de achterste brandpuntsafstand (BFL) wordt genoemd. Als de parallelle bundel van rechts invalt, bestaan er ook concepten van effectieve brandpuntsafstand en voorste brandpuntsafstand (FFL).
2. Brandpuntsafstandstestmethoden
In de praktijk bestaan er veel methoden om de brandpuntsafstand van optische systemen te testen. Op basis van verschillende principes kunnen de brandpuntsafstandstestmethoden worden onderverdeeld in drie categorieën. De eerste categorie is gebaseerd op de positie van het beeldvlak, de tweede categorie gebruikt de relatie tussen vergroting en brandpuntsafstand om de brandpuntsafstand te bepalen, en de derde categorie gebruikt de kromming van het golffront van de convergerende lichtbundel om de brandpuntsafstand te bepalen.
In dit gedeelte introduceren we de meest gebruikte methoden voor het testen van de brandpuntsafstand van optische systemen:
2.1Collimatormethode
Het principe van het gebruik van een collimator om de brandpuntsafstand van een optisch systeem te testen, wordt in het onderstaande diagram weergegeven:
In de afbeelding is het testpatroon in het brandpunt van de collimator geplaatst. De hoogte y van het testpatroon en de brandpuntsafstand fc' van de collimator bekend zijn. Nadat de parallelle bundel die door de collimator wordt uitgezonden, door het geteste optische systeem is geconvergeerd en op het beeldvlak is afgebeeld, kan de brandpuntsafstand van het optische systeem worden berekend op basis van de hoogte y' van het testpatroon op het beeldvlak. De brandpuntsafstand van het geteste optische systeem kan worden berekend met behulp van de volgende formule:
2.2 GaussischMethiek
Hieronder ziet u een schematische weergave van de Gaussische methode voor het testen van de brandpuntsafstand van een optisch systeem:
In de afbeelding worden de voorste en achterste hoofdvlakken van het te testen optische systeem respectievelijk weergegeven als P en P', en de afstand tussen de twee hoofdvlakken is dPBij deze methode wordt de waarde van dPwordt als bekend beschouwd, of de waarde ervan is klein en kan worden genegeerd. Een object en een ontvangstscherm worden aan de linker- en rechterkant geplaatst en de afstand ertussen wordt geregistreerd als L, waarbij L groter moet zijn dan 4 keer de brandpuntsafstand van het te testen systeem. Het te testen systeem kan op twee posities worden geplaatst, respectievelijk aangeduid als positie 1 en positie 2. Het object links kan duidelijk worden afgebeeld op het ontvangstscherm. De afstand tussen deze twee locaties (aangeduid als D) kan worden gemeten. Volgens de geconjugeerde relatie krijgen we:
Op deze twee posities worden de objectafstanden respectievelijk geregistreerd als s1 en s2, dan geldt s2 - s1 = D. Door middel van formule-afleiding kunnen we de brandpuntsafstand van het optische systeem als volgt verkrijgen:
2.3Lensometer
De Lensometer is zeer geschikt voor het testen van optische systemen met een lange brandpuntsafstand. De schematische afbeelding is als volgt:
Ten eerste bevindt de te testen lens zich niet in het optische pad. Het waargenomen object links passeert de collimatorlens en wordt parallel licht. Het parallelle licht wordt geconvergeerd door een convergerende lens met een brandpuntsafstand van f.2en vormt een helder beeld op het referentiebeeldvlak. Nadat het optische pad is gekalibreerd, wordt de te testen lens in het optische pad geplaatst en is de afstand tussen de te testen lens en de convergerende lens f2Als gevolg hiervan zal de lichtbundel, door de werking van de te testen lens, opnieuw worden gefocust, wat een verschuiving in de positie van het beeldvlak veroorzaakt. Dit resulteert in een helder beeld op de positie van het nieuwe beeldvlak in het diagram. De afstand tussen het nieuwe beeldvlak en de convergerende lens wordt aangeduid met x. Op basis van de object-beeldrelatie kan de brandpuntsafstand van de te testen lens worden afgeleid als:
In de praktijk wordt de lensometer veelvuldig gebruikt voor het meten van de brandpuntsafstand van brillenglazen. De voordelen zijn een eenvoudige bediening en betrouwbare precisie.
2.4 AbtRbreukmeter
De Abbe-refractometer is een andere methode om de brandpuntsafstand van optische systemen te testen. De schematische afbeelding is als volgt:
Plaats twee linialen met verschillende hoogtes aan de objectoppervlakzijde van de te testen lens, namelijk schaalplaat 1 en schaalplaat 2. De bijbehorende schaalplaten hebben hoogtes y1 en y2. De afstand tussen de twee schaalplaten is e en de hoek tussen de bovenste lijn van de liniaal en de optische as is u. De schaalplaat wordt afgebeeld met de geteste lens met een brandpuntsafstand van f. Een microscoop wordt op het beeldoppervlak geplaatst. Door de positie van de microscoop te verplaatsen, worden de bovenste beelden van de twee schaalplaten gevonden. De afstand tussen de microscoop en de optische as wordt nu aangeduid met y. Volgens de object-beeldrelatie kunnen we de brandpuntsafstand verkrijgen als:
2.5 Moiré-deflectometrieMethode
De Moiré-deflectometriemethode maakt gebruik van twee sets Ronchi-liniaallijnen in parallelle lichtbundels. Ronchi-liniaal is een roosterachtig patroon van metaalchroomfilm, afgezet op een glazen substraat, dat vaak wordt gebruikt voor het testen van de prestaties van optische systemen. De methode maakt gebruik van de verandering in Moiré-franjes, gevormd door de twee roosters, om de brandpuntsafstand van het optische systeem te testen. Het schema van het principe is als volgt:
In de bovenstaande afbeelding wordt het waargenomen object, na passage door de collimator, een parallelle bundel. In het optische pad passeert de parallelle bundel, zonder eerst de geteste lens toe te voegen, twee roosters met een verplaatsingshoek van θ en een roosterafstand van d, waardoor een reeks Moiré-randen op het beeldvlak ontstaat. Vervolgens wordt de geteste lens in het optische pad geplaatst. Het oorspronkelijk gecollimeerde licht zal, na breking door de lens, een bepaalde brandpuntsafstand produceren. De kromtestraal van de lichtbundel kan worden verkregen met de volgende formule:
Meestal wordt de te testen lens heel dicht bij het eerste rooster geplaatst, zodat de R-waarde in de bovenstaande formule overeenkomt met de brandpuntsafstand van de lens. Het voordeel van deze methode is dat de brandpuntsafstand van systemen met een positieve en negatieve brandpuntsafstand kan worden getest.
2.6 OptischFiberAutocollimatieMethiek
Het principe van het gebruik van de optische autocollimatiemethode voor het testen van de brandpuntsafstand van een lens wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding. Hierbij wordt gebruikgemaakt van glasvezel om een divergente bundel uit te zenden die door de te testen lens gaat en vervolgens op een vlakke spiegel valt. De drie optische paden in de afbeelding vertegenwoordigen respectievelijk de omstandigheden van de optische vezel binnen het brandpunt, binnen het brandpunt en buiten het brandpunt. Door de te testen lens heen en weer te bewegen, kunt u de positie van de vezelkop in het brandpunt bepalen. Op dit moment is de bundel zelfgecollimeerd en na reflectie door de vlakke spiegel keert de meeste energie terug naar de positie van de vezelkop. De methode is in principe eenvoudig en gemakkelijk te implementeren.
3. Conclusie
Brandpuntsafstand is een belangrijke parameter van een optisch systeem. In dit artikel gaan we dieper in op het concept van brandpuntsafstand van een optisch systeem en de bijbehorende testmethoden. In combinatie met het schema leggen we de definitie van brandpuntsafstand uit, inclusief de concepten beeld-, object- en voor-achterbrandpuntsafstand. In de praktijk bestaan er veel methoden om de brandpuntsafstand van een optisch systeem te testen. Dit artikel introduceert de testprincipes van de collimatormethode, de Gaussische methode, de brandpuntsafstandmeetmethode, de Abbe-brandpuntsafstandmeetmethode, de Moiré-afbuigingsmethode en de autocollimatiemethode met optische vezels. Ik ben ervan overtuigd dat u door het lezen van dit artikel een beter begrip krijgt van de brandpuntsafstandparameters in optische systemen.
Plaatsingstijd: 9 augustus 2024
