1. Distância focal de sistemas ópticos
A distância focal é um indicador muito importante do sistema óptico. Temos mais ou menos uma compreensão do conceito de distância focal, que revisaremos 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 incide paralelamente, é uma medida da concentração ou divergência da luz em um sistema óptico. Utilizamos 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 intercepta 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 intercepta 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 normalmente chamamos de distância focal, o nome completo é distância focal efetiva da imagem.
Também se pode observar na figura que a distância da última superfície do sistema óptico ao ponto focal F' da imagem é chamada de distância focal traseira (DFT). Da mesma forma, se o feixe paralelo incide do lado direito, também existem os conceitos de distância focal efetiva e distância focal frontal (DFT).
2. Métodos de teste de distância focal
Na prática, existem diversos métodos que podem ser utilizados para testar a distância focal de sistemas ópticos. Com base em diferentes princípios, os métodos de teste de distância focal podem ser divididos em três categorias. A primeira categoria baseia-se na posição do plano da imagem; a segunda categoria utiliza a relação entre ampliação e distância focal para obter o valor da distância focal; e a terceira categoria utiliza 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 do olimador
O princípio de usar 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. Após o feixe paralelo emitido pelo colimador ser convergido pelo sistema óptico testado e imageado no plano de imagem, a distância focal do sistema óptico pode ser calculada com base na altura y' do padrão de teste no plano de imagem. A distância focal do sistema óptico testado pode ser calculada pela 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 traseiro 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, denotadas como posição 1 e posição 2, respectivamente. O objeto à esquerda pode ser claramente visualizado na tela receptora. A distância entre esses dois locais (denotada como D) pode ser medida. De acordo com a relação conjugada, podemos obter:
Nessas duas posições, as distâncias dos objetos são registradas como s1 e s2 respectivamente, então s2 - s1 = D. Por meio da derivação da fórmula, podemos obter a distância focal do sistema óptico conforme abaixo:
2.3euensômetro
O Lensômetro é muito adequado para testar sistemas ópticos de longa distância focal. Sua figura esquemática é a seguinte:
Primeiro, a lente em teste não está posicionada no caminho óptico. O alvo observado à esquerda passa pela lente de colimação e se transforma em luz paralela. A luz paralela é convergida por uma lente convergente com 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 f2Como resultado, devido à ação da lente em teste, o feixe de luz será refocalizado, 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 da imagem e a lente convergente é denotada por 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 de Abbe é outro método para testar a distância focal de sistemas ópticos. Sua figura esquemática é a seguinte:
Coloque duas réguas com alturas diferentes na superfície do objeto da lente a ser testada, a saber, a escala 1 e a escala 2. As alturas das escalas 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. A escala é obtida pela lente testada com distância focal f. Um microscópio é instalado na extremidade da superfície da imagem. Movendo a posição do microscópio, as imagens superiores das duas escalas são encontradas. Neste momento, a distância entre o microscópio e o eixo óptico é denotada por y. De acordo com a relação objeto-imagem, podemos obter a distância focal como:
Deflectometria de 2,5 moiréMétodo
O método de deflectometria de Moiré utiliza dois conjuntos de grades de Ronchi em feixes de luz paralelos. A grade de Ronchi é um padrão em forma de grade de filme de metal-cromo depositado sobre um substrato de vidro, comumente usado para testar o desempenho de sistemas ópticos. O método utiliza a variação nas franjas de 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 a adição prévia da lente testada, o feixe paralelo passa por duas grades com ângulo de deslocamento θ e espaçamento entre grades d, formando um conjunto de franjas de 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 determinada distância focal. O raio de curvatura do feixe de luz pode ser obtido pela 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 desse método é que ele pode testar a distância focal de sistemas com distância focal positiva e negativa.
2.6 ÓpticoFiberAautocolimaçãoMmétodo
O princípio do uso do 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 em teste e, em seguida, para 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 a 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 de um 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 de distância focal, método de medição de distância focal de Abbe, método de deflexão de 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 publicação: 09/08/2024
