Définition et méthodes de test de la distance focale des systèmes optiques

1. Distance focale des systèmes optiques

La distance focale est un indicateur très important du système optique, pour le concept de distance focale, nous avons plus ou moins une compréhension, nous le révisons ici.
La distance focale d'un système optique, définie comme la distance entre le centre optique du système et le foyer du faisceau lumineux incident parallèlement, est une mesure de la concentration ou de la divergence de la lumière dans un système optique. Le schéma suivant illustre ce concept.

Dans la figure ci-dessus, le faisceau parallèle incident depuis l'extrémité gauche, après avoir traversé le système optique, converge vers le foyer de l'image F', la ligne d'extension inverse du rayon convergent coupe la ligne d'extension correspondante du rayon parallèle incident en un point, et la surface qui passe ce point et est perpendiculaire à l'axe optique est appelée le plan principal arrière, le plan principal arrière coupe l'axe optique au point P2, qui est appelé le point principal (ou le point central optique), la distance entre le point principal et le foyer de l'image, c'est ce que nous appelons habituellement la distance focale, le nom complet est la distance focale effective de l'image.
On peut également constater sur la figure que la distance entre la dernière surface du système optique et le point focal F' de l'image est appelée distance focale arrière (DFA). De même, si le faisceau parallèle est incident du côté droit, on distingue également les notions de distance focale effective et de distance focale frontale (DFF).

2. Méthodes de test de la distance focale

En pratique, de nombreuses méthodes permettent de tester la distance focale des systèmes optiques. Fondées sur différents principes, ces méthodes peuvent être classées en trois catégories : la première repose sur la position du plan image, la deuxième utilise la relation entre le grossissement et la distance focale pour obtenir la valeur de la distance focale, et la troisième utilise la courbure du front d'onde du faisceau lumineux convergent pour obtenir la valeur de la distance focale.
Dans cette section, nous présenterons les méthodes couramment utilisées pour tester la distance focale des systèmes optiques :

2.1CMéthode Ollimator

Le principe d'utilisation d'un collimateur pour tester la distance focale d'un système optique est le suivant :

Sur la figure, la mire est placée au foyer du collimateur. La hauteur y de la mire et la distance focale f sont indiquées._cLes coordonnées du collimateur sont connues. Une fois le faisceau parallèle émis par le collimateur convergé par le système optique testé et imagé sur le plan image, la distance focale du système optique peut être calculée à partir de la hauteur y' de la mire sur le plan image. La distance focale du système optique testé peut être calculée selon la formule suivante :

2.2 GaussienMméthode
La figure schématique de la méthode gaussienne pour tester la distance focale d'un système optique est présentée ci-dessous :

Sur la figure, les plans principaux avant et arrière du système optique testé sont représentés respectivement par P et P', et la distance entre les deux plans principaux est d_P. Dans cette méthode, la valeur de d_Pest considérée comme connue, ou sa valeur est faible et peut être ignorée. Un objet et un écran récepteur sont placés aux extrémités gauche et droite, et la distance entre eux est notée L, où L doit être supérieure à quatre fois la distance focale du système testé. Le système testé peut être placé dans deux positions, respectivement notées position 1 et position 2. L'objet de gauche est clairement visualisé sur l'écran récepteur. La distance entre ces deux positions (notée D) peut être mesurée. Selon la relation de conjugaison, on obtient :

À ces deux positions, les distances de l'objet sont enregistrées respectivement comme s1 et s2, puis s2 - s1 = D. Grâce à la dérivation de la formule, nous pouvons obtenir la distance focale du système optique comme ci-dessous :

2.3Lensomètre
Le lensomètre est particulièrement adapté aux tests de systèmes optiques à longue focale. Son schéma est le suivant :

Premièrement, la lentille testée n'est pas placée sur le trajet optique. La cible observée à gauche traverse la lentille de collimation et devient une lumière parallèle. Cette lumière parallèle est convergente par une lentille convergente de distance focale f.₂et forme une image nette dans le plan de référence. Une fois le trajet optique calibré, la lentille testée est placée sur le trajet optique, et la distance entre la lentille testée et la lentille convergente est f.₂. Par conséquent, sous l'action de la lentille testée, le faisceau lumineux sera recentré, ce qui entraînera un décalage de la position du plan image, produisant une image nette à la position du nouveau plan image sur le schéma. La distance entre le nouveau plan image et la lentille convergente est notée x. D'après la relation objet-image, la distance focale de la lentille testée peut être déduite comme suit :

Dans la pratique, le lensomètre a été largement utilisé dans la mesure focale supérieure des verres de lunettes et présente les avantages d'un fonctionnement simple et d'une précision fiable.

2.4 AbbéRéfractomètre

Le réfractomètre d'Abbe est une autre méthode permettant de tester la distance focale des systèmes optiques. Son schéma est le suivant :

Placez deux règles de hauteurs différentes du côté de la surface objet de la lentille testée, les plaques graduées 1 et 2. Les hauteurs des plaques graduées correspondantes sont y1 et y2. La distance entre les deux plaques graduées est e, et l'angle entre la ligne supérieure de la règle et l'axe optique est u. La plaque graduée est imagée par la lentille testée avec une distance focale f. Un microscope est installé à l'extrémité de la surface image. En déplaçant le microscope, on obtient les images supérieures des deux plaques graduées. La distance entre le microscope et l'axe optique est alors notée y. D'après la relation objet-image, la distance focale est la suivante :

Déflectométrie moirée 2,5Méthode
La méthode de déflectométrie du moiré utilise deux jeux de réseaux de Ronchi dans des faisceaux lumineux parallèles. Le réseau de Ronchi est un motif en forme de grille, constitué d'un film de chrome métallique déposé sur un substrat de verre, couramment utilisé pour tester les performances des systèmes optiques. Cette méthode exploite la variation des franges de moiré formées par les deux réseaux pour tester la distance focale du système optique. Le schéma de principe est le suivant :

Dans la figure ci-dessus, l'objet observé, après avoir traversé le collimateur, devient un faisceau parallèle. Sur le trajet optique, sans ajout préalable de la lentille testée, le faisceau parallèle traverse deux réseaux d'angle de déplacement θ et d'espacement de réseau d, formant un ensemble de franges de moiré sur le plan image. La lentille testée est ensuite placée sur le trajet optique. La lumière collimatée d'origine, après réfraction par la lentille, produit une certaine distance focale. Le rayon de courbure du faisceau lumineux peut être obtenu à partir de la formule suivante :

Habituellement, la lentille testée est placée très près du premier réseau, de sorte que la valeur R dans la formule ci-dessus correspond à la distance focale de la lentille. L'avantage de cette méthode est qu'elle permet de tester la distance focale des systèmes à focale positive et négative.

2.6 OptiqueFibreAutocollimationMméthode
Le principe de l'autocollimation par fibre optique pour tester la distance focale d'une lentille est illustré dans la figure ci-dessous. La fibre optique émet un faisceau divergent qui traverse la lentille testée puis se dirige vers un miroir plan. Les trois chemins optiques représentés sur la figure représentent respectivement les conditions de la fibre optique au foyer, à l'intérieur du foyer et hors du foyer. En déplaçant la lentille testée d'avant en arrière, on peut déterminer la position de la tête de la fibre au foyer. Le faisceau est alors autocollimé et, après réflexion sur le miroir plan, la majeure partie de l'énergie retourne à la position de la tête de la fibre. La méthode est simple dans son principe et facile à mettre en œuvre.

3.Conclusion

La distance focale est un paramètre important d'un système optique. Cet article détaille le concept de distance focale d'un système optique et ses méthodes de test. À l'aide du schéma, nous expliquons sa définition, notamment les notions de distance focale côté image, de distance focale côté objet et de distance focale avant-arrière. En pratique, il existe de nombreuses méthodes pour tester la distance focale d'un système optique. Cet article présente les principes de test de la méthode du collimateur, de la méthode gaussienne, de la méthode de mesure de la distance focale, de la méthode de mesure de la distance focale d'Abbe, de la méthode de déviation du moiré et de la méthode d'autocollimation par fibre optique. Cet article vous permettra de mieux comprendre les paramètres de la distance focale dans les systèmes optiques.