1. Distancia focal dos sistemas ópticos
A distancia focal é un indicador moi importante do sistema óptico. Para o concepto de distancia focal, máis ou menos temos unha comprensión que revisamos aquí.
A distancia focal dun sistema óptico, definida como a distancia desde o centro óptico do sistema óptico ata o foco do feixe cando incide luz paralela, é unha medida da concentración ou diverxencia da luz nun sistema óptico. Usamos o seguinte diagrama para ilustrar este concepto.
Na figura anterior, o feixe paralelo incidente desde o extremo esquerdo, despois de pasar polo sistema óptico, converxe ao foco da imaxe F', a liña de extensión inversa do raio converxente intersecta coa liña de extensión correspondente do raio paralelo incidente nun punto, e a superficie que pasa por este punto e é perpendicular ao eixe óptico chámase plano principal posterior, o plano principal posterior intersecta co eixe óptico no punto P2, que se chama punto principal (ou punto central óptico), a distancia entre o punto principal e o foco da imaxe, é o que normalmente chamamos distancia focal, o nome completo é a distancia focal efectiva da imaxe.
Tamén se pode ver na figura que a distancia desde a última superficie do sistema óptico ata o punto focal F' da imaxe chámase distancia focal traseira (BFL). En consecuencia, se o feixe paralelo incide desde o lado dereito, tamén existen conceptos de distancia focal efectiva e distancia focal frontal (FFL).
2. Métodos de proba de distancia focal
Na práctica, existen moitos métodos que se poden empregar para probar a distancia focal dos sistemas ópticos. Baseándose en diferentes principios, os métodos de proba da distancia focal pódense dividir en tres categorías. A primeira categoría baséase na posición do plano da imaxe, a segunda categoría usa a relación entre o aumento e a distancia focal para obter o valor da distancia focal e a terceira categoría usa a curvatura da fronte de onda do feixe de luz converxente para obter o valor da distancia focal.
Nesta sección, presentaremos os métodos máis empregados para comprobar a distancia focal dos sistemas ópticos:
2.1CMétodo do ollimador
O principio de uso dun colimador para comprobar a distancia focal dun sistema óptico móstrase no diagrama seguinte:
Na figura, o patrón de proba está situado no foco do colimador. A altura y do patrón de proba e a distancia focal fc' do colimador son coñecidos. Despois de que o feixe paralelo emitido polo colimador sexa converxido polo sistema óptico probado e fotografado no plano da imaxe, a distancia focal do sistema óptico pódese calcular en función da altura y' do patrón de proba no plano da imaxe. A distancia focal do sistema óptico probado pódese usar a seguinte fórmula:
2.2 GaussianaMmétodo
A figura esquemática do método gaussiano para a proba da distancia focal dun sistema óptico móstrase a continuación:
Na figura, os planos principais dianteiro e traseiro do sistema óptico en proba represéntanse como P e P' respectivamente, e a distancia entre os dous planos principais é dPNeste método, o valor de dPconsidérase coñecido ou o seu valor é pequeno e pódese ignorar. Un obxecto e unha pantalla receptora colócanse nos extremos esquerdo e dereito, e a distancia entre eles rexístrase como L, onde L debe ser maior que 4 veces a distancia focal do sistema en proba. O sistema en proba pódese colocar en dúas posicións, denotadas como posición 1 e posición 2 respectivamente. O obxecto da esquerda pódese visualizar claramente na pantalla receptora. Pódese medir a distancia entre estas dúas localizacións (denotada como D). Segundo a relación conxugada, podemos obter:
Nestas dúas posicións, as distancias dos obxectos rexístranse como s1 e s2 respectivamente, polo que s2 - s1 = D. Mediante a derivación da fórmula, podemos obter a distancia focal do sistema óptico do seguinte xeito:
2.3Lensómetro
O lensómetro é moi axeitado para probar sistemas ópticos de longa distancia focal. A súa figura esquemática é a seguinte:
En primeiro lugar, a lente baixo proba non se coloca na traxectoria óptica. O obxectivo observado á esquerda atravesa a lente colimadora e convértese en luz paralela. A luz paralela converxe mediante unha lente converxente cunha distancia focal de f2e forma unha imaxe clara no plano da imaxe de referencia. Despois de calibrar a traxectoria óptica, a lente baixo proba colócase na traxectoria óptica e a distancia entre a lente baixo proba e a lente converxente é f2Como resultado, debido á acción da lente en cuestión, o feixe de luz reenfocarase, o que provocará un cambio na posición do plano da imaxe, o que resultará nunha imaxe nítida na posición do novo plano da imaxe no diagrama. A distancia entre o novo plano da imaxe e a lente converxente denótase como x. En función da relación obxecto-imaxe, a distancia focal da lente en cuestión pódese deducir como:
Na práctica, o lensómetro utilízase amplamente na medición focal superior das lentes de lentes e ten as vantaxes dun funcionamento sinxelo e unha precisión fiable.
2.4 AbadRefractómetro
O refractómetro de Abbe é outro método para comprobar a distancia focal dos sistemas ópticos. A súa figura esquemática é a seguinte:
Coloque dúas regras con diferentes alturas no lado da superficie do obxecto da lente a probar, concretamente a placa de escala 1 e a placa de escala 2. As alturas das placas de escala correspondentes son y1 e y2. A distancia entre as dúas placas de escala é e, e o ángulo entre a liña superior da regra e o eixe óptico é u. A placa de escala é fotografada pola lente probada cunha distancia focal de f. Instálese un microscopio no extremo da superficie da imaxe. Ao mover a posición do microscopio, atópanse as imaxes superiores das dúas placas de escala. Neste momento, a distancia entre o microscopio e o eixe óptico denótase como y. Segundo a relación obxecto-imaxe, podemos obter a distancia focal como:
2.5 Deflexometría MoiréMétodo
O método de deflectometría Moiré emprega dous conxuntos de franxas de Ronchi en feixes de luz paralelos. A franxa de Ronchi é un patrón en forma de grella de película de cromo metálico depositada sobre un substrato de vidro, que se usa habitualmente para probar o rendemento dos sistemas ópticos. O método utiliza o cambio nas franxas de Moiré formadas polas dúas redes para probar a distancia focal do sistema óptico. O diagrama esquemático do principio é o seguinte:
Na figura anterior, o obxecto observado, despois de pasar polo colimador, convértese nun feixe paralelo. Na traxectoria óptica, sen engadir primeiro a lente probada, o feixe paralelo pasa a través de dúas redes cun ángulo de desprazamento de θ e unha separación entre redes de d, formando un conxunto de franxas Moiré no plano da imaxe. Despois, a lente probada colócase na traxectoria óptica. A luz colimada orixinal, despois da refracción pola lente, producirá unha determinada distancia focal. O raio de curvatura do feixe de luz pódese obter coa seguinte fórmula:
Normalmente, a lente baixo proba colócase moi preto da primeira reixa, polo que o valor de R na fórmula anterior corresponde á distancia focal da lente. A vantaxe deste método é que pode probar a distancia focal de sistemas de distancia focal positiva e negativa.
2.6 ÓpticoFíberAutocolimaciónMmétodo
O principio de empregar o método de autocolimación de fibra óptica para probar a distancia focal da lente móstrase na figura seguinte. Emprega fibra óptica para emitir un feixe diverxente que pasa a través da lente que se está a probar e logo cara a un espello plano. As tres traxectorias ópticas da figura representan as condicións da fibra óptica dentro do foco, dentro do foco e fóra do foco, respectivamente. Movendo a posición da lente que se está a probar cara adiante e cara atrás, pódese atopar a posición da cabeza da fibra no foco. Neste momento, o feixe está autocolimado e, despois da reflexión no espello plano, a maior parte da enerxía volverá á posición da cabeza da fibra. O método é sinxelo en principio e doado de implementar.
3. Conclusión
A distancia focal é un parámetro importante dun sistema óptico. Neste artigo, detallamos o concepto de distancia focal do sistema óptico e os seus métodos de proba. Combinado co diagrama esquemático, explicamos a definición de distancia focal, incluíndo os conceptos de distancia focal do lado da imaxe, distancia focal do lado do obxecto e distancia focal de fronte a atrás. Na práctica, existen moitos métodos para probar a distancia focal dun sistema óptico. Este artigo presenta os principios de proba do método do colimador, o método gaussiano, o método de medición da distancia focal, o método de medición da distancia focal de Abbe, o método de deflexión Moiré e o método de autocolimación da fibra óptica. Creo que, ao ler este artigo, comprenderás mellor os parámetros da distancia focal nos sistemas ópticos.
Data de publicación: 09-08-2024
