1. Distancia focal de los sistemas ópticos.
La distancia focal es un indicador muy importante del sistema óptico; el concepto de distancia focal lo conocemos más o menos y lo revisamos aquí.
La distancia focal de un sistema óptico, definida como la distancia desde el centro óptico del sistema óptico hasta el foco del haz cuando incide luz paralela, es una medida de la concentración o divergencia de la luz en un sistema óptico. Usamos el siguiente diagrama para ilustrar este concepto.
En la figura anterior, el haz paralelo incidente desde el extremo izquierdo, después de pasar a través del sistema óptico, converge al foco de la imagen F', la línea de extensión inversa del rayo convergente se cruza con la línea de extensión correspondiente del rayo paralelo incidente en un punto, y la superficie que pasa por este punto y es perpendicular al eje óptico se llama plano principal posterior, el plano principal posterior se cruza con el eje óptico en el punto P2, que se llama punto principal (o punto central óptico), la distancia entre el punto principal y el foco de la imagen, es lo que solemos llamar distancia focal, el nombre completo es la distancia focal efectiva de la imagen.
También se puede ver en la figura que la distancia desde la última superficie del sistema óptico hasta el punto focal F' de la imagen se denomina distancia focal trasera (BFL). De manera correspondiente, si el haz paralelo incide desde el lado derecho, también existen los conceptos de distancia focal efectiva y distancia focal frontal (FFL).
2. Métodos de prueba de distancia focal
En la práctica, existen muchos métodos que pueden utilizarse para probar la distancia focal de los sistemas ópticos. Basados en diferentes principios, los métodos de prueba de distancia focal se pueden dividir en tres categorías. La primera categoría se basa en la posición del plano de la imagen, la segunda categoría utiliza la relación entre aumento y distancia focal para obtener el valor de la distancia focal y la tercera categoría utiliza la curvatura del frente de onda del haz de luz convergente para obtener el valor de la distancia focal. .
En esta sección, presentaremos los métodos comúnmente utilizados para probar la distancia focal de sistemas ópticos::
2.1CMétodo del limador
El principio de utilizar un colimador para probar la distancia focal de un sistema óptico se muestra en el siguiente diagrama:
En la figura, el patrón de prueba está colocado en el foco del colimador. La altura y del patrón de prueba y la distancia focal fc' del colimador son conocidos. Después de que el sistema óptico probado hace converger el haz paralelo emitido por el colimador y se genera una imagen en el plano de la imagen, la longitud focal del sistema óptico se puede calcular basándose en la altura y' del patrón de prueba en el plano de la imagen. La distancia focal del sistema óptico probado puede utilizar la siguiente fórmula:
2.2 gaussianoMmétodo
La figura esquemática del método gaussiano para probar la distancia focal de un sistema óptico se muestra a continuación:
En la figura, los planos principales delantero y trasero del sistema óptico bajo prueba se representan como P y P' respectivamente, y la distancia entre los dos planos principales es dP. En este método, el valor de dPse considera conocido o su valor es pequeño y puede ignorarse. Se colocan un objeto y una pantalla receptora en los extremos izquierdo y derecho, y la distancia entre ellos se registra como L, donde L debe ser mayor que 4 veces la distancia focal del sistema bajo prueba. El sistema bajo prueba se puede colocar en dos posiciones, denominadas posición 1 y posición 2 respectivamente. El objeto de la izquierda se puede visualizar claramente en la pantalla receptora. Se puede medir la distancia entre estas dos ubicaciones (indicadas como D). Según la relación conjugada, podemos obtener:
En estas dos posiciones, las distancias del objeto se registran como s1 y s2 respectivamente, luego s2 - s1 = D. Mediante la derivación de fórmulas, podemos obtener la distancia focal del sistema óptico como se muestra a continuación:
2.3lensómetro
El lensómetro es muy adecuado para probar sistemas ópticos de longitud focal larga. Su figura esquemática es la siguiente:
Primero, la lente bajo prueba no se coloca en el camino óptico. El objetivo observado a la izquierda pasa a través de la lente colimadora y se convierte en luz paralela. La luz paralela converge mediante una lente convergente con una distancia focal de f2y forma una imagen clara en el plano de la imagen de referencia. Después de calibrar la ruta óptica, la lente bajo prueba se coloca en la ruta óptica y la distancia entre la lente bajo prueba y la lente convergente es f2. Como resultado, debido a la acción de la lente bajo prueba, el haz de luz se reenfocará, provocando un cambio en la posición del plano de la imagen, lo que dará como resultado una imagen clara en la posición del nuevo plano de la imagen en el diagrama. La distancia entre el nuevo plano de la imagen y la lente convergente se denota como x. Con base en la relación objeto-imagen, la distancia focal de la lente bajo prueba se puede inferir como:
En la práctica, el lensómetro se ha utilizado ampliamente en la medición focal superior de lentes para gafas y tiene las ventajas de un funcionamiento sencillo y una precisión fiable.
2.4 AbbeRefractómetro
El refractómetro de Abbe es otro método para probar la distancia focal de sistemas ópticos. Su figura esquemática es la siguiente:
Coloque dos reglas con diferentes alturas en el lado de la superficie del objeto de la lente bajo prueba, es decir, la placa de escala 1 y la placa de escala 2. Las alturas de las placas de escala correspondientes son y1 e y2. La distancia entre las dos placas de escala es e, y el ángulo entre la línea superior de la regla y el eje óptico es u. La lente probada con una distancia focal de f capta la imagen de la escala. Se instala un microscopio en el extremo de la superficie de la imagen. Moviendo la posición del microscopio, se encuentran las imágenes superiores de las dos placas de escala. En este momento, la distancia entre el microscopio y el eje óptico se denota como y. Según la relación objeto-imagen, podemos obtener la distancia focal como:
2.5 Deflectometría muaréMétodo
El método de deflectometría Moiré utilizará dos conjuntos de reglas de Ronchi en haces de luz paralelos. La regla Ronchi es un patrón en forma de rejilla de película de cromo metálico depositada sobre un sustrato de vidrio, comúnmente utilizado para probar el rendimiento de sistemas ópticos. El método utiliza el cambio en las franjas Moiré formadas por las dos rejillas para probar la distancia focal del sistema óptico. El diagrama esquemático del principio es el siguiente:
En la figura anterior, el objeto observado, después de pasar por el colimador, se convierte en un haz paralelo. En la trayectoria óptica, sin agregar primero la lente probada, el haz paralelo pasa a través de dos rejillas con un ángulo de desplazamiento de θ y una separación entre rejillas de d, formando un conjunto de franjas Moiré en el plano de la imagen. Luego, la lente probada se coloca en el camino óptico. La luz colimada original, después de la refracción de la lente, producirá una determinada distancia focal. El radio de curvatura del haz de luz se puede obtener a partir de la siguiente fórmula:
Por lo general, la lente bajo prueba se coloca muy cerca de la primera rejilla, por lo que el valor R en la fórmula anterior corresponde a la distancia focal de la lente. La ventaja de este método es que puede probar la distancia focal de sistemas de distancia focal positiva y negativa.
2.6 ÓpticoFiberAutocolimaciónMmétodo
El principio de utilizar el método de autocolimación de fibra óptica para probar la distancia focal de la lente se muestra en la siguiente figura. Utiliza fibra óptica para emitir un haz divergente que pasa a través de la lente que se está probando y luego a un espejo plano. Los tres caminos ópticos en la figura representan las condiciones de la fibra óptica dentro del foco, dentro del foco y fuera del foco respectivamente. Moviendo la posición de la lente bajo prueba hacia adelante y hacia atrás, puede encontrar la posición del cabezal de fibra en el enfoque. En este momento, el haz se autocolima y, después de reflejarse en el espejo plano, la mayor parte de la energía volverá a la posición del cabezal de fibra. El método es simple en principio y fácil de implementar.
3.Conclusión
La distancia focal es un parámetro importante de un sistema óptico. En este artículo, detallamos el concepto de distancia focal del sistema óptico y sus métodos de prueba. En combinación con el diagrama esquemático, explicamos la definición de distancia focal, incluidos los conceptos de distancia focal del lado de la imagen, distancia focal del lado del objeto y distancia focal de adelante hacia atrás. En la práctica, existen muchos métodos para probar la distancia focal de un sistema óptico. Este artículo presenta los principios de prueba del método del colimador, el método gaussiano, el método de medición de la distancia focal, el método de medición de la distancia focal de Abbe, el método de deflexión Moiré y el método de autocolimación de fibra óptica. Creo que al leer este artículo, comprenderá mejor los parámetros de distancia focal en los sistemas ópticos.
Hora de publicación: 09-ago-2024
