1. Lunghezza focale dei sistemi ottici
La lunghezza focale è un indicatore molto importante del sistema ottico. Abbiamo più o meno compreso il concetto di lunghezza focale e lo rivediamo qui.
La lunghezza focale di un sistema ottico, definita come la distanza dal centro ottico del sistema al fuoco del fascio di luce incidente parallelamente, è una misura della concentrazione o divergenza della luce in un sistema ottico. Utilizziamo il seguente diagramma per illustrare questo concetto.
Nella figura sopra, il raggio parallelo incidente dall'estremità sinistra, dopo aver attraversato il sistema ottico, converge verso il fuoco dell'immagine F', la linea di estensione inversa del raggio convergente interseca la corrispondente linea di estensione del raggio parallelo incidente in un punto e la superficie che passa per questo punto ed è perpendicolare all'asse ottico è chiamata piano principale posteriore, il piano principale posteriore interseca l'asse ottico nel punto P2, che è chiamato punto principale (o punto centrale ottico), la distanza tra il punto principale e il fuoco dell'immagine è quella che solitamente chiamiamo lunghezza focale, il nome completo è lunghezza focale effettiva dell'immagine.
Dalla figura si può anche osservare che la distanza tra l'ultima superficie del sistema ottico e il punto focale F' dell'immagine è chiamata lunghezza focale posteriore (BFL). Di conseguenza, se il fascio parallelo incide dal lato destro, esistono anche i concetti di lunghezza focale effettiva e lunghezza focale anteriore (FFL).
2. Metodi di test della lunghezza focale
In pratica, esistono molti metodi per testare la lunghezza focale dei sistemi ottici. In base a diversi principi, i metodi di test della lunghezza focale possono essere suddivisi in tre categorie. La prima categoria si basa sulla posizione del piano immagine, la seconda categoria utilizza la relazione tra ingrandimento e lunghezza focale per ottenere il valore della lunghezza focale, e la terza categoria utilizza la curvatura del fronte d'onda del fascio luminoso convergente per ottenere il valore della lunghezza focale.
In questa sezione, introdurremo i metodi comunemente utilizzati per testare la lunghezza focale dei sistemi ottici:
2.1CMetodo ollimatore
Il principio di utilizzo di un collimatore per testare la lunghezza focale di un sistema ottico è illustrato nel diagramma seguente:
Nella figura, il pattern di prova è posizionato al fuoco del collimatore. L'altezza y del pattern di prova e la lunghezza focale fc' del collimatore sono noti. Dopo che il fascio parallelo emesso dal collimatore è convogliato dal sistema ottico testato e ripreso sul piano immagine, la lunghezza focale del sistema ottico può essere calcolata in base all'altezza y' del pattern di prova sul piano immagine. La lunghezza focale del sistema ottico testato può essere calcolata utilizzando la seguente formula:
2.2 GaussianoMmetodo
Di seguito è riportato lo schema del metodo gaussiano per testare la lunghezza focale di un sistema ottico:
Nella figura, i piani principali anteriore e posteriore del sistema ottico in prova sono rappresentati rispettivamente come P e P', e la distanza tra i due piani principali è dPIn questo metodo, il valore di dPè considerato noto, oppure il suo valore è piccolo e può essere ignorato. Un oggetto e uno schermo ricevente vengono posizionati alle estremità sinistra e destra e la distanza tra essi viene registrata come L, dove L deve essere maggiore di 4 volte la lunghezza focale del sistema in prova. Il sistema in prova può essere posizionato in due posizioni, indicate rispettivamente come posizione 1 e posizione 2. L'oggetto a sinistra può essere visualizzato chiaramente sullo schermo ricevente. La distanza tra queste due posizioni (indicata come D) può essere misurata. In base alla relazione coniugata, possiamo ottenere:
In queste due posizioni, le distanze degli oggetti vengono registrate rispettivamente come s1 e s2, quindi s2 - s1 = D. Derivando la formula, possiamo ottenere la lunghezza focale del sistema ottico come di seguito:
2.3Lensometer
Il Lensometer è particolarmente adatto per testare sistemi ottici a lunga focale. Il suo schema è il seguente:
Innanzitutto, la lente in esame non è posizionata nel percorso ottico. Il bersaglio osservato a sinistra passa attraverso la lente collimatrice e diventa luce parallela. La luce parallela viene fatta convergere da una lente convergente con una lunghezza focale di f2e forma un'immagine nitida sul piano dell'immagine di riferimento. Dopo la calibrazione del percorso ottico, la lente in prova viene posizionata nel percorso ottico e la distanza tra la lente in prova e la lente convergente è f2Di conseguenza, a causa dell'azione della lente in esame, il fascio luminoso verrà rifocalizzato, causando uno spostamento nella posizione del piano immagine, con conseguente creazione di un'immagine nitida nella posizione del nuovo piano immagine nel diagramma. La distanza tra il nuovo piano immagine e la lente convergente è indicata con x. In base alla relazione oggetto-immagine, la lunghezza focale della lente in esame può essere dedotta come:
Nella pratica, il frontifocometro è stato ampiamente utilizzato nella misurazione della focale superiore delle lenti per occhiali e presenta i vantaggi di un funzionamento semplice e di una precisione affidabile.
2.4 AbateRefrattometro
Il rifrattometro di Abbe è un altro metodo per testare la lunghezza focale dei sistemi ottici. Il suo schema è il seguente:
Posizionare due righelli con altezze diverse sul lato della superficie dell'oggetto della lente in esame, ovvero la piastra graduata 1 e la piastra graduata 2. Le altezze delle piastre graduate corrispondenti sono y1 e y2. La distanza tra le due piastre graduate è e, e l'angolo tra la linea superiore del righello e l'asse ottico è u. La piastra graduata viene acquisita dalla lente in esame con una lunghezza focale di f. Un microscopio è installato all'estremità della superficie dell'immagine. Spostando la posizione del microscopio, si trovano le immagini superiori delle due piastre graduate. A questo punto, la distanza tra il microscopio e l'asse ottico è indicata con y. In base alla relazione oggetto-immagine, possiamo ottenere la lunghezza focale come:
2.5 Deflessometria MoireMetodo
Il metodo di deflettometria Moiré utilizza due serie di reticoli di Ronchi in fasci di luce paralleli. Il reticolo di Ronchi è un reticolo a griglia di film di cromo metallico depositato su un substrato di vetro, comunemente utilizzato per testare le prestazioni dei sistemi ottici. Il metodo sfrutta la variazione delle frange Moiré formate dai due reticoli per testare la lunghezza focale del sistema ottico. Lo schema del principio è il seguente:
Nella figura sopra, l'oggetto osservato, dopo aver attraversato il collimatore, si trasforma in un fascio parallelo. Nel percorso ottico, senza aggiungere prima la lente in esame, il fascio parallelo attraversa due reticoli con un angolo di spostamento di θ e una spaziatura di d, formando un insieme di frange Moiré sul piano immagine. Quindi, la lente in esame viene posizionata nel percorso ottico. La luce collimata originale, dopo la rifrazione da parte della lente, produrrà una certa lunghezza focale. Il raggio di curvatura del fascio luminoso può essere ricavato dalla seguente formula:
Solitamente la lente in esame viene posizionata molto vicino al primo reticolo, quindi il valore R nella formula precedente corrisponde alla lunghezza focale della lente. Il vantaggio di questo metodo è che può testare la lunghezza focale di sistemi a focale positiva e negativa.
2.6 OtticoFiberAutocollimazioneMmetodo
Il principio di utilizzo del metodo di autocollimazione della fibra ottica per testare la lunghezza focale della lente è illustrato nella figura seguente. Il metodo utilizza la fibra ottica per emettere un fascio divergente che attraversa la lente in prova e poi si dirige verso uno specchio piano. I tre percorsi ottici in figura rappresentano le condizioni della fibra ottica rispettivamente all'interno del fuoco, all'interno del fuoco e all'esterno del fuoco. Spostando avanti e indietro la posizione della lente in prova, è possibile individuare la posizione della testa della fibra nel fuoco. A questo punto, il fascio è auto-collimato e, dopo la riflessione da parte dello specchio piano, la maggior parte dell'energia tornerà alla posizione della testa della fibra. Il metodo è semplice nel principio e facile da implementare.
3.Conclusion
La lunghezza focale è un parametro importante di un sistema ottico. In questo articolo, approfondiamo il concetto di lunghezza focale di un sistema ottico e i relativi metodi di verifica. Insieme allo schema elettrico, spieghiamo la definizione di lunghezza focale, inclusi i concetti di lunghezza focale lato immagine, lunghezza focale lato oggetto e lunghezza focale antero-posteriore. In pratica, esistono molti metodi per verificare la lunghezza focale di un sistema ottico. Questo articolo introduce i principi di verifica del metodo del collimatore, del metodo gaussiano, del metodo di misurazione della lunghezza focale, del metodo di misurazione della lunghezza focale di Abbe, del metodo di deflessione Moiré e del metodo di autocollimazione in fibra ottica. Credo che la lettura di questo articolo vi consentirà di comprendere meglio i parametri della lunghezza focale nei sistemi ottici.
Data di pubblicazione: 09-08-2024
