blízko
Vyberte si svůj web
Globální
Sociální média
Zobrazení: 255 Autor: Editor webu Čas publikování: 21. 5. 2025 Původ: místo
Ohnisková vzdálenost je jedním ze základních parametrů používaných k popisu toho, jak čočka nebo optický systém ohýbá světlo a vytváří obraz. Ovlivňuje optickou mohutnost, zorné pole, zvětšení, polohu obrazu a celkové uspořádání optického systému. V této příručce vysvětlíme, co znamená ohnisková vzdálenost v optice, jak se liší kladná a záporná ohnisková vzdálenost, jak se chovají konvexní a konkávní čočky a jak ohnisková vzdálenost souvisí s EFL, BFL, FFL, pracovní vzdáleností a praktickým designem čoček.
Obsah
Ohnisková vzdálenost popisuje vzdálenost mezi hlavní rovinou optického systému a jeho ohniskem, když jsou přicházející paprsky rovnoběžné s optickou osou. Obvykle se vyjadřuje v milimetrech a udává, jak silně čočka konverguje nebo diverguje světlo.
V praxi je ohnisková vzdálenost jedním z hlavních parametrů používaných k popisu zaostřovacího chování objektivu. Ovlivňuje zorné pole, zvětšení, tvorbu obrazu a fyzické uspořádání optického systému.
Ohnisková vzdálenost přímo souvisí s optickou mohutností čočky. Pro tenkou čočku ve vzduchu lze optickou mohutnost vyjádřit jako P = 1/f, kde P se měří v dioptriích a f je ohnisková vzdálenost v metrech.
Kratší absolutní ohnisková vzdálenost odpovídá větší optické síle, což znamená, že čočka ohýbá světlo silněji. Delší absolutní ohniskové vzdálenosti odpovídá nižší optická mohutnost a slabší lom světla.
Důležitý je také znak ohniskové vzdálenosti. Kladná ohnisková vzdálenost obecně představuje konvergující optický prvek, zatímco záporná ohnisková vzdálenost představuje rozbíhavý optický prvek.
Ohnisková vzdálenost může být kladná nebo záporná v závislosti na tom, jak čočka mění směr přicházejícího světla.
Čočka s kladnou ohniskovou vzdáleností je obecně konvergující čočka. Paralelní paprsky vstupující do čočky jsou přiváděny ke skutečnému ohnisku na opačné straně čočky. Pozitivní ohnisková vzdálenost je běžně spojována s konvexními čočkami používanými pro zaostřování a tvorbu obrazu.
Čočka s negativní ohniskovou vzdáleností je obecně divergující čočka. Namísto toho, aby čočka přivedla paralelní paprsky do skutečného ohniska, způsobí jejich šíření směrem ven. Když jsou tyto rozbíhavé paprsky sledovány dozadu, zdá se, že pocházejí z virtuálního ohniska na stejné straně jako přicházející světlo.
To je důvod, proč záporná ohnisková vzdálenost neznamená, že objektiv nemá žádné ohnisko. To znamená, že jeho ohnisko je spíše virtuální než skutečný konvergenční bod.
Obecně:
Kladná ohnisková vzdálenost indikuje konvergující optickou mohutnost.
Záporná ohnisková vzdálenost označuje divergující optickou mohutnost.
Kratší absolutní ohnisková vzdálenost obecně znamená silnější optický výkon.
Delší absolutní ohnisková vzdálenost obecně znamená slabší optický výkon.
Kladné a záporné ohniskové vzdálenosti jsou často kombinovány ve víceprvkových optických systémech pro řízení zvětšení, velikosti paprsku, aberací, zorného pole a celkové délky systému.
Typ ohniskové vzdálenosti |
Znamení |
Typ objektivu |
Vliv na světelné paprsky |
Případy použití |
Příklad efektů |
|---|---|---|---|---|---|
Pozitivní ohnisková vzdálenost |
Pozitivní |
Konvexní čočky |
Konverguje světelné paprsky |
Zvětšování objektů, detailní záběry |
Spojuje světelné paprsky do jednoho bodu, což je užitečné pro detailní záběry zblízka |
Záporná ohnisková vzdálenost |
Negativní |
Konkávní čočky |
Rozchází světelné paprsky |
Širokoúhlé výhledy, krajiny |
Šíří světelné paprsky od sebe, vytváří širokoúhlé efekty |
Vztah mezi tvarem čočky a ohniskovou vzdáleností je základem optického designu.
Konvexní čočka je silnější blízko středu než na okrajích. Ve vzduchu typická konvexní čočka konverguje paralelní světelné paprsky, a proto má kladnou ohniskovou vzdálenost. Mezi běžné příklady patří bikonvexní, plankonvexní čočky a čočky s pozitivním meniskem.
Konvexní čočky jsou široce používány, když optický systém potřebuje zaostřit světlo, vytvořit skutečný obraz, kolimovat rozbíhavý paprsek nebo ovládat zvětšení.
Konkávní čočka je tenčí blízko středu než na okrajích. Typická konkávní čočka ve vzduchu šíří paralelní světelné paprsky, a proto má zápornou ohniskovou vzdálenost. Mezi běžné konstrukce patří bikonkávní, plankonkávní a negativní meniskusové čočky.
Konkávní čočky se často používají pro expanzi paprsku, nastavení ohniskové vzdálenosti, korekci aberace a optimalizaci optického systému.
Typ objektivu |
Typická ohnisková vzdálenost |
Světelné chování |
Společné funkce |
|---|---|---|---|
Konvexní čočka |
Pozitivní |
Konverguje světlo |
Zaostřování, zobrazování, kolimace |
Konkávní čočka |
Negativní |
Rozchází světlo |
Rozšíření paprsku, korekce, nastavení systému |
Ve složitých optických sestavách inženýři často kombinují pozitivní a negativní čočky, než aby se spoléhali na jedinou čočku. To umožňuje dosáhnout požadované efektivní ohniskové vzdálenosti a zároveň ovládat chromatickou aberaci, sférickou aberaci, zkreslení, zakřivení pole a mechanické rozměry.
Ohnisková vzdálenost je jedním z nejdůležitějších parametrů v konstrukci optických čoček, protože pomáhá určit, jak silně čočka ohýbá světlo a jak optický systém vytváří obraz.
Inženýři při navrhování optického systému vyhodnocují ohniskovou vzdálenost spolu s clonou, indexem lomu, zakřivením čočky, velikostí snímače, vzdáleností objektu, vzdáleností obrazu a mechanickými rozměry.
V zobrazovacích systémech ohnisková vzdálenost silně ovlivňuje zorné pole a měřítko obrazu. Pro danou velikost snímače kratší ohnisková vzdálenost obecně poskytuje širší zorné pole, zatímco delší ohnisková vzdálenost vytváří užší zorné pole a větší měřítko obrazu. Jako praktický širokoúhlý příklad používá výzkumná meteorologická stanice NIST Objektiv rybího oka s ohniskovou vzdáleností 1,4 mm a zorným polem 185° × 185° , který umožňuje zobrazení celého horizontu až po horizont.
Tento vztah je důležitý ve strojovém vidění, kamerách, mikroskopii, inspekčních systémech a dalších zobrazovacích aplikacích, kde musí optický systém zachytit konkrétní oblast objektu.
Ohnisková vzdálenost také ovlivňuje zvětšení spolu se vzdáleností objektu a obrazu. Inženýři používají tyto vztahy k určení požadované konfigurace objektivu pro konkrétní zorné pole, velikost snímače a pracovní vzdálenost.
V reálných optických systémech ovlivňuje ohnisková vzdálenost také mechanické uspořádání čoček, detektorů, senzorů, filtrů a dalších součástí.
To je důvod, proč nelze ohniskovou vzdálenost vždy považovat za samostatnou specifikaci. Efektivní ohnisková vzdálenost, zadní ohnisková vzdálenost, přední ohnisková vzdálenost, pracovní vzdálenost, clona, rozlišení a požadavky na aberaci by měly být také vyhodnoceny během návrhu optického systému. Například NASA uvádí vesmírný teleskop Jamese Webba s Ohnisková vzdálenost 131,4 m, optické rozlišení přibližně 0,1 úhlové sekundy a pokrytí vlnovou délkou 0,6–28,5 μm , což ilustruje, jak je specifikována ohnisková vzdálenost spolu s dalšími optickými parametry na systémové úrovni.
Měření ohniskové vzdálenosti může být jednoduché se správnými nástroji. Pro tenké čočky používáme základní vzorec. Vzorec je ( rac{1}{f} = rac{1}{u} + rac{1}{v} ). Zde je ( f ) ohnisková vzdálenost, ( u ) je vzdálenost od čočky k objektu a ( v ) je vzdálenost od čočky k obrazu. Pokud máte vzdálený objekt, ( u ) je téměř nekonečné, takže ( rac{1}{u} ) se blíží nule. Tím se ( f ) zhruba rovná ( v ).
Ohnisková vzdálenost přímo souvisí s optickou mohutností čočky.
Pro tenkou čočku ve vzduchu:
P = 1/f
kde:
P = optická mohutnost v dioptriích
f = ohnisková vzdálenost v metrech
Čočka s kratší ohniskovou vzdáleností má větší optickou mohutnost, protože silněji ohýbá světlo. Objektiv s delší ohniskovou vzdáleností má nižší optickou mohutnost. Například čočka s ohniskovou vzdáleností +100 mm má optickou mohutnost přibližně +10 dioptrií, zatímco čočka s ohniskovou vzdáleností -100 mm má optickou mohutnost přibližně -10 dioptrií.
Znak optické mohutnosti následuje po znaménku ohniskové vzdálenosti:
Kladná optická mohutnost → konvergující čočka
Záporná optická mohutnost → divergující čočka
Při práci se skutečnými optickými součástmi může ohnisková vzdálenost odkazovat na několik souvisejících, ale odlišných měření. Efektivní ohnisková vzdálenost, zadní ohnisková vzdálenost a přední ohnisková vzdálenost jsou zvláště důležité při návrhu optického systému.
Efektivní ohnisková vzdálenost neboli EFL popisuje ohniskovou vzdálenost kompletního optického systému vzhledem k jeho hlavním rovinám.
EFL představuje celkovou optickou mohutnost čočky nebo víceprvkové sestavy a silně ovlivňuje zvětšení obrazu, úhlové zorné pole a chování systému při zaostřování.
U jednoduchých tenkých čoček se EFL může jevit blízko fyzické vzdálenosti mezi čočkou a ohniskem. U tlustých čoček a víceprvkových systémů však mohou být hlavní roviny umístěny daleko od fyzických povrchů čoček.
Back Focal Length neboli BFL je vzdálenost od zadního povrchu optického prvku nebo sestavy k zadnímu ohnisku.
BFL je zvláště důležitý pro mechanickou integraci, protože určuje, kolik fyzického prostoru je k dispozici za objektivem pro komponenty, jako jsou obrazové snímače, detektory, filtry, okna a montážní konstrukce.
Dva optické systémy mohou mít stejné EFL, ale různé hodnoty BFL, protože jejich vnitřní struktury a pozice hlavní roviny jsou různé.
Přední ohnisková vzdálenost neboli FFL je vzdálenost od předního optického povrchu k přednímu ohnisku.
Stejně jako BFL se FFL může výrazně lišit od EFL v tlustých čočkách a víceprvkových optických systémech, protože hlavní roviny se nemusí nutně shodovat s fyzickými povrchy čočky.
Jednoduše řečeno:
EFL popisuje chování optického zaostřování systému.
BFL popisuje fyzickou vzdálenost od zadního optického povrchu k zadnímu ohnisku.
Měření ohniskové vzdálenosti konvexních čoček je docela jednoduché. Můžete použít vzdálený zdroj světla a obrazovku. Umístěte objektiv mezi ně a pohybujte objektivem, dokud se na obrazovce nevytvoří ostrý obraz. Vzdálenost od objektivu k obrazovce je zhruba ohnisková vzdálenost. U konkávních čoček je to trochu složitější. Vzhledem k tomu, že konkávní čočky rozptylují světlo, musíte sledovat světelné paprsky dozadu, abyste našli ohnisko. Můžete použít laser a pozorovat, jak moc se světlo šíří po průchodu čočkou. Sledováním světelných paprsků dozadu můžete najít ohnisko. Tato metoda vyžaduje trochu větší přesnost, ale funguje dobře pro měření divergujících čoček. Pro přesnou optickou metrologii mohou pokročilejší metody dosáhnout mnohem vyšší přesnosti. Recenzovaná studie aplikované optiky využívající měření laserového odrazu a konfokální ohniskové vzdálenosti uvádí relativní rozšířenou nejistotu méně než 0,0015 %.
Pochopení těchto metod vám pomůže vybrat tu správnou čočku pro vaše potřeby. Ať už stavíte dalekohled nebo jste jen zvědaví, jak fungují čočky, znalost měření ohniskové vzdálenosti je cenná dovednost.
Výběr správné ohniskové vzdálenosti je jako výběr správného nástroje pro danou práci. Různé typy fotografií vyžadují různé objektivy.
Pro krajinu jsou vaším nejlepším přítelem širokoúhlé objektivy. Tyto objektivy s ohniskovou vzdáleností pod 35 mm vám umožní zachytit obrovské záběry scenes. Navíc dodává pocit hloubky, takže vaše fotografie budou více pohlcující.
Pokud jde o portréty, chcete svému objektu lichotit. Ideální jsou objektivy kolem 50 mm až 85 mm. Tyto ohniskové vzdálenosti poskytují přirozenou perspektivu, takže tváře vypadají tak akorát. 50mm objektiv je skvělý pro snímky celého těla, zatímco 85mm objektiv je ideální pro záběry zblízka. Tyto čočky se vyvarují zkreslení, ke kterému dochází u širokoúhlých čoček, takže váš objekt vypadá co nejlépe.
Fotografové divokých zvířat a sportů potřebují teleobjektivy. Tyto objektivy s ohniskovou vzdáleností přes 200 mm vám umožní přiblížit se k akci, aniž byste ji rušili. Představte si, že se snažíte vyfotografovat ptáka na stromě nebo hráče na vzdáleném hřišti. Teleobjektiv je přenese přímo do vašeho záběru. Tyto čočky jsou nezbytné pro zachycení detailů na dálku.
Fotografové architektury a nemovitostí často používají ultraširokoúhlé objektivy. Objektivy pod 24 mm mohou zachytit celé budovy nebo interiéry na jeden snímek. To je ideální pro předvádění prostorných místností nebo vysokých budov. Nezapomeňte držet fotoaparát ve vodorovné poloze, aby nedošlo ke zkreslení.
Ohnisková vzdálenost není jen o zachycení scény, ale také o vyprávění příběhu a vytváření nálady.
Širokoúhlé objektivy můžete použít k zobrazení rozlehlosti scény, takže váš divák bude mít pocit, že je přímo tam. Na druhou stranu, teleobjektivy dokážou izolovat objekt a udělat z něj hvězdu fotografie. Výběrem správné ohniskové vzdálenosti vedete oko svého diváka a svým obrazem vyprávíte příběh.
Použijte širokoúhlý objektiv k vytvoření pocitu hloubky nebo ke zdůraznění objektu v popředí. Pomocí teleobjektivu můžete komprimovat scénu, takže pozadí bude vypadat blíže. To může vytvořit dramatický efekt, zejména u krajin nebo portrétů. Experimentujte s různými ohniskovými vzdálenostmi, abyste viděli, jaké jedinečné efekty můžete vytvořit.
Výběr správné ohniskové vzdálenosti zahrnuje více než výběr jediné číselné hodnoty. Ohnisková vzdálenost musí odpovídat úplným optickým a mechanickým požadavkům aplikace.
Inženýři obvykle vyhodnocují několik parametrů společně:
Požadované zorné pole
Velikost objektu
Velikost senzoru nebo detektoru
Pracovní vzdálenost
Zvětšení
Požadavky na rozlišení
Clona a numerická apertura
K dispozici mechanický prostor
Rozsah vlnových délek
Požadavky na aberaci
Pro zobrazovací aplikace poskytují kratší ohniskové vzdálenosti obecně širší zorné pole, zatímco delší ohniskové vzdálenosti poskytují užší zorné pole a větší měřítko obrazu, když ostatní podmínky zůstávají srovnatelné. Efektivní ohnisková vzdálenost 20 mm s plným zorným polem 30°, clonou F/4 a pracovním spektrem 480–660 nm , což ukazuje, proč se ohnisková vzdálenost vyhodnocuje společně se zorným polem, clonou a rozsahem vlnových délek.
U aplikací s laserem a řízením paprsku ovlivňuje ohnisková vzdálenost také velikost zaostřeného bodu, konvergenci nebo divergenci paprsku a fyzické uspořádání optické dráhy.
U náročných optických systémů by proto měla být ohnisková vzdálenost považována za součást kompletního optického návrhu spíše než za izolovanou specifikaci.
A: Ohnisková vzdálenost měří vzdálenost mezi optickým středem objektivu a snímačem fotoaparátu a ovlivňuje, jak velká část scény je zachycena a jak se objekty objevují na fotografiích. Udává, jak silně čočka konverguje nebo diverguje světlo.
Odpověď: Ohnisková vzdálenost ovlivňuje úhel záběru: kratší ohniskové vzdálenosti (širokoúhlé objektivy) poskytují širší úhel záběru a zachycují větší část scény, zatímco delší ohniskové vzdálenosti (teleobjektivy) nabízejí užší úhel a zaostřují na konkrétní objekty.
Odpověď: Širokoúhlé objektivy s krátkou ohniskovou vzdáleností pod 35 mm jsou skvělé pro krajiny a architekturu. Zachycují široké scény, dodávají pocit hloubky a jsou ideální pro stísněné prostory. Mohou však způsobit zkreslení kolem okrajů.
Odpověď: Kladné ohniskové vzdálenosti jsou spojeny s konvergujícími čočkami (jako jsou konvexní čočky) a indikují, že světelné paprsky jsou přiváděny do ohniska. Záporné ohniskové vzdálenosti jsou spojeny s rozbíhavými čočkami (jako jsou konkávní čočky) a ukazují, že se světelné paprsky šíří.
A: Ohnisková vzdálenost ovlivňuje velikost objektu: krátké ohniskové vzdálenosti způsobí, že objekty vypadají menší, protože je zachycena větší část scény, zatímco dlouhé ohniskové vzdálenosti objekty zvětšují, takže se v záběru zdají větší a výraznější.
Odpověď: Použijte širokoúhlé objektivy pro zobrazení rozlehlých krajin a přidání hloubky nebo teleobjektivy pro izolaci objektů a vytvoření dramatických kompresních efektů. Experimentujte s různými ohniskovými vzdálenostmi, abyste vedli oko diváka a vyprávěli příběh prostřednictvím vašich fotografií.
Pochopení ohniskové vzdálenosti je zásadní pro výběr a návrh optických systémů. Od kladné a záporné ohniskové vzdálenosti až po optickou mohutnost, EFL, BFL, FFL a pracovní vzdálenost, každý parametr ovlivňuje, jak je řízeno světlo a jak funguje optický systém.
Ať už aplikace zahrnuje zobrazování, strojové vidění, laserovou optiku, mikroskopii nebo přesné měření, ohnisková vzdálenost by měla být vyhodnocena společně se zorným polem, zvětšením, velikostí senzoru, požadavky na aberace a mechanickými omezeními.
Band Optics Co., Ltd. poskytuje přesné optické komponenty a zákaznická optická řešení pro širokou škálu průmyslových a optických aplikací. Výběr vhodné geometrie objektivu a ohniskové vzdálenosti může inženýrům pomoci dosáhnout požadovaného optického výkonu a zároveň splnit praktické požadavky na návrh systému.
