فاصله کانونی سیستم های نوری تعریف و روش های آزمایش

1. فاصله کانونی سیستم های نوری

فاصله کانونی یک شاخص بسیار مهم برای سیستم نوری است، برای مفهوم فاصله کانونی، کم و بیش درک داریم، در اینجا مرور می کنیم.
فاصله کانونی یک سیستم نوری که به عنوان فاصله از مرکز نوری سیستم نوری تا کانون پرتو در هنگام برخورد نور موازی تعریف می‌شود، معیاری از غلظت یا واگرایی نور در یک سیستم نوری است. برای نشان دادن این مفهوم از نمودار زیر استفاده می کنیم.

در شکل فوق، پرتو موازی که از انتهای چپ فرو می‌رود، پس از عبور از سیستم نوری، به کانون تصویر F' همگرا می‌شود، خط امتداد معکوس پرتو همگرا با خط امتداد متناظر پرتو موازی فرودی در یک نقطه تقاطع می‌یابد. نقطه، و سطحی که از این نقطه عبور می کند و بر محور نوری عمود است، صفحه اصلی پشتی نامیده می شود، صفحه اصلی پشتی با محور نوری در نقطه P2 قطع می شود که به آن نقطه اصلی (یا نقطه مرکز نوری) می گویند. فاصله بین نقطه اصلی و فوکوس تصویر، چیزی است که معمولاً آن را فاصله کانونی می نامیم، نام کامل فاصله کانونی موثر تصویر است.
همچنین از شکل می توان دریافت که فاصله آخرین سطح سیستم نوری تا نقطه کانونی F' تصویر را فاصله کانونی پشتی (BFL) می نامند. به همین ترتیب، اگر پرتو موازی از سمت راست برخورد کند، مفاهیم فاصله کانونی موثر و فاصله کانونی جلو (FFL) نیز وجود دارد.

2. روش های تست فاصله کانونی

در عمل، روش های زیادی وجود دارد که می توان از آنها برای آزمایش فاصله کانونی سیستم های نوری استفاده کرد. بر اساس اصول مختلف، روش های تست فاصله کانونی را می توان به سه دسته تقسیم کرد. دسته اول بر اساس موقعیت صفحه تصویر است، دسته دوم از رابطه بین بزرگنمایی و فاصله کانونی برای به دست آوردن مقدار فاصله کانونی استفاده می کند و دسته سوم از انحنای جبهه موج پرتو نور همگرا برای به دست آوردن مقدار فاصله کانونی استفاده می کند. .
در این بخش به معرفی روش های رایج برای آزمایش فاصله کانونی سیستم های نوری می پردازیم:

2.1Cروش olimator

اصل استفاده از کولیماتور برای آزمایش فاصله کانونی یک سیستم نوری مطابق شکل زیر است:

در شکل، الگوی تست در کانون کولیماتور قرار گرفته است. ارتفاع y الگوی آزمون و فاصله کانونی f_c' از کولیماتور شناخته شده است. پس از اینکه پرتو موازی ساطع شده توسط کولیماتور توسط سیستم نوری آزمایش شده همگرا شد و در صفحه تصویر تصویربرداری شد، فاصله کانونی سیستم نوری را می توان بر اساس ارتفاع y' الگوی آزمایش در صفحه تصویر محاسبه کرد. فاصله کانونی سیستم نوری آزمایش شده می تواند از فرمول زیر استفاده کند:

2.2 گاوسیMروش
شکل شماتیک روش گاوسی برای آزمایش فاصله کانونی یک سیستم نوری به صورت زیر نشان داده شده است:

در شکل، صفحه اصلی جلو و عقب سیستم نوری مورد آزمایش به ترتیب P و P' نشان داده شده است و فاصله بین دو صفحه اصلی d است._P. در این روش مقدار d_Pشناخته شده تلقی می شود یا ارزش آن کم است و می توان آن را نادیده گرفت. یک شی و یک صفحه گیرنده در انتهای چپ و راست قرار می گیرند و فاصله بین آنها به صورت L ثبت می شود، جایی که L باید بیشتر از 4 برابر فاصله کانونی سیستم مورد آزمایش باشد. سیستم مورد آزمایش را می توان در دو موقعیت قرار داد که به ترتیب با موقعیت 1 و موقعیت 2 مشخص می شوند. شیء سمت چپ را می توان به وضوح در صفحه گیرنده تصویر کرد. فاصله بین این دو مکان (که با D مشخص می شود) قابل اندازه گیری است. با توجه به رابطه مزدوج، می توانیم به دست آوریم:

در این دو موقعیت، فواصل جسم به ترتیب به صورت s1 و s2 ثبت می شود، سپس s2 - s1 = D. از طریق فرمول مشتق، می توانیم فاصله کانونی سیستم نوری را به صورت زیر بدست آوریم:

2.3Lآنزومتر
لنزومتر برای آزمایش سیستم های نوری با فاصله کانونی طولانی بسیار مناسب است. شکل شماتیک آن به شرح زیر است:

اول اینکه لنز مورد آزمایش در مسیر نوری قرار نمی گیرد. هدف مشاهده شده در سمت چپ از عدسی همساز عبور می کند و به نور موازی تبدیل می شود. نور موازی توسط یک عدسی همگرا با فاصله کانونی f همگرا می شود₂و یک تصویر واضح در صفحه تصویر مرجع تشکیل می دهد. پس از کالیبره شدن مسیر نوری، عدسی مورد آزمایش در مسیر نوری قرار می گیرد و فاصله بین عدسی مورد آزمایش و عدسی همگرا f است.₂. در نتیجه، با توجه به عملکرد لنز تحت آزمایش، پرتو نور مجدداً فوکوس می‌شود و باعث تغییر در موقعیت صفحه تصویر می‌شود و در نتیجه یک تصویر واضح در موقعیت صفحه تصویر جدید در نمودار ایجاد می‌شود. فاصله بین صفحه تصویر جدید و عدسی همگرا با x نشان داده می شود. بر اساس رابطه شی-تصویر، فاصله کانونی لنز مورد آزمایش را می توان به صورت زیر استنباط کرد:

در عمل، لنزومتر به طور گسترده ای در اندازه گیری کانونی بالای عدسی های عینک استفاده شده است و مزایای عملکرد ساده و دقت قابل اعتماد را دارد.

2.4 آبهRافراکتومتر

رفرکتومتر Abbe روش دیگری برای آزمایش فاصله کانونی سیستم های نوری است. شکل شماتیک آن به شرح زیر است:

دو خط کش با ارتفاع های مختلف در سمت سطح جسم عدسی مورد آزمایش، یعنی صفحه ترازو 1 و صفحه ترازو 2 قرار دهید. ارتفاع صفحات ترازو مربوطه y1 و y2 است. فاصله بین دو ترازو e و زاویه بین خط بالای خط کش و محور نوری u است. مقیاس بندی شده توسط لنز آزمایش شده با فاصله کانونی f تصویربرداری می شود. یک میکروسکوپ در انتهای سطح تصویر نصب شده است. با حرکت دادن موقعیت میکروسکوپ، تصاویر بالایی از دو صفحه ترازو پیدا می شود. در این زمان، فاصله بین میکروسکوپ و محور نوری با y نشان داده می شود. با توجه به رابطه شی-تصویر، می توانیم فاصله کانونی را به صورت:

2.5 انحراف سنجی Moireروش
روش انحراف سنجی Moiré از دو مجموعه از قوانین رونچی در پرتوهای نور موازی استفاده می کند. حکم رونچی یک الگوی شبکه مانند از فیلم کروم فلزی است که روی یک بستر شیشه ای رسوب کرده است که معمولاً برای آزمایش عملکرد سیستم های نوری استفاده می شود. این روش از تغییر در حاشیه های Moiré که توسط دو توری تشکیل شده است برای آزمایش فاصله کانونی سیستم نوری استفاده می کند. نمودار شماتیک اصل به شرح زیر است:

در شکل بالا جسم مشاهده شده پس از عبور از کولیماتور به پرتوی موازی تبدیل می شود. در مسیر نوری، بدون اضافه کردن لنز آزمایش شده ابتدا، پرتو موازی از دو توری با زاویه جابجایی θ و فاصله توری d عبور می کند و مجموعه ای از حاشیه های Moiré را در صفحه تصویر تشکیل می دهد. سپس لنز آزمایش شده در مسیر نوری قرار می گیرد. نور موازی اولیه، پس از شکست توسط عدسی، فاصله کانونی مشخصی تولید می کند. شعاع انحنای پرتو نور را می توان از فرمول زیر بدست آورد:

معمولاً لنز مورد آزمایش بسیار نزدیک به اولین گریتینگ قرار می گیرد، بنابراین مقدار R در فرمول فوق با فاصله کانونی لنز مطابقت دارد. مزیت این روش این است که می تواند فاصله کانونی سیستم های فاصله کانونی مثبت و منفی را آزمایش کند.

2.6 نوریFایبرAUtocollimationMروش
اصل استفاده از روش اتوکلیماسیون فیبر نوری برای آزمایش فاصله کانونی لنز در شکل زیر نشان داده شده است. از فیبر نوری برای ساطع یک پرتو واگرا استفاده می کند که از لنز مورد آزمایش عبور می کند و سپس روی یک آینه صفحه قرار می گیرد. سه مسیر نوری در شکل به ترتیب بیانگر شرایط فیبر نوری در فوکوس، درون کانون و خارج از فوکوس است. با حرکت دادن موقعیت لنز تحت آزمایش به جلو و عقب، می توانید موقعیت سر فیبر را در فوکوس پیدا کنید. در این زمان، پرتو به خودی خود تراز می شود و پس از انعکاس توسط آینه صفحه، بیشتر انرژی به موقعیت سر فیبر باز می گردد. روش در اصل ساده است و اجرای آن آسان است.

3. نتیجه گیری

فاصله کانونی پارامتر مهم یک سیستم نوری است. در این مقاله به تفصیل مفهوم فاصله کانونی سیستم نوری و روش های آزمایش آن می پردازیم. در ترکیب با نمودار شماتیک، ما تعریف فاصله کانونی را شامل مفاهیم فاصله کانونی سمت تصویر، فاصله کانونی سمت شی و فاصله کانونی از جلو به عقب توضیح می دهیم. در عمل، روش های زیادی برای آزمایش فاصله کانونی یک سیستم نوری وجود دارد. این مقاله به معرفی اصول تست روش کولیماتور، روش گاوسی، روش اندازه‌گیری فاصله کانونی، روش اندازه‌گیری فاصله کانونی Abbe، روش انحراف Moiré و روش اتوکلیماسیون فیبر نوری می‌پردازد. معتقدم با مطالعه این مقاله درک بهتری از پارامترهای فاصله کانونی در سیستم های نوری خواهید داشت.