1.Distância focal de sistemas ópticos
A distância focal é um indicador muito importante do sistema óptico, para o conceito de distância focal, temos mais ou menos uma compreensão, revisamos aqui.
A distância focal de um sistema óptico, definida como a distância do centro óptico do sistema óptico ao foco do feixe quando a luz incidente paralela, é uma medida da concentração ou divergência de luz em um sistema óptico. Usamos o diagrama a seguir para ilustrar esse conceito.
Na figura acima, o feixe paralelo incidente da extremidade esquerda, após passar pelo sistema óptico, converge para o foco da imagem F', a linha de extensão reversa do raio convergente cruza com a linha de extensão correspondente do raio paralelo incidente em um ponto, e a superfície que passa por este ponto e é perpendicular ao eixo óptico é chamada de plano principal posterior, o plano principal posterior cruza com o eixo óptico no ponto P2, que é chamado de ponto principal (ou ponto central óptico), a distância entre o ponto principal e o foco da imagem, é o que costumamos chamar de distância focal, o nome completo é a distância focal efetiva da imagem.
Também pode ser visto na figura que a distância da última superfície do sistema óptico ao ponto focal F' da imagem é chamada de distância focal posterior (BFL). Correspondentemente, se o feixe paralelo incide do lado direito, também existem conceitos de distância focal efetiva e distância focal frontal (FFL).
2. Métodos de teste de distância focal
Na prática, existem muitos métodos que podem ser usados para testar a distância focal de sistemas ópticos. Com base em princípios diferentes, os métodos de teste de distância focal podem ser divididos em três categorias. A primeira categoria é baseada na posição do plano da imagem, a segunda categoria usa a relação entre ampliação e distância focal para obter o valor da distância focal, e a terceira categoria usa a curvatura da frente de onda do feixe de luz convergente para obter o valor da distância focal .
Nesta seção, apresentaremos os métodos comumente usados para testar a distância focal de sistemas ópticos:：
2.1CMétodo olimador
O princípio de utilização de um colimador para testar a distância focal de um sistema óptico é mostrado no diagrama abaixo:
Na figura, o padrão de teste é colocado no foco do colimador. A altura y do padrão de teste e a distância focal fc'do colimador são conhecidos. Depois que o feixe paralelo emitido pelo colimador é convergido pelo sistema óptico testado e visualizado no plano da imagem, a distância focal do sistema óptico pode ser calculada com base na altura y' do padrão de teste no plano da imagem. A distância focal do sistema óptico testado pode usar a seguinte fórmula:
2.2 GaussianoMmétodo
A figura esquemática do método gaussiano para testar a distância focal de um sistema óptico é mostrada abaixo:
Na figura, os planos principais frontal e posterior do sistema óptico em teste são representados como P e P' respectivamente, e a distância entre os dois planos principais é dP. Neste método, o valor de dPé considerado conhecido ou seu valor é pequeno e pode ser ignorado. Um objeto e uma tela receptora são colocados nas extremidades esquerda e direita, e a distância entre eles é registrada como L, onde L precisa ser maior que 4 vezes a distância focal do sistema em teste. O sistema em teste pode ser colocado em duas posições, designadas como posição 1 e posição 2, respectivamente. O objeto à esquerda pode ser claramente visualizado na tela de recepção. A distância entre esses dois locais (denotados como D) pode ser medida. Pela relação conjugada, podemos obter:
Nessas duas posições, as distâncias dos objetos são registradas como s1 e s2 respectivamente, então s2 - s1 = D. Através da derivação da fórmula, podemos obter a distância focal do sistema óptico conforme abaixo:
2.3euensômetro
O Lensometer é muito adequado para testar sistemas ópticos de longa distância focal. Sua figura esquemática é a seguinte:
Primeiro, a lente em teste não está colocada no caminho óptico. O alvo observado à esquerda passa pela lente colimadora e torna-se luz paralela. A luz paralela é convergida por uma lente convergente com uma distância focal de f2e forma uma imagem nítida no plano da imagem de referência. Após a calibração do caminho óptico, a lente em teste é colocada no caminho óptico e a distância entre a lente em teste e a lente convergente é f2. Como resultado, devido à ação da lente em teste, o feixe de luz será refocado, causando um deslocamento na posição do plano da imagem, resultando em uma imagem nítida na posição do novo plano da imagem no diagrama. A distância entre o novo plano de imagem e a lente convergente é denotada como x. Com base na relação objeto-imagem, a distância focal da lente em teste pode ser inferida como:
Na prática, o lensômetro tem sido amplamente utilizado na medição focal superior de lentes de óculos e tem as vantagens de operação simples e precisão confiável.
2.4 AbadeRefratômetro
O refratômetro Abbe é outro método para testar a distância focal de sistemas ópticos. Sua figura esquemática é a seguinte:
Coloque duas réguas com alturas diferentes no lado da superfície do objeto da lente em teste, ou seja, placa de escala 1 e placa de escala 2. As alturas das placas de escala correspondentes são y1 e y2. A distância entre as duas escalas é e, e o ângulo entre a linha superior da régua e o eixo óptico é u. O escalonado é fotografado pela lente testada com uma distância focal de f. Um microscópio é instalado na extremidade da superfície da imagem. Ao mover a posição do microscópio, são encontradas as imagens superiores das duas escalas. Neste momento, a distância entre o microscópio e o eixo óptico é denotada como y. De acordo com a relação objeto-imagem, podemos obter a distância focal como:
2.5 Deflectometria MoiréMétodo
O método de deflectometria Moiré utilizará dois conjuntos de decisões de Ronchi em feixes de luz paralelos. A decisão Ronchi é um padrão semelhante a uma grade de filme metálico de cromo depositado em um substrato de vidro, comumente usado para testar o desempenho de sistemas ópticos. O método utiliza a mudança nas franjas Moiré formadas pelas duas grades para testar a distância focal do sistema óptico. O diagrama esquemático do princípio é o seguinte:
Na figura acima, o objeto observado, após passar pelo colimador, torna-se um feixe paralelo. No caminho óptico, sem adicionar primeiro a lente testada, o feixe paralelo passa por duas grades com ângulo de deslocamento θ e espaçamento entre grades d, formando um conjunto de franjas Moiré no plano da imagem. Em seguida, a lente testada é colocada no caminho óptico. A luz colimada original, após a refração pela lente, produzirá uma certa distância focal. O raio de curvatura do feixe de luz pode ser obtido a partir da seguinte fórmula:
Normalmente a lente em teste é colocada muito próxima da primeira grade, de modo que o valor R na fórmula acima corresponde à distância focal da lente. A vantagem deste método é que ele pode testar a distância focal de sistemas de distância focal positiva e negativa.
2.6 ÓpticoFfibraAutocolimaçãoMmétodo
O princípio de usar o método de autocolimação de fibra óptica para testar a distância focal da lente é mostrado na figura abaixo. Ele usa fibra óptica para emitir um feixe divergente que passa pela lente que está sendo testada e depois por um espelho plano. Os três caminhos ópticos na figura representam as condições da fibra óptica dentro do foco, dentro do foco e fora do foco, respectivamente. Movendo a posição da lente em teste para frente e para trás, você pode encontrar a posição da cabeça da fibra no foco. Neste momento, o feixe é autocolimado e, após reflexão pelo espelho plano, a maior parte da energia retornará à posição da cabeça da fibra. O método é simples em princípio e fácil de implementar.
3.Conclusão
A distância focal é um parâmetro importante de um sistema óptico. Neste artigo, detalhamos o conceito de distância focal do sistema óptico e seus métodos de teste. Combinado com o diagrama esquemático, explicamos a definição de distância focal, incluindo os conceitos de distância focal do lado da imagem, distância focal do lado do objeto e distância focal da frente para trás. Na prática, existem muitos métodos para testar a distância focal de um sistema óptico. Este artigo apresenta os princípios de teste do método do colimador, método gaussiano, método de medição da distância focal, método de medição da distância focal Abbe, método de deflexão Moiré e método de autocolimação de fibra óptica. Acredito que ao ler este artigo você terá uma melhor compreensão dos parâmetros de distância focal em sistemas ópticos.
Horário da postagem: 09/08/2024
