Вызначэнне фокуснай адлегласці аптычных сістэм і метады выпрабаванняў

1. Фокусная адлегласць аптычных сістэм

Фокусная адлегласць — вельмі важны паказчык аптычнай сістэмы. Паняцце фокуснай адлегласці мы больш-менш разумеем, і яно разгледзім тут.
Фокусная адлегласць аптычнай сістэмы, якая вызначаецца як адлегласць ад аптычнага цэнтра аптычнай сістэмы да фокусу прамяня пры паралельным падзенні святла, з'яўляецца мерай канцэнтрацыі або разыходжання святла ў аптычнай сістэме. Для ілюстрацыі гэтай канцэпцыі мы выкарыстоўваем наступную дыяграму.

На прыведзеным вышэй малюнку паралельны прамень, які падае з левага канца, пасля праходжання праз аптычную сістэму сыходзіцца да фокусу выявы F', зваротная лінія выцяжэння збежнага прамяня перасякаецца з адпаведнай лініяй выцяжэння падаючага паралельнага прамяня ў кропцы, а паверхня, якая праходзіць праз гэтую кропку і перпендыкулярная аптычнай восі, называецца задняй галоўнай плоскасцю, задняя галоўная плоскасць перасякаецца з аптычнай воссю ў кропцы P2, якая называецца галоўнай кропкай (або аптычным цэнтрам), адлегласць паміж галоўнай кропкай і фокусам выявы, гэта тое, што мы звычайна называем фокуснай адлегласцю, поўная назва - эфектыўная фокусная адлегласць выявы.
З малюнка таксама відаць, што адлегласць ад апошняй паверхні аптычнай сістэмы да факальнай кропкі F' выявы называецца задняй фокуснай адлегласцю (ЗФД). Адпаведна, калі паралельны прамень падае з правага боку, існуюць таксама паняцці эфектыўнай фокуснай адлегласці і пярэдняй фокуснай адлегласці (ПФД).

2. Метады тэставання фокуснай адлегласці

На практыцы існуе мноства метадаў праверкі фокуснай адлегласці аптычных сістэм. Зыходзячы з розных прынцыпаў, метады праверкі фокуснай адлегласці можна падзяліць на тры катэгорыі. Першая катэгорыя заснавана на становішчы плоскасці выявы, другая катэгорыя выкарыстоўвае сувязь паміж павелічэннем і фокуснай адлегласцю для атрымання значэння фокуснай адлегласці, а трэцяя катэгорыя выкарыстоўвае крывізну хвалевага фронту збежнага светлавога прамяня для атрымання значэння фокуснай адлегласці.
У гэтым раздзеле мы прадставім найбольш распаўсюджаныя метады праверкі фокуснай адлегласці аптычных сістэм:

2.1Cметад аліматара

Прынцып выкарыстання каліматара для праверкі фокуснай адлегласці аптычнай сістэмы паказаны на дыяграме ніжэй:

На малюнку тэставы шаблон размешчаны ў фокусе каліматара. Вышыня y тэставага шаблону і фокусная адлегласць f_c' каліматара вядомыя. Пасля таго, як паралельны прамень, які выпраменьвае каліматар, збліжаецца з праверанай аптычнай сістэмай і візуалізуецца на плоскасці выявы, фокусная адлегласць аптычнай сістэмы можа быць вылічана на аснове вышыні y' тэставага шаблону на плоскасці выявы. Фокусная адлегласць праверанай аптычнай сістэмы можа быць вылічана па наступнай формуле:

2.2 ГаўсаваMметад
Схематычнае прывядзенне метаду Гаўса для праверкі фокуснай адлегласці аптычнай сістэмы паказана ніжэй:

На малюнку пярэдняя і задняя галоўныя плоскасці аптычнай сістэмы, якая тэстуецца, пазначаны адпаведна як P і P', а адлегласць паміж двума галоўнымі плоскасцямі — d._PУ гэтым метадзе значэнне d_Pлічыцца вядомым, або яго значэнне малое і ім можна занядбаць. Аб'ект і прыёмны экран размяшчаюцца злева і справа, а адлегласць паміж імі запісваецца як L, дзе L павінна быць больш чым у 4 разы большай за фокусную адлегласць сістэмы, якая тэстуецца. Сістэму, якая тэстуецца, можна размясціць у двух пазіцыях, якія пазначаюцца адпаведна як пазіцыя 1 і пазіцыя 2. Аб'ект злева можна выразна адлюстраваць на прыёмным экране. Адлегласць паміж гэтымі двума месцамі (пазначаецца як D) можна вымераць. Згодна са спалучанай суадносінай, можна атрымаць:

У гэтых двух пазіцыях адлегласці да аб'ектаў запісваюцца як s1 і s2 адпаведна, тады s2 - s1 = D. Выводзячы формулу, мы можам атрымаць фокусную адлегласць аптычнай сістэмы, як паказана ніжэй:

2.3Лэнзаметр
Лензаметр вельмі падыходзіць для тэставання аптычных сістэм з вялікай фокуснай адлегласцю. Яго схематычны малюнак наступны:

Па-першае, тэставаная лінза не знаходзіцца на аптычным шляху. Назіраная мішэнь злева праходзіць праз каліматарную лінзу і становіцца паралельным святлом. Паралельнае святло збліжаецца збіральнай лінзай з фокуснай адлегласцю f.₂і фармуе выразны малюнак на эталоннай плоскасці выявы. Пасля каліброўкі аптычнага шляху тэставаная лінза размяшчаецца на аптычным шляху, і адлегласць паміж тэставанай лінзай і збіральнай лінзай складае f₂У выніку, з-за дзеяння тэставанай лінзы, прамень святла будзе перафакусаваны, што прывядзе да зрушэння становішча плоскасці выявы, у выніку чаго на дыяграме атрымаецца выразная выява ў становішчы новай плоскасці выявы. Адлегласць паміж новай плоскасцю выявы і збіральнай лінзай пазначаецца як x. Зыходзячы з суадносін аб'ект-выява, фокусная адлегласць тэставанай лінзы можа быць вылічана наступным чынам:

На практыцы лінзаметр шырока выкарыстоўваецца для вымярэння верхняй фокуснай адлегласці акулярных лінзаў і мае такія перавагі, як прастата эксплуатацыі і надзейная дакладнасць.

2.4 АбэRэфрактометр

Рэфрактометр Абэ — гэта яшчэ адзін метад праверкі фокуснай адлегласці аптычных сістэм. Яго схематычны малюнак выглядае наступным чынам:

Размясціце дзве лінейкі рознай вышыні на баку паверхні аб'екта тэставанай лінзы, а менавіта шкалу 1 і шкалу 2. Адпаведная вышыня шкал складае y1 і y2. Адлегласць паміж дзвюма шкаламі роўная e, а вугал паміж верхняй лініяй лінейкі і аптычнай воссю роўны u. Шкала адлюстроўваецца тэставанай лінзай з фокуснай адлегласцю f. Мікраскоп усталёўваецца на канцы паверхні выявы. Змяняючы становішча мікраскопа, атрымліваюць верхнія выявы дзвюх шкал. У гэты час адлегласць паміж мікраскопам і аптычнай воссю пазначаецца як y. Згодна з суадносінамі аб'ект-выява, мы можам атрымаць фокусную адлегласць як:

2.5 Дэфлектаметрыя муараМетад
Метад муаравай дэфлектаметрыі выкарыстоўвае два наборы лінейак Ронкі ў паралельных светлавых пучках. Лінейка Ронкі — гэта сеткападобны ўзор з металічнай хромавай плёнкі, нанесенай на шкляную падкладку, які звычайна выкарыстоўваецца для праверкі прадукцыйнасці аптычных сістэм. Метад выкарыстоўвае змяненне муаравых палос, утвораных дзвюма рашоткамі, для праверкі фокуснай адлегласці аптычнай сістэмы. Схематычная дыяграма прынцыпу выглядае наступным чынам:

На малюнку вышэй назіраны аб'ект, пасля праходжання праз каліматар, становіцца паралельным праменем. На аптычным шляху, без папярэдняга дадання тэставанай лінзы, паралельны прамень праходзіць праз дзве рашоткі з вуглом зрушэння θ і міжрашоткай d, утвараючы набор муаравых палос на плоскасці выявы. Затым тэставаная лінза змяшчаецца на аптычным шляху. Першапачатковае каліміраванае святло, пасля праламлення лінзай, стварае пэўную фокусную адлегласць. Радыус крывізны светлавога прамяня можна атрымаць па наступнай формуле:

Звычайна тэставаная лінза размяшчаецца вельмі блізка да першай рашоткі, таму значэнне R у прыведзенай вышэй формуле адпавядае фокуснай адлегласці лінзы. Перавага гэтага метаду заключаецца ў тым, што ён можа праверыць фокусную адлегласць як дадатных, так і адмоўных сістэм фокуснай адлегласці.

2.6 АптычныFіберAаўтакалімацыяMметад
Прынцып выкарыстання метаду аўтакалімацыі аптычнага валакна для праверкі фокуснай адлегласці лінзы паказаны на малюнку ніжэй. Ён выкарыстоўвае валаконную оптыку для выпраменьвання разыходнага прамяня, які праходзіць праз правераную лінзу, а затым на плоскае люстэрка. Тры аптычныя шляхі на малюнку адлюстроўваюць стан аптычнага валакна ў фокусе, у фокусе і па-за фокусам адпаведна. Перамяшчаючы становішча праверанай лінзы туды-сюды, можна знайсці становішча галоўкі валакна ў фокусе. У гэты час прамень самакалімуецца, і пасля адлюстравання плоскім люстэркам большая частка энергіі вяртаецца ў становішча галоўкі валакна. Метад просты ў прынцыпе і лёгкі ў рэалізацыі.

3. Заключэнне

Фокусная адлегласць — важны параметр аптычнай сістэмы. У гэтым артыкуле мы падрабязна разгледзім канцэпцыю фокуснай адлегласці аптычнай сістэмы і метады яе тэставання. З дапамогай схематычнай дыяграмы мы тлумачым вызначэнне фокуснай адлегласці, у тым ліку паняцці фокуснай адлегласці з боку выявы, фокуснай адлегласці з боку аб'екта і фокуснай адлегласці спераду-ззаду. На практыцы існуе мноства метадаў тэставання фокуснай адлегласці аптычнай сістэмы. У гэтым артыкуле прадстаўлены прынцыпы тэставання каліматарнага метаду, метаду Гаўса, метаду вымярэння фокуснай адлегласці, метаду вымярэння фокуснай адлегласці Абэ, метаду адхілення муара і метаду аўтакалімацыі аптычнага валакна. Я лічу, што, прачытаўшы гэты артыкул, вы лепш зразумееце параметры фокуснай адлегласці ў аптычных сістэмах.