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标题: 焦距仪 [打印本页]

作者: chiangshu 时间: 2005-3-2 16:05
标题: 焦距仪
课程大纲概述

在这个课程我们所要谈论的是有关镜头或镜片的焦距量测。有关焦距检测仪器的量测原理不尽相同，有些是利用角度放大倍率或成像放大倍率，来反推算求得其焦距值。而在这里，我们仅介绍一种利用镜片的节点特性来进行焦距量测的仪器，也就是Nodal Slide Bench焦距量测仪。

第一章：何谓Nodal Slide Bench

我们以工研院光电所的这台Nodal Slide Bench有效焦距量测仪来做导览。白色管子的部分是准直仪，是可以发射出平行光的光学系统。中间这个环状物是光学组件夹持环，用来夹持待测镜头。在准直仪的另一端可以放置标靶，在标靶的放大图中，会看到许多横纹和直纹的方格样式，这些指针经过光的投射，经由待测镜片之后成像，观测者可以利用仪器中所配置的显微镜来观察成像的情况。此外，位于光学组件挟持环的下方有一个旋转承载台，可以带动光学组件挟持环进行左右旋转的动作，让测试者能够转动镜片，并且经由显微镜观察成像位置的左右偏摆情况。显微镜置于光学平台上，此光学平台附有光学尺，当显微镜在光学平台上移动时，光学尺可以显示出移动的距离位置。光学尺的功用是用来显示显微镜移动位置，可辅助作为纪录成像位置用。那么，有效焦距量测仪要怎么使用呢？其操作方法与程序，我们会在后面的课程详述。

第二章：Nodal Slide Bench的应用原理

量测相关的光学基础名词

在进行有效焦距量测之前，我们必须对有效焦距的相关名词有所了解。在镜头检测的光学基础课程当中曾介绍过六个基本点和焦距的定义。我们在此稍微复习一下：焦点是指平行光入射经过镜头或镜片的时候，光线聚集所形成的光点。光由镜片的前方入射通过镜片之后，光线聚集所形成的光点称之为后焦点。反之，光由镜片的后方入射通过镜片，光线聚集所形成的光点称为前焦点；前/后焦点分别如图中的f1和f2所示；由平行入射光线的延长线与出射光线的延长线所交会的点称之为主点，当然也有前主点与后主点之分，分别为P1与P2。要特别注意的是主点p1和p2，因为它们是光延长线所交会的点，所以它们的位置是虚拟的点；而我们要测量的有效焦距，就是从焦点到主点的距离。若镜片或镜头于使用时，有一半置于空气中，而另一半置于水中，那么它的前有效焦距就不等于后有效焦距。反之，若整个镜头或镜片于使用时是整个置放于空气中，那么，它的前/后有效焦距相等，也就是我们所要测的有效焦距。另一个需要了解的是节点，当入射光和出射光的夹角相同时，就表示光线经过节点N1和N2。当整个镜头或镜片是放在空气中的时候，那么它的节点位置与主点位置重合。这也就是说：找到节点的位置就等于找到主点的位置。当我们找到焦点的位置与主点的位置，就可以知道有效焦距了。 Nodal Slide Bench的应用原理什么是Nodal Slide Bench? Nodal Slide Bench翻译成中文就是“节点滑动平台”，是用来进行镜头或镜片的有效焦距量测的设备。 Nodal Slide Bench焦距量测仪的应用原理是利用节点特性来进行有效焦距量测。也就是光通过节点(Nodal Point)之后，光的出射角与入射角度会相同的特性，在这样的状态之下，待测镜头或镜片绕着第二节点旋转，其成像位置不会改变。有一个观念必须牢记，对于空气中的光学系统，其节点与主点是重合的。所以，在此情况下，找出节点位置就等于找到主点位置。

那么要如何找出节点呢？首先，转动镜片，成像位置将会随着镜片旋转而左右移动。然后，逐步往前或往后移动镜片，并反复轻微旋转这个镜片，观看平行光通过镜片后，光点成像位置是否随着镜片旋转而改变。重复这个步骤，直到找到光点成像位置不变为止，此时第二节点位置会与镜片旋转中心重合。找出节点后，我们便可以进行有效焦距 (EFL)和后焦距 (BFL)的量测了。

第三章：Nodal Slide Bench的实际应用

3-1 EFL量测

现在我们来介绍如何量测有效焦距。第一个步骤，将玻璃标准平板放在旋转承载台上，接着移动显微镜，直到可以清晰看到在玻璃标准平板表面上图纹的成像位置，然后轻轻地左右旋转玻璃标准平板，此时玻璃标准平板的成像位置将随着玻璃标准平板的左右旋转而左右移动。沿着光轴方向，逐步往前或逐步往后移动置放标准平板的旋转平台，并且轻微旋转标准平板，反复操作此步骤，直到所观察的成像位置不动为止，此时表示光线是通过标准平板的节点。再次调整显微镜，使标准平板成像最清楚，此时尺标位置在N，然后将光学尺做归零的动作。之后，取出玻璃标准平板，将标靶放置在准直仪尾端，此标靶所放置的地方为准直仪的焦点位置。再将待测镜头或镜片摆入，同样的，也是沿着光轴前后移动并左右旋转镜头或镜片，直到成像不动为止，再次调整显微镜，使成像最清楚，此时尺标位置在 f ，最后我们将光学尺的读值记录下来，所得到的就是有效焦距量测值。这个值相当于位置纪录值：f-N。

3-2 BFL量测

现在我们来看后焦距的量测。后焦距的定义是焦点到镜片的后顶点的距离。在这台仪器中，显微镜内有一个光源和一个十字标，之前我们已经量测了有效焦距，现在将显微镜往前移动，直到看到十字标经由镜面顶点反射回来之清楚成像，此时光学尺所显示的值为顶点的位置量测值(B)。还记得光学尺归零的位置是在镜片的节点位置(N)吗？也就是：此时的光学尺纪录值(B) 为镜片之后面顶点位置(B)与节点(N) 之间的距离。在此提醒各位--当镜片或镜头完全放置在空气中的时候，它的节点位置与主点位置相同。所以，将有效焦距量测值(EFL)减去顶点量测位置纪录值(B)就可以得到后焦距(BFL)了。

3-3 Nodal Slide Bench 之焦距量测考量

如前面所述，有效焦距的量测是要找到焦点和主点的位置。在这张图中，我们可以了解不同镜片形状所拥有的焦点位置与主点位置的差异性。以凸透镜和凹透镜来看，两者的前焦点和后焦点的位置恰好相反，一个在镜片前，一个在镜片后。从图上我们也可以归纳出：无论是凸透镜或是凹透镜，只要透镜两面对称，它们的主点都会落在镜片内；如果是平凸透镜或平凹透镜，一个主点会落在镜片内，另一个主点会落在镜片曲面上；至于双月型的的透镜，一个主点在镜片内，另一个主点则会在镜片之外。如果主点落在外面，我们必须考虑是否要增加一个延长用的夹持具，以辅助找到镜片的主点。特别是对于后焦距远大于有效焦距的长后焦镜头而言，必须有延长用的夹持具，方能使位于镜头外的主点位置落于旋转承载台的机械旋转轴中心位置上。

3-4 Nodal Slide Bench 之负焦距量测考量

接下来，我们要讨论Nodal Slide Nench有效焦距量测仪是否可以量测负透镜的有效焦距？在这里，我们要先对凹透镜做一个简单的介绍。凹透镜又称为负透镜，其原因是：平行光通过凹透镜之后，光线会发散、不会聚焦。如果沿着发散光线画一延长线，那么此发散光线的延长线与光轴相交会的位置称为凹透镜的焦点，这个焦点实际上是一个虚拟的聚光点，代表发散光由此点发出。由于它的聚焦位置与出射光线不在镜片的同一边，所以它的焦距值为负值。反之，如图3所示的凸透镜，焦点为实际的光汇聚点，出射光与焦点位置在镜片的同一边，所以又称为正透镜。一般而言，由于负透镜的焦点为虚拟的点，看不到负透镜的真正聚光点位置，所以，负焦距的量测必需搭配正透镜，然后利用图中的公式去做计算，图中的公式，是在空气中，两片镜片或两颗镜头组合的有效焦距计算公式，EFL分之一要等于EFL1分之一加EFL2分之一扣掉T乘上EFL1分之一乘上EFL2分之一，其中EFL1是指负透镜的有效焦距，EFL2是指正透镜的有效焦距，EFL则是指这两片镜片或两颗镜头组合之后的有效焦距，T是指两个镜片之间的距离，是两个镜片之间主点跟主点之间的距离，对于两个镜头的组合而言，他也是指两个镜头之间的主点跟与主点之间的距离。由于两个镜片的位置和材质都会对有效焦距量测产生影响，因此它的组合必须经过光学设计及精准的镜片位置组合，预先测知正透镜的焦距值与两个镜片主点间的距离，并且固定负透镜的置放位置，方能推算出负透镜的负焦距直。除非量产，否则并不合乎经济效益。严格说起来，有效焦距量测在负透镜的应用并不普遍，也仍是个问题。

3-5 焦距量测结果

从这个表格我们可以看到设计值和量测值的差异。影响量测准确度的原因有下列几项，比方说景深、焦深、像差和色差，这些都会导致成像不清楚，一旦成像不清楚，量测出来的结果就会有误差，所以说，要看量测的误差值有多大，关键就在于镜头或镜片品质的好坏。此外，夹持镜片或镜头的倾斜量也会影量测的准确度。而加入滤波片，可以测量不同波长的焦距值。

作者: puxinghai 时间: 2005-5-1 00:36