فاصله کانونی سیستم‌های نوری - تعریف و روش‌های آزمایش

۱. فاصله کانونی سیستم‌های نوری

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

در شکل بالا، پرتو موازی فرودی از انتهای چپ، 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 تلاقی می‌کند، و سطحی که از این نقطه عبور می‌کند و عمود بر محور نوری است، صفحه اصلی پشتی نامیده می‌شود، صفحه اصلی پشتی با محور نوری در نقطه P2 تلاقی می‌کند که نقطه اصلی (یا نقطه مرکز نوری) نامیده می‌شود، فاصله بین نقطه اصلی و کانون تصویر، چیزی است که ما معمولاً آن را فاصله کانونی می‌نامیم، نام کامل آن فاصله کانونی مؤثر تصویر است.
همچنین از شکل می‌توان دریافت که فاصله از آخرین سطح سیستم نوری تا نقطه کانونی F' تصویر، فاصله کانونی پشتی (BFL) نامیده می‌شود. به همین ترتیب، اگر پرتو موازی از سمت راست بتابد، مفاهیم فاصله کانونی مؤثر و فاصله کانونی جلویی (FFL) نیز وجود دارند.

2. روش‌های آزمایش فاصله کانونی

در عمل، روش‌های زیادی برای آزمایش فاصله کانونی سیستم‌های نوری وجود دارد. بر اساس اصول مختلف، روش‌های آزمایش فاصله کانونی را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد. دسته اول بر اساس موقعیت صفحه تصویر است، دسته دوم از رابطه بین بزرگنمایی و فاصله کانونی برای بدست آوردن مقدار فاصله کانونی استفاده می‌کند و دسته سوم از انحنای جبهه موج پرتو نور همگرا برای بدست آوردن مقدار فاصله کانونی استفاده می‌کند.
در این بخش، روش‌های متداول برای آزمایش فاصله کانونی سیستم‌های نوری را معرفی خواهیم کرد:：

۲.۱Cروش الیماتور

اصول استفاده از کولیماتور برای آزمایش فاصله کانونی یک سیستم نوری در نمودار زیر نشان داده شده است:

در شکل، الگوی آزمایشی در کانون کولیماتور قرار گرفته است. ارتفاع y الگوی آزمایشی و فاصله کانونی f_c' از کولیماتور مشخص است. پس از اینکه پرتو موازی ساطع شده توسط کولیماتور توسط سیستم نوری آزمایش شده همگرا شده و روی صفحه تصویر تصویربرداری شود، فاصله کانونی سیستم نوری را می‌توان بر اساس ارتفاع y' الگوی آزمایش روی صفحه تصویر محاسبه کرد. فاصله کانونی سیستم نوری آزمایش شده را می‌توان از فرمول زیر استفاده کرد:

۲.۲ گاوسیMروش
شکل شماتیک روش گاوسی برای آزمایش فاصله کانونی یک سیستم نوری در زیر نشان داده شده است:

در شکل، صفحات اصلی جلو و عقب سیستم نوری مورد آزمایش به ترتیب با P و P' نشان داده شده‌اند و فاصله بین دو صفحه اصلی d است._Pدر این روش، مقدار d_Pمعلوم در نظر گرفته می‌شود، یا مقدار آن کوچک است و می‌توان آن را نادیده گرفت. یک جسم و یک صفحه گیرنده در انتهای چپ و راست قرار می‌گیرند و فاصله بین آنها به صورت L ثبت می‌شود، که در آن L باید بیشتر از 4 برابر فاصله کانونی سیستم تحت آزمایش باشد. سیستم تحت آزمایش را می‌توان در دو موقعیت قرار داد که به ترتیب با موقعیت 1 و موقعیت 2 نشان داده می‌شوند. جسم سمت چپ را می‌توان به وضوح روی صفحه گیرنده تصویر کرد. فاصله بین این دو مکان (که با D نشان داده می‌شود) را می‌توان اندازه‌گیری کرد. طبق رابطه مزدوج، می‌توانیم به دست آوریم:

در این دو موقعیت، فواصل اجسام به ترتیب s1 و s2 ثبت می‌شوند، سپس s2 - s1 = D. از طریق استخراج فرمول، می‌توانیم فاصله کانونی سیستم نوری را به صورت زیر بدست آوریم:

۲.۳لآنسومتر
لنزومتر برای آزمایش سیستم‌های نوری با فاصله کانونی طولانی بسیار مناسب است. شکل شماتیک آن به شرح زیر است:

اولاً، عدسی مورد آزمایش در مسیر نوری قرار نمی‌گیرد. هدف مشاهده شده در سمت چپ از عدسی موازی‌ساز عبور می‌کند و به نور موازی تبدیل می‌شود. نور موازی توسط یک عدسی همگرا با فاصله کانونی f همگرا می‌شود.₂و یک تصویر واضح در صفحه تصویر مرجع تشکیل می‌دهد. پس از کالیبره شدن مسیر نوری، لنز مورد آزمایش در مسیر نوری قرار می‌گیرد و فاصله بین لنز مورد آزمایش و لنز همگرا f است.₂در نتیجه، به دلیل عملکرد لنز مورد آزمایش، پرتو نور مجدداً متمرکز می‌شود و باعث تغییر موقعیت صفحه تصویر می‌شود و در نتیجه تصویر واضحی در موقعیت صفحه تصویر جدید در نمودار ایجاد می‌شود. فاصله بین صفحه تصویر جدید و لنز همگرا با x نشان داده می‌شود. بر اساس رابطه جسم-تصویر، فاصله کانونی لنز مورد آزمایش را می‌توان به صورت زیر استنباط کرد:

در عمل، لنزومتر به طور گسترده در اندازه‌گیری کانونی بالای لنزهای عینک مورد استفاده قرار گرفته است و از مزایای عملکرد ساده و دقت قابل اعتماد برخوردار است.

۲.۴ آبهRدستگاه اندازه گیری افتراقی

رفراکتومتر Abbe روش دیگری برای آزمایش فاصله کانونی سیستم‌های نوری است. شکل شماتیک آن به شرح زیر است:

دو خط‌کش با ارتفاع‌های مختلف را در سمت سطح جسم لنز مورد آزمایش، یعنی صفحه مقیاس ۱ و صفحه مقیاس ۲، قرار دهید. ارتفاع صفحات مقیاس مربوطه y1 و y2 است. فاصله بین دو صفحه مقیاس e و زاویه بین خط بالایی خط‌کش و محور نوری u است. صفحه مقیاس توسط لنز مورد آزمایش با فاصله کانونی f تصویربرداری می‌شود. یک میکروسکوپ در انتهای سطح تصویر نصب شده است. با حرکت دادن موقعیت میکروسکوپ، تصاویر بالایی دو صفحه مقیاس یافت می‌شوند. در این زمان، فاصله بین میکروسکوپ و محور نوری با y نشان داده می‌شود. طبق رابطه جسم-تصویر، می‌توانیم فاصله کانونی را به صورت زیر بدست آوریم:

۲.۵ انحراف‌سنجی مویرروش
روش انحراف‌سنجی ماره از دو مجموعه از خطوط رونچایی در پرتوهای نور موازی استفاده می‌کند. خطوط رونچایی یک الگوی شبکه‌ای از فیلم کروم فلزی است که روی یک زیرلایه شیشه‌ای رسوب داده شده است و معمولاً برای آزمایش عملکرد سیستم‌های نوری استفاده می‌شود. این روش از تغییر در حاشیه‌های ماره تشکیل شده توسط دو توری برای آزمایش فاصله کانونی سیستم نوری استفاده می‌کند. نمودار شماتیک این اصل به شرح زیر است:

در شکل بالا، جسم مشاهده شده، پس از عبور از موازی‌ساز، به یک پرتو موازی تبدیل می‌شود. در مسیر نوری، بدون اضافه کردن لنز مورد آزمایش، پرتو موازی از دو توری با زاویه جابجایی θ و فاصله توری d عبور می‌کند و مجموعه‌ای از فریزهای مویر را روی صفحه تصویر تشکیل می‌دهد. سپس، لنز مورد آزمایش در مسیر نوری قرار می‌گیرد. نور موازی اولیه، پس از شکست توسط لنز، فاصله کانونی مشخصی ایجاد می‌کند. شعاع انحنای پرتو نور را می‌توان از فرمول زیر بدست آورد:

معمولاً لنز مورد آزمایش بسیار نزدیک به اولین توری قرار می‌گیرد، بنابراین مقدار R در فرمول بالا مربوط به فاصله کانونی لنز است. مزیت این روش این است که می‌تواند فاصله کانونی سیستم‌های فاصله کانونی مثبت و منفی را آزمایش کند.

۲.۶ نوریFایبرAاتوکولیماسیونMروش
اصل استفاده از روش خودهم‌راستایی فیبر نوری برای آزمایش فاصله کانونی لنز در شکل زیر نشان داده شده است. در این روش از فیبر نوری برای انتشار یک پرتو واگرا استفاده می‌شود که از لنز مورد آزمایش عبور کرده و سپس به یک آینه تخت می‌رسد. سه مسیر نوری در شکل به ترتیب نشان دهنده شرایط فیبر نوری در داخل کانون، داخل کانون و خارج از کانون هستند. با حرکت دادن موقعیت لنز تحت آزمایش به جلو و عقب، می‌توانید موقعیت سر فیبر را در کانون پیدا کنید. در این زمان، پرتو خودهم‌راستا می‌شود و پس از بازتاب توسط آینه تخت، بیشتر انرژی به موقعیت سر فیبر باز می‌گردد. این روش در اصل ساده و پیاده‌سازی آن آسان است.

۳. نتیجه‌گیری

فاصله کانونی یک پارامتر مهم در یک سیستم نوری است. در این مقاله، مفهوم فاصله کانونی سیستم نوری و روش‌های آزمایش آن را به تفصیل شرح می‌دهیم. همراه با نمودار شماتیک، تعریف فاصله کانونی، از جمله مفاهیم فاصله کانونی سمت تصویر، فاصله کانونی سمت جسم و فاصله کانونی جلو به عقب را توضیح می‌دهیم. در عمل، روش‌های زیادی برای آزمایش فاصله کانونی یک سیستم نوری وجود دارد. این مقاله اصول آزمایش روش کولیماتور، روش گاوسی، روش اندازه‌گیری فاصله کانونی، روش اندازه‌گیری فاصله کانونی Abbe، روش انحراف Moiré و روش خودکولیماسیون فیبر نوری را معرفی می‌کند. من معتقدم که با خواندن این مقاله، درک بهتری از پارامترهای فاصله کانونی در سیستم‌های نوری خواهید داشت.