تعريف البعد البؤري للأنظمة البصرية وطرق الاختبار

1. البعد البؤري للأنظمة البصرية

يعتبر البعد البؤري مؤشرًا مهمًا جدًا للنظام البصري، وبالنسبة لمفهوم البعد البؤري، لدينا فهم أكثر أو أقل له، وسنراجعه هنا.
البعد البؤري لنظام بصري، وهو المسافة من المركز البصري للنظام البصري إلى بؤرة الشعاع عند سقوط ضوء متوازي، هو مقياس لتركيز أو تباعد الضوء في نظام بصري. نستخدم الرسم التخطيطي التالي لتوضيح هذا المفهوم.

في الشكل أعلاه، يتقارب الشعاع الموازي الساقط من الطرف الأيسر، بعد المرور عبر النظام البصري، إلى بؤرة الصورة F'، ويتقاطع خط الامتداد العكسي للشعاع المتقارب مع خط الامتداد المقابل للشعاع الموازي الساقط عند نقطة ما، والسطح الذي يمر بهذه النقطة ويكون عموديًا على المحور البصري يسمى المستوى الرئيسي الخلفي، ويتقاطع المستوى الرئيسي الخلفي مع المحور البصري عند النقطة P2، والتي تسمى النقطة الرئيسية (أو نقطة المركز البصري)، والمسافة بين النقطة الرئيسية وبؤرة الصورة، هي ما نسميه عادةً البعد البؤري، والاسم الكامل هو البعد البؤري الفعال للصورة.
يتضح من الشكل أيضًا أن المسافة من آخر سطح للنظام البصري إلى النقطة البؤرية F' للصورة تُسمى البعد البؤري الخلفي (BFL). وبالمثل، إذا سقط الشعاع الموازي من الجانب الأيمن، فهناك أيضًا مفهوما البعد البؤري الفعال والبعد البؤري الأمامي (FFL).

2. طرق اختبار البعد البؤري

عمليًا، تتعدد الطرق المستخدمة لاختبار البعد البؤري للأنظمة البصرية. وبناءً على مبادئ مختلفة، يمكن تقسيم طرق اختبار البعد البؤري إلى ثلاث فئات. تعتمد الفئة الأولى على موضع مستوى الصورة، بينما تعتمد الفئة الثانية على العلاقة بين التكبير والبعد البؤري لتحديد قيمة البعد البؤري، بينما تعتمد الفئة الثالثة على انحناء واجهة الموجة لشعاع الضوء المتقارب لتحديد قيمة البعد البؤري.
في هذا القسم، سوف نقدم الطرق المستخدمة بشكل شائع لاختبار البعد البؤري للأنظمة البصرية:

2.1Cطريقة أوليماتور

مبدأ استخدام المصادم لاختبار البعد البؤري لنظام بصري هو كما هو موضح في الرسم البياني أدناه:

في الشكل، وُضع نمط الاختبار عند بؤرة المصادم. ارتفاع نمط الاختبار y والبعد البؤري f_cبعد تقارب الشعاع المتوازي المنبعث من المصادم بواسطة النظام البصري المختبر، وتصويره على مستوى الصورة، يُمكن حساب البعد البؤري للنظام البصري بناءً على ارتفاع نمط الاختبار (y') على مستوى الصورة. يُمكن حساب البعد البؤري للنظام البصري المختبر بالصيغة التالية:

2.2 غاوسيMالطريقة
يظهر الشكل التخطيطي للطريقة الغوسية لاختبار البعد البؤري للنظام البصري على النحو التالي:

في الشكل، يتم تمثيل المستويين الرئيسيين الأمامي والخلفي للنظام البصري قيد الاختبار بـ P وP' على التوالي، والمسافة بين المستويين الرئيسيين هي d_P. في هذه الطريقة، قيمة د_Pيُعتبر معروفًا، أو تكون قيمته صغيرة ويمكن تجاهلها. وُضع جسم وشاشة استقبال على الطرفين الأيسر والأيمن، وسُجِّلت المسافة بينهما بالرمز L، حيث يجب أن تكون L أكبر من أربعة أضعاف البعد البؤري للنظام قيد الاختبار. يمكن وضع النظام قيد الاختبار في موضعين، يُشار إليهما بالموضع 1 والموضع 2 على التوالي. يمكن تصوير الجسم الموجود على اليسار بوضوح على شاشة الاستقبال. يمكن قياس المسافة بين هذين الموقعين (يُشار إليها بالرمز D). وفقًا للعلاقة المترافقة، نحصل على:

في هذين الموضعين، يتم تسجيل مسافات الجسمين على أنها s1 وs2 على التوالي، ثم s2 - s1 = D. ومن خلال اشتقاق الصيغة، يمكننا الحصول على البعد البؤري للنظام البصري على النحو التالي:

2.3لمقياس الضغط
يُعدّ مقياس العدسة مناسبًا جدًا لاختبار الأنظمة البصرية ذات البعد البؤري الطويل. يوضح الشكل التخطيطي التالي:

أولاً، العدسة قيد الاختبار غير موضوعة في المسار الضوئي. يمر الهدف المرصود على اليسار عبر عدسة المحاذاة ويصبح ضوءًا متوازيًا. يُجمّع الضوء المتوازي بواسطة عدسة مجمعة ذات بُعد بؤري f.₂ويكوّن صورة واضحة على مستوى الصورة المرجعية. بعد معايرة المسار الضوئي، تُوضع العدسة قيد الاختبار في المسار الضوئي، وتكون المسافة بين العدسة قيد الاختبار والعدسة المُجمّعة f.₂نتيجةً لذلك، وبسبب تأثير العدسة قيد الاختبار، سيُعاد تركيز شعاع الضوء، مما يُحدث تحولاً في موضع مستوى الصورة، مما يُنتج صورة واضحة عند موضع مستوى الصورة الجديد في الرسم التخطيطي. يُرمز للمسافة بين مستوى الصورة الجديد والعدسة المُجمعة بالرمز x. بناءً على علاقة الجسم بالصورة، يُمكن استنتاج البعد البؤري للعدسة قيد الاختبار كما يلي:

في الممارسة العملية، تم استخدام مقياس العدسات على نطاق واسع في قياس البؤرة العليا لعدسات النظارات، وله مزايا التشغيل البسيط والدقة الموثوقة.

2.4 آبيRمقياس الانكسار

مقياس الانكسار آبي هو طريقة أخرى لاختبار البعد البؤري للأنظمة البصرية. الشكل التخطيطي له كما يلي:

ضع مسطرتين بارتفاعين مختلفين على جانب سطح الجسم للعدسة قيد الاختبار، وهما لوحة القياس 1 ولوحة القياس 2. ارتفاعا لوحي القياس المتقابلين هما y1 وy2. المسافة بين لوحي القياس هما e، والزاوية بين الخط العلوي للمسطرة والمحور البصري هي u. يتم تصوير لوحة القياس بواسطة العدسة المختبرة بطول بؤري f. يتم تثبيت مجهر على طرف سطح الصورة. بتحريك موضع المجهر، يتم العثور على الصور العلوية للوحي القياس. في هذا الوقت، يُشار إلى المسافة بين المجهر والمحور البصري بالرمز y. وفقًا لعلاقة الجسم بالصورة، يمكن الحصول على البعد البؤري كما يلي:

2.5 قياس انحراف الموارطريقة
تعتمد طريقة قياس انحراف مواريه على مجموعتين من أنماط رونشي في حزم ضوئية متوازية. نمط رونشي هو نمط شبكي من غشاء معدني كروم مُرسَّب على ركيزة زجاجية، ويُستخدم عادةً لاختبار أداء الأنظمة البصرية. تعتمد الطريقة على تغير أهداب مواريه المُشكَّلة بواسطة الشبكتين لاختبار البعد البؤري للنظام البصري. الرسم التخطيطي للمبدأ هو كما يلي:

في الشكل أعلاه، يصبح الجسم المرصود، بعد مروره عبر الموجّه، شعاعًا متوازيًا. في المسار البصري، ودون إضافة العدسة المختبرة أولًا، يمر الشعاع المتوازي عبر محززين بزاوية إزاحة θ وتباعد محززين d، مشكلًا مجموعة من أهداب مواريه على مستوى الصورة. بعد ذلك، توضع العدسة المختبرة في المسار البصري. يُنتج الضوء المتوازي الأصلي، بعد انكساره بواسطة العدسة، بُعدًا بؤريًا محددًا. يمكن الحصول على نصف قطر انحناء شعاع الضوء من الصيغة التالية:

عادةً ما تُوضع العدسة قيد الاختبار قريبًا جدًا من الشبكة الأولى، لذا فإن قيمة R في الصيغة أعلاه تُطابق البعد البؤري للعدسة. ميزة هذه الطريقة هي إمكانية اختبار البعد البؤري لأنظمة البعد البؤري الموجبة والسالبة.

2.6 بصريFإيبرAالتصويب الذاتيMالطريقة
يوضح الشكل أدناه مبدأ استخدام طريقة المحاذاة التلقائية للألياف الضوئية لاختبار البعد البؤري للعدسة. تستخدم هذه الطريقة الألياف الضوئية لإصدار شعاع متباعد يمر عبر العدسة المراد اختبارها، ثم إلى مرآة مستوية. تمثل المسارات الضوئية الثلاثة في الشكل حالة الألياف الضوئية داخل البؤرة، وداخلها، وخارجها على التوالي. بتحريك موضع العدسة المراد اختبارها ذهابًا وإيابًا، يمكن تحديد موضع رأس الألياف الضوئية عند البؤرة. في هذه الحالة، تتم المحاذاة التلقائية للشعاع، وبعد انعكاسه على المرآة المستوية، تعود معظم الطاقة إلى موضع رأس الألياف الضوئية. هذه الطريقة بسيطة من حيث المبدأ وسهلة التنفيذ.

3.الخاتمة

يُعدّ البعد البؤري معيارًا مهمًا في النظام البصري. في هذه المقالة، نُفصّل مفهوم البعد البؤري للنظام البصري وطرق اختباره. بالإضافة إلى الرسم التخطيطي، نشرح تعريف البعد البؤري، بما في ذلك مفاهيم البعد البؤري من جانب الصورة، والبعد البؤري من جانب الجسم، والبعد البؤري من الأمام إلى الخلف. عمليًا، هناك العديد من الطرق لاختبار البعد البؤري للنظام البصري. تُقدّم هذه المقالة مبادئ اختبار طريقة الموازاة، والطريقة الغوسية، وطريقة قياس البعد البؤري، وطريقة قياس البعد البؤري آبي، وطريقة انحراف مواريه، وطريقة الموازاة التلقائية للألياف البصرية. أعتقد أن قراءة هذه المقالة ستُحسّن فهمك لمعايير البعد البؤري في الأنظمة البصرية.