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光學系統(tǒng)的焦距、定義與測試方法

日期:2024-09-25 22:03
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摘要: 1 光學系統(tǒng)的焦距 焦距是光學系統(tǒng)的一個非常重要的指標,對于焦距的概念,大家或多或少都有了解,我們這里再回顧一下。 光學系統(tǒng)的焦距,定義為平行光入射時從光學系統(tǒng)的光學中心到光束聚焦點的距離,是衡量光學系統(tǒng)中光的聚集或發(fā)散的度量方式。我們用下面的圖來說明這一概念。 上圖中,從左端入射的平行光束,經(jīng)過光學系統(tǒng)后,會聚到像方焦點F’處,會聚光線的反向延長線與對應的入射平行光線的延長線交于一點,過該點且與光軸垂直的面稱為后主面,后主面與光軸相交于P2點,該點稱為主點(或稱光...

1 光學系統(tǒng)的焦距

焦距是光學系統(tǒng)的一個非常重要的指標,對于焦距的概念,大家或多或少都有了解,我們這里再回顧一下。

光學系統(tǒng)的焦距,定義為平行光入射時從光學系統(tǒng)的光學中心到光束聚焦點的距離,是衡量光學系統(tǒng)中光的聚集或發(fā)散的度量方式。我們用下面的圖來說明這一概念。

上圖中,從左端入射的平行光束,經(jīng)過光學系統(tǒng)后,會聚到像方焦點F’處,會聚光線的反向延長線與對應的入射平行光線的延長線交于一點,過該點且與光軸垂直的面稱為后主面,后主面與光軸相交于P2點,該點稱為主點(或稱光學中心點),主點到像方焦點的距離,就是我們通常所說的焦距,全稱是像方有效焦距。從圖中還可以看到,從光學系統(tǒng)的*后一個表面到像方焦點F’的距離,稱為后焦距(BFL)。相應的,如果平行光束從右端入射,也有對應的物方有效焦距和前焦距(FFL)的概念。

2 焦距的測試方法

實際中,有很多方法可以用來測試光學系統(tǒng)的焦距,基于原理的不同,可以將焦距測試方法分為三類,**類是基于像面位置的測試方法,**類是利用放大倍率與焦距的關(guān)系來獲得焦距數(shù)值,第三類是利用會聚光束的波前曲率來獲得焦距的數(shù)值。

在本節(jié)中,我們介紹用來測試光學系統(tǒng)焦距的常用方法:

2.1 平行光管法

利用平行光管來測試光學系統(tǒng)焦距的原理如下圖所示:

在上圖中,將測試圖案放置到平行光管的焦點為止,測試圖案的高度y和平行光管的焦距f’c是已知的,由平行光管發(fā)出的平行光束經(jīng)被測光學系統(tǒng)會聚后,在像面成像,通過測試像面上圖案的高度y’,就可以利用下面的公式來計算得到被測光學系統(tǒng)的焦距:

2.2 高斯法

高斯法測試光學系統(tǒng)焦距的原理示意圖如下圖所示:

在圖中,被測光學系統(tǒng)的前后兩個主平面分別為P和P’,兩個主面的間隔為dP,該方法中,認為dP的數(shù)值是已知的,或者其數(shù)值很小,可以忽略。將一個物體和一個接收屏放置在左右兩端,兩者的距離為L,其中L需要大于4倍的被測系統(tǒng)的焦距。存在兩個位置,當被測系統(tǒng)分別在這兩個位置時,左側(cè)物體可以在接收屏上清晰成像,此兩個位置分別為位置1和位置2,兩個位置的間隔D可以測試得到。根據(jù)共軛關(guān)系,可得:

 

設(shè)定在兩個位置處的物距分別為s1和s2,則有s2- s1 = D,做公式推導可得出光學系統(tǒng)的焦距為:

 

2.3 焦度計

焦度計非常適合用于測試長焦距光學系統(tǒng),它的原理示意圖如下所示:

首先,光路中不放入被測透鏡,左端的觀測目標經(jīng)過準直物鏡后,變成平行光,平行光束由焦距是f2的會聚鏡會聚,清晰成像在參考像面處。光路校準好后,將被測透鏡放入光路中,被測透鏡與會聚鏡間的距離為f2,這樣一來,由于被測透鏡的作用,光束會發(fā)生重新聚焦,像面位置發(fā)生偏移,會在圖中新像面的位置實現(xiàn)清晰成像,新像面與會聚鏡的間隔為x,根據(jù)物像關(guān)系,可以推理出被測透鏡的焦距為:

實際中,焦度計在眼鏡片的頂焦度測試中得到了廣泛了應用,具有操作簡便,精度可靠的優(yōu)點。

2.4 阿貝焦度計

阿貝焦度計是另外一種可以測試光學系統(tǒng)焦距的方法。其原理圖如下所示:

在被測透鏡的物面端,放置兩個不同高度的標尺,分別為標尺1和標尺2,對應的標尺高度為y1和y2,兩個標尺的間隔為e,標尺頂端連線與光軸夾角為u。標尺被焦距為f的被測透鏡成像,在像面端,安裝一個顯微鏡,通過前后移動顯微鏡的位置,分別找到兩個標尺的頂端像,此時顯微鏡與光軸的距離記為y,根據(jù)物像關(guān)系,有:

利用上式,就可以得到被測透鏡的焦距f了。

 

2.5 莫爾偏折法

莫爾偏折法 會在平行光束中用到兩組郎奇刻線(英文為Ronchi ruling,是在玻璃基底上鍍上柵格形的金屬鉻膜而成的光柵,常用于光學系統(tǒng)性能的測試),利用兩個光柵形成的莫爾條紋的改變量來測試光學系統(tǒng)的焦距,原理圖如下所示:

在上圖中,觀測目標的經(jīng)過準直鏡后,成為平行光束。光路中先不加入被測透鏡,平行光束經(jīng)過有錯位角度為?,柵線間隔為d的兩個光柵后,會在像面上形成一組莫爾條紋。然后,把被測透鏡放入光路中,原來的準直光受到透鏡的折射后,會產(chǎn)生一定的光焦度,光束的曲率半徑可以由以下公式得出:

 

通常被測透鏡的放置位置與**個光柵的距離很近,這樣上式的R值就對應透鏡的焦距值了。該方法的優(yōu)點是,它既可以測試正焦距系統(tǒng)的焦距,也可以測試負焦距系統(tǒng)的焦距。

2.6 光纖自準直法

光纖自準直法測試透鏡焦距的原理如下圖所示,采用一個光纖發(fā)出發(fā)散光束,光束經(jīng)過被測透鏡后,照射到一個平面反射鏡上。圖中的三個光路,分別是光纖在焦點內(nèi)、焦點上和焦點外的情況,前后移動被測透鏡的位置,就可以找到在光纖頭在焦點上的位置,此時光束形成自準直,發(fā)出的光束被平面反射鏡反射后,絕大多數(shù)能量會回到光纖頭位置。該方法的原理簡單,易于實現(xiàn)。

 

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