1.Brennweite optischer Systeme
Die Brennweite ist ein sehr wichtiger Indikator für ein optisches System. Wir haben mehr oder weniger ein Verständnis für das Konzept der Brennweite und gehen es hier noch einmal durch.
Die Brennweite eines optischen Systems, definiert als der Abstand vom optischen Zentrum des optischen Systems zum Fokus des Strahls bei parallelem Lichteinfall, ist ein Maß für die Konzentration oder Divergenz des Lichts in einem optischen System. Zur Veranschaulichung dient das folgende Diagramm.
In der obigen Abbildung konvergiert der vom linken Ende einfallende parallele Strahl, nachdem er das optische System durchlaufen hat, zum Bildfokus F‘, die umgekehrte Verlängerungslinie des konvergierenden Strahls schneidet die entsprechende Verlängerungslinie des einfallenden parallelen Strahls an einem Punkt, und die Oberfläche, die durch diesen Punkt verläuft und senkrecht zur optischen Achse steht, wird als hintere Hauptebene bezeichnet, die hintere Hauptebene schneidet die optische Achse am Punkt P2, der als Hauptpunkt (oder optischer Mittelpunkt) bezeichnet wird, der Abstand zwischen dem Hauptpunkt und dem Bildfokus ist das, was wir üblicherweise als Brennweite bezeichnen, der vollständige Name ist die effektive Brennweite des Bildes.
Aus der Abbildung ist auch ersichtlich, dass der Abstand von der letzten Oberfläche des optischen Systems zum Brennpunkt F' des Bildes als hintere Brennweite (BFL) bezeichnet wird. Entsprechend gibt es, wenn der parallele Strahl von rechts einfällt, auch die Konzepte der effektiven Brennweite und der vorderen Brennweite (FFL).
2. Methoden zur Brennweitenprüfung
In der Praxis gibt es viele Methoden, um die Brennweite optischer Systeme zu testen. Basierend auf unterschiedlichen Prinzipien lassen sich die Brennweiten-Testmethoden in drei Kategorien einteilen. Die erste Kategorie basiert auf der Position der Bildebene, die zweite Kategorie nutzt die Beziehung zwischen Vergrößerung und Brennweite, um den Brennweitenwert zu ermitteln, und die dritte Kategorie nutzt die Wellenfrontkrümmung des konvergierenden Lichtstrahls, um den Brennweitenwert zu ermitteln.
In diesem Abschnitt stellen wir die häufig verwendeten Methoden zum Testen der Brennweite optischer Systeme vor:：
2.1COllimator-Methode
Das Prinzip der Verwendung eines Kollimators zum Testen der Brennweite eines optischen Systems ist im folgenden Diagramm dargestellt:
In der Abbildung befindet sich das Testmuster im Fokus des Kollimators. Die Höhe y des Testmusters und die Brennweite fcDie Werte des Kollimators sind bekannt. Nachdem der vom Kollimator emittierte parallele Strahl durch das getestete optische System gebündelt und auf der Bildebene abgebildet wurde, kann die Brennweite des optischen Systems anhand der Höhe y' des Testmusters auf der Bildebene berechnet werden. Die Brennweite des getesteten optischen Systems lässt sich mit folgender Formel berechnen:
2.2 Gaußsche VerteilungMMethode
Die schematische Abbildung der Gauß-Methode zum Testen der Brennweite eines optischen Systems ist wie folgt:
In der Abbildung werden die vordere und hintere Hauptebene des zu testenden optischen Systems als P bzw. P' dargestellt, und der Abstand zwischen den beiden Hauptebenen beträgt dP. Bei dieser Methode ist der Wert von dPgilt als bekannt oder sein Wert ist klein und kann vernachlässigt werden. Ein Objekt und ein Empfangsschirm werden am linken und rechten Ende platziert, und der Abstand zwischen ihnen wird als L aufgezeichnet, wobei L größer als das Vierfache der Brennweite des zu testenden Systems sein muss. Das zu testende System kann an zwei Positionen platziert werden, die als Position 1 bzw. Position 2 bezeichnet werden. Das Objekt links ist deutlich auf dem Empfangsschirm abgebildet. Der Abstand zwischen diesen beiden Positionen (bezeichnet als D) ist messbar. Gemäß der konjugierten Beziehung erhalten wir:
An diesen beiden Positionen werden die Objektabstände als s1 bzw. s2 aufgezeichnet, dann gilt s2 - s1 = D. Durch Herleitung der Formel können wir die Brennweite des optischen Systems wie folgt ermitteln:
2.3LEnsometer
Das Lensometer eignet sich sehr gut zum Prüfen optischer Systeme mit großer Brennweite. Die schematische Darstellung ist wie folgt:
Erstens befindet sich die zu prüfende Linse nicht im Strahlengang. Das beobachtete Zielobjekt links durchläuft die Kollimationslinse und wird zu parallelem Licht. Das parallele Licht wird durch eine Sammellinse mit einer Brennweite von f gebündelt.2und erzeugt ein klares Bild auf der Referenzbildebene. Nachdem der optische Pfad kalibriert wurde, wird die zu testende Linse in den optischen Pfad platziert, und der Abstand zwischen der zu testenden Linse und der Sammellinse beträgt f2. Durch die Wirkung der zu prüfenden Linse wird der Lichtstrahl neu fokussiert, wodurch sich die Position der Bildebene verschiebt und an der Position der neuen Bildebene im Diagramm ein klares Bild entsteht. Der Abstand zwischen der neuen Bildebene und der Sammellinse wird mit x bezeichnet. Aus der Objekt-Bild-Beziehung lässt sich die Brennweite der zu prüfenden Linse wie folgt ableiten:
In der Praxis wird das Lensometer häufig zur Messung der oberen Brennweite von Brillengläsern eingesetzt und bietet die Vorteile einer einfachen Bedienung und zuverlässigen Präzision.
2.4 AbbeREfraktometer
Das Abbe-Refraktometer ist eine weitere Methode zur Prüfung der Brennweite optischer Systeme. Die schematische Darstellung sieht wie folgt aus:
Platzieren Sie zwei Lineale mit unterschiedlichen Höhen auf der Objektoberfläche des zu prüfenden Objektivs, nämlich Skalenplatte 1 und Skalenplatte 2. Die jeweiligen Skalenplattenhöhen betragen y1 und y2. Der Abstand zwischen den beiden Skalenplatten beträgt e, und der Winkel zwischen der oberen Linie des Lineals und der optischen Achse beträgt u. Die Skalenplatte wird von der zu prüfenden Linse mit einer Brennweite von f abgebildet. Am Bildoberflächenende ist ein Mikroskop installiert. Durch Verschieben des Mikroskops werden die oberen Bilder der beiden Skalenplatten ermittelt. Der Abstand zwischen Mikroskop und optischer Achse wird dabei mit y bezeichnet. Aus der Objekt-Bild-Beziehung ergibt sich die Brennweite wie folgt:
2.5 Moiré-DeflektometrieVerfahren
Die Moiré-Deflektometrie verwendet zwei Sätze von Ronchi-Rasterungen in parallelen Lichtstrahlen. Ronchi-Rasterungen sind gitterartige Strukturen aus einer metallischen Chromschicht auf einem Glassubstrat und werden häufig zur Leistungsprüfung optischer Systeme eingesetzt. Die Methode nutzt die Veränderung der durch die beiden Gitter gebildeten Moiré-Streifen, um die Brennweite des optischen Systems zu prüfen. Das Prinzip lässt sich wie folgt schematisch darstellen:
In der obigen Abbildung wird das beobachtete Objekt nach dem Passieren des Kollimators zu einem parallelen Strahl. Im Strahlengang durchläuft der parallele Strahl ohne vorheriges Hinzufügen der Testlinse zwei Gitter mit einem Verschiebungswinkel von θ und einem Gitterabstand von d und bildet Moiré-Streifen auf der Bildebene. Anschließend wird die Testlinse in den Strahlengang eingesetzt. Das ursprünglich kollimierte Licht erzeugt nach der Brechung durch die Linse eine bestimmte Brennweite. Der Krümmungsradius des Lichtstrahls lässt sich mit folgender Formel berechnen:
Normalerweise wird die zu testende Linse sehr nahe am ersten Gitter platziert, sodass der R-Wert in der obigen Formel der Brennweite der Linse entspricht. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sie die Brennweite von Systemen mit positiver und negativer Brennweite testen kann.
2.6 OptischFiberAAutokollimationMMethode
Das Prinzip der Glasfaser-Autokollimation zur Prüfung der Brennweite von Linsen ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Mithilfe von Glasfasern wird ein divergenter Strahl emittiert, der die zu prüfende Linse durchdringt und anschließend auf einen Planspiegel trifft. Die drei optischen Pfade in der Abbildung stellen jeweils die Bedingungen der Glasfaser im Fokus, innerhalb des Fokus und außerhalb des Fokus dar. Durch Verschieben der zu prüfenden Linse lässt sich die Position des Faserkopfes im Fokus ermitteln. Dabei ist der Strahl selbstkollimiert, und nach der Reflexion am Planspiegel kehrt der Großteil der Energie zum Faserkopf zurück. Die Methode ist im Prinzip einfach und leicht umzusetzen.
3. Schlussfolgerung
Die Brennweite ist ein wichtiger Parameter eines optischen Systems. Dieser Artikel erläutert das Konzept der Brennweite optischer Systeme und ihre Prüfmethoden. Zusammen mit der schematischen Darstellung erläutern wir die Definition der Brennweite, einschließlich der Begriffe Bildweite, Objektweite und Vorder-Rück-Brennweite. In der Praxis gibt es viele Methoden zur Prüfung der Brennweite eines optischen Systems. Dieser Artikel stellt die Prüfprinzipien der Kollimatormethode, der Gauß-Methode, der Brennweitenmessverfahren, der Abbe-Brennweitenmessverfahren, der Moiré-Ablenkmethode und der Glasfaser-Autokollimationsmethode vor. Ich bin überzeugt, dass Sie durch die Lektüre dieses Artikels ein besseres Verständnis der Brennweitenparameter optischer Systeme erlangen werden.
Beitragszeit: 09.08.2024
