Definition und Testmethoden der Brennweite optischer Systeme

1.Brennweite optischer Systeme

Die Brennweite ist ein sehr wichtiger Indikator für das optische System. Für das Konzept der Brennweite haben wir mehr oder weniger ein Verständnis, das wir hier überprüfen.
Die Brennweite eines optischen Systems, definiert als der Abstand vom optischen Zentrum des optischen Systems zum Brennpunkt des Strahls bei parallelem Lichteinfall, ist ein Maß für die Konzentration oder Divergenz des Lichts in einem optischen System. Wir verwenden das folgende Diagramm, um dieses Konzept zu veranschaulichen.

In der obigen Abbildung konvergiert der vom linken Ende einfallende parallele Strahl nach Durchlaufen des optischen Systems zum Bildfokus F'. Die umgekehrte Verlängerungslinie des konvergierenden Strahls schneidet die entsprechende Verlängerungslinie des einfallenden parallelen Strahls bei a Punkt und die Oberfläche, die diesen Punkt passiert und senkrecht zur optischen Achse ist, 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 wird normalerweise als Brennweite bezeichnet. 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. Wenn der parallele Strahl von der rechten Seite einfällt, gibt es entsprechend auch die Konzepte der effektiven Brennweite und der vorderen Brennweite (FFL).

2. Methoden zur Prüfung der Brennweite

In der Praxis gibt es viele Methoden, mit denen sich die Brennweite optischer Systeme testen lässt. Basierend auf unterschiedlichen Prinzipien lassen sich die Methoden zur Brennweitenprüfung in drei Kategorien einteilen. Die erste Kategorie basiert auf der Position der Bildebene, die zweite Kategorie verwendet die Beziehung zwischen Vergrößerung und Brennweite, um den Brennweitenwert zu erhalten, und die dritte Kategorie verwendet die Wellenfrontkrümmung des konvergierenden Lichtstrahls, um den Brennweitenwert zu erhalten .
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 in der folgenden Abbildung dargestellt:

In der Abbildung ist das Testmuster im Fokus des Kollimators platziert. Die Höhe y des Testmusters und die Brennweite f_c' des Kollimators sind bekannt. Nachdem der vom Kollimator emittierte parallele Strahl vom getesteten optischen System konvergiert und auf der Bildebene abgebildet wurde, kann die Brennweite des optischen Systems basierend auf der Höhe y' des Testmusters auf der Bildebene berechnet werden. Für die Brennweite des getesteten optischen Systems kann die folgende Formel verwendet werden:

2.2 GaußMEthik
Die schematische Abbildung der Gaußschen Methode zum Testen der Brennweite eines optischen Systems ist wie folgt dargestellt:

In der Abbildung sind die vordere und hintere Hauptebene des zu prüfenden optischen Systems als P bzw. P' dargestellt, und der Abstand zwischen den beiden Hauptebenen beträgt d_P. Bei dieser Methode ist der Wert von d_Pgilt als bekannt, oder sein Wert ist gering und kann ignoriert werden. Ein Objekt und ein Empfangsbildschirm 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 in zwei Positionen platziert werden, die als Position 1 bzw. Position 2 bezeichnet werden. Das Objekt links ist auf dem Empfangsbildschirm deutlich zu erkennen. Der Abstand zwischen diesen beiden Orten (bezeichnet als D) kann gemessen werden. Gemäß der konjugierten Beziehung können wir Folgendes erhalten:

An diesen beiden Positionen werden die Objektabstände als s1 bzw. s2 aufgezeichnet, dann ist s2 - s1 = D. Durch Formelableitung können wir die Brennweite des optischen Systems wie folgt erhalten:

2.3LEnsometer
Das Lensometer eignet sich sehr gut zum Testen von optischen Systemen mit langer Brennweite. Seine schematische Abbildung ist wie folgt:

Erstens befindet sich das zu testende Objektiv nicht im Strahlengang. Das beobachtete Ziel auf der linken Seite passiert die Kollimationslinse und wird zu parallelem Licht. Das parallele Licht wird durch eine Sammellinse mit einer Brennweite von f gebündelt₂und erzeugt ein klares Bild auf der Referenzbildebene. Nachdem der optische Pfad kalibriert wurde, wird die zu prüfende Linse in den optischen Pfad platziert und der Abstand zwischen der zu prüfenden Linse und der Sammellinse beträgt f₂. Dadurch wird der Lichtstrahl aufgrund der Wirkung des zu testenden Objektivs neu fokussiert, was zu einer Verschiebung der Position der Bildebene führt, was zu einem klaren Bild an der Position der neuen Bildebene im Diagramm führt. Der Abstand zwischen der neuen Bildebene und der Sammellinse wird mit x bezeichnet. Basierend auf der Objekt-Bild-Beziehung kann die Brennweite des getesteten Objektivs wie folgt abgeleitet werden:

In der Praxis wird das Lensometer häufig bei der Top-Focus-Messung 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. Seine schematische Abbildung ist wie folgt:

Platzieren Sie zwei Lineale mit unterschiedlichen Höhen auf der Objektoberflächenseite des zu testenden Objektivs, nämlich Skalenplatte 1 und Skalenplatte 2. Die entsprechenden Höhen der Skalenplatten sind 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 Skala wird vom getesteten Objektiv mit einer Brennweite von f abgebildet. Am Ende der Bildoberfläche ist ein Mikroskop installiert. Durch Verschieben der Position des Mikroskops werden die oberen Bilder der beiden Skalenplatten gefunden. Zu diesem Zeitpunkt wird der Abstand zwischen dem Mikroskop und der optischen Achse mit y bezeichnet. Gemäß der Objekt-Bild-Beziehung können wir die Brennweite erhalten als:

2.5 Moire-DeflektometrieVerfahren
Bei der Moiré-Deflektometrie-Methode werden zwei Sätze von Ronchi-Linien in parallelen Lichtstrahlen verwendet. Beim Ronchi-Raster handelt es sich um ein gitterartiges Muster aus einem metallischen Chromfilm, der auf einem Glassubstrat abgeschieden wird und häufig zum Testen der Leistung optischer Systeme verwendet wird. Die Methode nutzt die Änderung der Moiré-Streifen, die durch die beiden Gitter gebildet werden, um die Brennweite des optischen Systems zu testen. Das schematische Diagramm des Prinzips lautet wie folgt:

In der Abbildung oben wird das beobachtete Objekt nach dem Durchgang durch den Kollimator zu einem parallelen Strahl. Im optischen Pfad durchläuft der parallele Strahl ohne vorheriges Hinzufügen der getesteten Linse zwei Gitter mit einem Verschiebungswinkel von θ und einem Gitterabstand von d und bildet auf der Bildebene eine Reihe von Moiré-Streifen. Anschließend wird die geprüfte Linse in den Strahlengang gebracht. Das ursprünglich kollimierte Licht ergibt nach der Brechung durch die Linse eine bestimmte Brennweite. Der Krümmungsradius des Lichtstrahls kann aus der folgenden Formel ermittelt werden:

Normalerweise wird das zu testende Objektiv sehr nahe am ersten Gitter platziert, sodass der R-Wert in der obigen Formel der Brennweite des Objektivs entspricht. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass damit die Brennweite von Systemen mit positiver und negativer Brennweite getestet werden kann.

2.6 OptischFiberAAutokollimationMEthik
Das Prinzip der Verwendung der Autokollimationsmethode mit optischen Fasern zum Testen der Brennweite des Objektivs ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es verwendet Glasfasern, um einen divergenten Strahl auszusenden, der durch die zu prüfende Linse und dann auf einen Planspiegel fällt. Die drei optischen Pfade in der Abbildung stellen die Bedingungen der optischen Faser innerhalb des Fokus, innerhalb des Fokus bzw. außerhalb des Fokus dar. Indem Sie die Position des zu testenden Objektivs hin und her bewegen, können Sie die Position des Faserkopfes im Fokus ermitteln. Zu diesem Zeitpunkt ist der Strahl selbstkollimiert und nach der Reflexion am Planspiegel kehrt der Großteil der Energie zur Position des Faserkopfes zurück. Die Methode ist im Prinzip einfach und leicht umzusetzen.

3. Fazit

Die Brennweite ist ein wichtiger Parameter eines optischen Systems. In diesem Artikel beschreiben wir detailliert das Konzept der Brennweite eines optischen Systems und seine Testmethoden. In Kombination mit dem schematischen Diagramm erläutern wir die Definition der Brennweite, einschließlich der Konzepte der bildseitigen Brennweite, der objektseitigen Brennweite und der Brennweite von vorne nach hinten. In der Praxis gibt es viele Methoden zum Testen der Brennweite eines optischen Systems. In diesem Artikel werden die Prüfprinzipien der Kollimatormethode, der Gaußschen Methode, der Brennweitenmessmethode, der Abbe-Brennweitenmessmethode, der Moiré-Ablenkungsmethode und der Autokollimationsmethode mit optischen Fasern vorgestellt. Ich glaube, dass Sie durch die Lektüre dieses Artikels ein besseres Verständnis der Brennweitenparameter in optischen Systemen erlangen werden.