1.Distancia focal de los sistemas ópticos
La distancia focal es un indicador muy importante del sistema óptico, para el concepto de distancia focal tenemos más o menos una comprensión, lo revisamos aquí.
La distancia focal de un sistema óptico, definida como la distancia desde el centro óptico del sistema hasta el foco del haz cuando incide luz paralela, es una medida de la concentración o divergencia de la luz en un sistema óptico. El siguiente diagrama ilustra este concepto.
En la figura anterior, el haz paralelo incidente desde el extremo izquierdo, después de pasar por el sistema óptico, converge al foco de la imagen F', la línea de extensión inversa del rayo convergente se interseca 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 interseca 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 usualmente llamamos la distancia focal, el nombre completo es la distancia focal efectiva de la imagen.
También se puede observar 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 posterior (DFP). Por consiguiente, si el haz paralelo incide desde el lado derecho, también existen los conceptos de distancia focal efectiva y distancia focal frontal (DFP).
2. Métodos de prueba de distancia focal
En la práctica, existen numerosos métodos para comprobar la distancia focal de los sistemas ópticos. Según diferentes principios, los métodos de prueba de distancia focal se dividen en tres categorías: la primera se basa en la posición del plano de la imagen; la segunda, en la relación entre el aumento y la distancia focal, y la tercera, en la curvatura del frente de onda del haz de luz convergente.
En esta sección, presentaremos los métodos comúnmente utilizados para probar la distancia focal de los sistemas ópticos:
2.1CMétodo Ollimator
El principio de utilizar un colimador para probar la distancia focal de un sistema óptico es el que se muestra en el siguiente diagrama:
En la figura, el patrón de prueba se coloca en el foco del colimador. La altura y del patrón de prueba y la distancia focal fcSe conocen los valores del colimador. Una vez que el haz paralelo emitido por el colimador converge en el sistema óptico probado y se proyecta en el plano de la imagen, se puede calcular la distancia focal del sistema óptico a partir de la altura y' del patrón de prueba en el plano de la imagen. La distancia focal del sistema óptico probado se puede calcular mediante 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 frontal y posterior del sistema óptico bajo prueba se representan como P y P' respectivamente, y la distancia entre los dos planos principales es dPEn 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 puede colocarse en dos posiciones, indicadas como posición 1 y posición 2, respectivamente. El objeto de la izquierda puede visualizarse claramente en la pantalla receptora. La distancia entre estas dos ubicaciones (indicada como D) puede medirse. 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. A través de la derivación de la fórmula, podemos obtener la distancia focal del sistema óptico como se muestra a continuación:
2.3Yoensómetro
El lensómetro es ideal para probar sistemas ópticos de larga distancia focal. Su esquema es el siguiente:
En primer lugar, la lente bajo prueba no se coloca en la trayectoria óptica. El objetivo observado a la izquierda pasa a través de la lente colimadora y se convierte en luz paralela. Esta luz paralela converge mediante una lente convergente con una distancia focal de f.2Y forma una imagen nítida en el plano de referencia. Tras calibrar la trayectoria óptica, la lente de prueba se coloca en ella y la distancia entre la lente de prueba y la lente convergente es f.2Como resultado, debido a la acción de la lente bajo prueba, el haz de luz se reenfocará, lo que provocará un desplazamiento en la posición del plano de la imagen, lo que resultará en una imagen nítida en la posición del nuevo plano de imagen en el diagrama. La distancia entre el nuevo plano de 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 una operación simple y una precisión confiable.
2.4 AbadRefractómetro
El refractómetro de Abbe es otro método para medir la distancia focal de los sistemas ópticos. Su esquema es el siguiente:
Coloque dos reglas con diferentes alturas en la superficie del objeto de la lente bajo prueba, a saber, las placas de escala 1 y 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 placa de escala se visualiza con la lente bajo prueba con una distancia focal f. Se instala un microscopio en el extremo de la superficie de la imagen. Al mover la posición del microscopio, se obtienen 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 de MoireMétodo
El método de deflectometría de Moiré utiliza dos conjuntos de cuadrículas de Ronchi en haces de luz paralelos. La cuadrícula de Ronchi consiste en un patrón reticular de una película de cromo metálico depositada sobre un sustrato de vidrio, comúnmente utilizado para evaluar el rendimiento de sistemas ópticos. El método utiliza la variación en las franjas de Moiré formadas por las dos rejillas para evaluar la distancia focal del sistema óptico. El diagrama esquemático del principio es el siguiente:
En la figura anterior, el objeto observado, tras pasar por el colimador, se convierte en un haz paralelo. En el camino óptico, sin añadir primero la lente de prueba, el haz paralelo atraviesa dos rejillas con un ángulo de desplazamiento θ y una separación d, formando un conjunto de franjas de Moiré en el plano de la imagen. A continuación, se coloca la lente de prueba en el camino óptico. La luz colimada original, tras la refracción por la lente, producirá una distancia focal determinada. El radio de curvatura del haz de luz se puede obtener mediante la siguiente fórmula:
Normalmente, la lente bajo prueba se coloca muy cerca de la primera rejilla, por lo que el valor R de la fórmula anterior corresponde a la distancia focal de la lente. La ventaja de este método es que permite probar la distancia focal de sistemas con distancia focal positiva y negativa.
2.6 ÓpticoFiberAutocolimaciónMmétodo
El principio del método de autocolimación de fibra óptica para comprobar la distancia focal de la lente se muestra en la figura a continuación. Este método utiliza fibra óptica para emitir un haz divergente que atraviesa la lente bajo prueba y luego se proyecta sobre un espejo plano. Las tres trayectorias ópticas en la figura representan las condiciones de la fibra óptica dentro del foco, dentro del foco y fuera del foco, respectivamente. Al mover la lente bajo prueba hacia adelante y hacia atrás, se puede determinar la posición del cabezal de la fibra en el foco. En este momento, el haz se autocolima y, tras la reflexión en el espejo plano, la mayor parte de la energía regresa a la posición del cabezal de la 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 de un sistema óptico y sus métodos de prueba. Junto con el diagrama esquemático, explicamos la definición de distancia focal, incluyendo los conceptos de distancia focal del lado de la imagen, distancia focal del lado del objeto y distancia focal frontal-posterior. En la práctica, existen numerosos 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 distancia focal, el método de medición de distancia focal de Abbe, el método de deflexión de 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
