Polttoväli optiikassa: määritelmä, kaava, positiivinen vs negatiivinen polttoväli

Polttoväli on yksi perusparametreista, joita käytetään kuvaamaan, kuinka linssi tai optinen järjestelmä taivuttaa valoa ja muodostaa kuvan. Se vaikuttaa optiseen tehoon, näkökenttään, suurennukseen, kuvan sijaintiin ja optisen järjestelmän yleiseen asetteluun. Tässä oppaassa selitämme, mitä polttoväli tarkoittaa optiikassa, miten positiiviset ja negatiiviset polttovälit eroavat toisistaan, miten kuperat ja koverat linssit käyttäytyvät ja miten polttoväli liittyy EFL:ään, BFL:ään, FFL:ään, työetäisyyteen ja käytännölliseen linssisuunnitteluun.

Mikä on polttoväli?

Määritelmä

Polttoväli kuvaa optisen järjestelmän päätason ja sen polttopisteen välistä etäisyyttä, kun tulevat säteet ovat yhdensuuntaisia ​​optisen akselin kanssa. Se ilmaistaan ​​yleensä millimetreinä ja osoittaa, kuinka voimakkaasti linssi konvergoi tai hajottaa valoa.

Käytännössä polttoväli on yksi tärkeimmistä parametreista, joita käytetään kuvaamaan objektiivin tarkennuskäyttäytymistä. Se vaikuttaa näkökenttään, suurennukseen, kuvan muodostukseen ja optisen järjestelmän fyysiseen asetteluun.

Tekninen selitys

Polttoväli on suoraan verrannollinen linssin optiseen tehoon. Ohuelle linssille ilmassa optinen teho voidaan ilmaista muodossa P = 1/f, jossa P mitataan dioptrioissa ja f on polttoväli metreinä.

Lyhyempi absoluuttinen polttoväli vastaa suurempaa optista tehoa, mikä tarkoittaa, että linssi taivuttaa valoa voimakkaammin. Pidempi absoluuttinen polttoväli vastaa pienempää optista tehoa ja heikompaa taittumista.

Polttovälin merkki on myös tärkeä. Positiivinen polttoväli edustaa yleensä suppenevaa optista elementtiä, kun taas negatiivinen polttoväli edustaa hajaantuvaa optista elementtiä.

Positiivinen vs. negatiivinen polttoväli

Polttoväli voi olla joko positiivinen tai negatiivinen riippuen siitä, kuinka linssi muuttaa tulevan valon suuntaa.

Linssi, jolla on positiivinen polttoväli, on yleensä suppeneva linssi. Linssiin tulevat rinnakkaiset säteet tuodaan kohti todellista polttopistettä linssin vastakkaisella puolella. Positiivinen polttoväli yhdistetään yleensä kupereihin linsseihin, joita käytetään tarkentamiseen ja kuvanmuodostukseen.

Linssi, jonka polttoväli on negatiivinen, on yleensä hajoava linssi. Sen sijaan, että linssi tuottaisi rinnakkaiset säteet todelliseen tarkennukseen, se saa ne leviämään ulospäin. Kun näitä eriäviä säteitä jäljitetään taaksepäin, ne näyttävät olevan peräisin virtuaalisesta polttopisteestä samalla puolella kuin tuleva valo.

Tästä syystä negatiivinen polttoväli ei tarkoita, että objektiivilla ei ole tarkennusta. Se tarkoittaa, että sen keskipiste on virtuaalinen eikä todellinen konvergenssipiste.

Yleensä:

• Positiivinen polttoväli osoittaa konvergoivan optisen tehon.

• Negatiivinen polttoväli tarkoittaa poikkeavaa optista tehoa.

• Lyhyempi absoluuttinen polttoväli tarkoittaa yleensä vahvempaa optista tehoa.

• Pidempi absoluuttinen polttoväli tarkoittaa yleensä heikompaa optista tehoa.

Positiivisia ja negatiivisia polttoväliä yhdistetään usein monielementtioptisissa järjestelmissä suurennuksen, säteen koon, poikkeamien, näkökentän ja järjestelmän kokonaispituuden ohjaamiseksi.

Kupera vs. kovera linssi ja polttoväli

Linssin muodon ja polttovälin välinen suhde on optisen suunnittelun perusta.

Kupera linssi on paksumpi lähellä keskustaa kuin reunoista. Ilmassa tyypillinen kupera linssi konvergoi yhdensuuntaisia ​​valonsäteitä ja siksi sillä on positiivinen polttoväli. Yleisiä esimerkkejä ovat kaksoiskuperat, tasokuperat ja positiiviset menisk-linssit.

Kuperia linssejä käytetään laajalti, kun optisen järjestelmän täytyy tarkentaa valoa, muodostaa todellinen kuva, kollimoida hajaantuva säde tai ohjata suurennusta.

Kovera linssi on ohuempi lähellä keskustaa kuin reunoilla. Tyypillinen kovera linssi ilmassa levittää yhdensuuntaisia ​​valonsäteitä ja siksi sillä on negatiivinen polttoväli. Yleisiä malleja ovat kaksoiskoverat, tasokoverat ja negatiiviset menisk-linssit.

Koveria linssejä käytetään usein säteen laajentamiseen, polttovälin säätöön, poikkeaman korjaukseen ja optisen järjestelmän optimointiin.

Monimutkaisissa optisissa kokoonpanoissa insinöörit yhdistävät usein positiiviset ja negatiiviset linssit sen sijaan, että luottaisivat yhteen linssiin. Tämä mahdollistaa vaaditun tehokkaan polttovälin saavuttamisen ja samalla hallitsee kromaattista aberraatiota, pallopoikkeamaa, vääristymiä, kentän kaarevuutta ja mekaanisia mittoja.

Kuinka polttoväli vaikuttaa optisten linssien suunnitteluun

Polttoväli on yksi tärkeimmistä parametreista optisten linssien suunnittelussa, koska se auttaa määrittämään, kuinka voimakkaasti linssi taivuttaa valoa ja miten optinen järjestelmä muodostaa kuvan.

Insinöörit arvioivat polttovälin yhdessä aukon, taitekertoimen, linssin kaarevuuden, anturin koon, kohteen etäisyyden, kuvan etäisyyden ja mekaanisten mittojen kanssa optista järjestelmää suunniteltaessa.

Näkökenttä ja kuvan asteikko

Kuvausjärjestelmissä polttoväli vaikuttaa voimakkaasti näkökenttään ja kuvan mittakaavaan. Tietylle anturikoolle lyhyempi polttoväli tarjoaa yleensä laajemman näkökentän, kun taas pidempi polttoväli tuottaa kapeamman näkökentän ja suuremman kuvaskaalan. Käytännöllisenä laajakulmaisena esimerkkinä NIST-tutkimuksen sääaseman kamera käyttää 1,4 mm:n polttovälin kalansilmäobjektiivi 185° × 185° näkökentällä mahdollistaa täyden horisontista horisonttiin kuvantamisen.

Tämä suhde on tärkeä konenäössä, kameroissa, mikroskopiassa, tarkastusjärjestelmissä ja muissa kuvantamissovelluksissa, joissa optisen järjestelmän on kaapattava tietty kohdealue.

Suurennus ja kuvanmuodostus

Polttoväli vaikuttaa myös suurennukseen sekä kohteen ja kuvan etäisyyksiin. Insinöörit käyttävät näitä suhteita määrittämään vaaditun linssikokoonpanon tietylle näköalalle, anturin koolle ja työskentelyetäisyydelle.

Optisen järjestelmän asettelu

Todellisissa optisissa järjestelmissä polttoväli vaikuttaa myös linssien, ilmaisimien, antureiden, suodattimien ja muiden komponenttien mekaaniseen järjestelyyn.

Tästä syystä polttoväliä ei aina voida pitää erillisenä määrityksenä. Tehokas polttoväli, takapolttoväli, etupolttoväli, työskentelyetäisyys, aukko, resoluutio ja aberraatiovaatimukset tulee myös arvioida optisen järjestelmän suunnittelussa. Esimerkiksi NASA listaa James Webb -avaruusteleskoopin, jossa on 131,4 m polttoväli, noin 0,1 kaarisekunnin optinen resoluutio ja 0,6–28,5 μm aallonpituuden peitto , jotka havainnollistavat polttovälin määrittämistä muiden järjestelmätason optisten parametrien kanssa.

Polttovälin mittaaminen ja laskeminen

Ohuen linssin likiarvo

Polttovälin mittaaminen voi olla helppoa oikeilla työkaluilla. Ohuille linsseille käytämme peruskaavaa. Kaava on ( rac{1}{f} = rac{1}{u} + rac{1}{v} ). Tässä (f) on polttoväli, (u) on etäisyys linssistä kohteeseen ja (v) on etäisyys linssistä kuvaan. Jos sinulla on kaukana oleva objekti, ( u ) on melkein ääretön, joten ( rac{1}{u} ) on lähellä nollaa. Tämä tekee (f) suunnilleen yhtä suureksi kuin (v).

Polttoväli ja optinen teho

Polttoväli on suoraan verrannollinen linssin optiseen tehoon.

Ohut linssi ilmassa:

P = 1/f

jossa:

P = optinen teho dioptereina
f = polttoväli metreinä

Linssillä, jonka polttoväli on lyhyempi, on suurempi optinen teho, koska se taivuttaa valoa voimakkaammin. Pidemmällä polttovälillä varustetun objektiivin optinen teho on pienempi. Esimerkiksi +100 mm:n polttoväliobjektiivin optinen teho on noin +10 dioptria, kun taas -100 mm:n polttovälin objektiivin optinen teho on noin -10 dioptria.

Optisen tehon merkki seuraa polttovälin merkkiä:

Positiivinen optinen teho → suppeneva linssi
Negatiivinen optinen teho → hajaantuva linssi

EFL, BFL ja FFL: Mikä on ero?

Kun työskentelet todellisten optisten komponenttien kanssa, polttoväli voi viitata useisiin toisiinsa liittyviin mutta erilaisiin mittauksiin. Tehokas polttoväli, takapolttoväli ja etupolttoväli ovat erityisen tärkeitä optisen järjestelmän suunnittelussa.

Tehokas polttoväli (EFL)

Efektiivinen polttoväli eli EFL kuvaa koko optisen järjestelmän polttoväliä suhteessa sen päätasoihin.

EFL edustaa objektiivin tai monielementtikokoonpanon yleistä optista tehoa ja vaikuttaa voimakkaasti kuvan suurennukseen, näkökulmaan ja järjestelmän tarkennuskäyttäytymiseen.

Yksinkertaisessa ohuessa linssissä EFL voi näyttää lähellä linssin ja polttopisteen välistä fyysistä etäisyyttä. Paksuissa linsseissä ja monielementtijärjestelmissä päätasot voivat kuitenkin sijaita kaukana fyysisistä linssin pinnoista.

Takan polttoväli (BFL)

Back Focal Length eli BFL on etäisyys optisen elementin tai kokoonpanon takapinnasta takapolttopisteeseen.

BFL on erityisen tärkeä mekaanisessa integroinnissa, koska se määrittää, kuinka paljon fyysistä tilaa objektiivin takana on käytettävissä komponenteille, kuten kuvaantureille, ilmaisimille, suodattimille, ikkunoille ja asennusrakenteille.

Kahdella optisella järjestelmällä voi olla sama EFL, mutta eri BFL-arvot, koska niiden sisäiset rakenteet ja päätason sijainnit ovat erilaisia.

Etupolttoväli (FFL)

Front Focal Length eli FFL on etäisyys optisesta etupinnasta etupolttopisteeseen.

Kuten BFL, FFL voi erota merkittävästi EFL:stä paksuissa linsseissä ja monielementtioptisissa järjestelmissä, koska päätasot eivät välttämättä täsmää linssin fyysisten pintojen kanssa.

Yksinkertaisesti sanottuna:

EFL kuvaa järjestelmän optista tarkennuskäyttäytymistä.

BFL kuvaa fyysistä etäisyyttä optisesta takapinnasta takapolttopisteeseen.

Käytännön mittaustekniikat

Kuperoiden linssien polttovälin mittaaminen on melko yksinkertaista. Voit käyttää etäällä olevaa valonlähdettä ja näyttöä. Aseta linssi niiden väliin ja liikuta linssiä, kunnes näytölle muodostuu terävä kuva. Linssin ja näytön välinen etäisyys on suunnilleen polttoväli. Koverille linsseille se on hieman hankalampaa. Koska koverat linssit hajottavat valoa, sinun on jäljitettävä valonsäteet taaksepäin polttopisteen löytämiseksi. Voit käyttää laseria ja tarkkailla, kuinka paljon valo leviää linssin läpi kulkemisen jälkeen. Seuraamalla valonsäteitä taaksepäin löydät polttopisteen. Tämä menetelmä vaatii hieman enemmän tarkkuutta, mutta toimii hyvin poikkeavien linssien mittaamiseen. Tarkkaa optista metrologiaa varten edistyneemmillä menetelmillä voidaan saavuttaa paljon suurempi tarkkuus. Vertaisarvioitu Applied Optics -tutkimus, jossa käytettiin laserheijastuksen ja konfokaalisen polttovälin mittausta, raportoi suhteellisesta laajennetusta epävarmuudesta alle 0,0015 %.

Näiden menetelmien ymmärtäminen auttaa sinua valitsemaan tarpeisiisi sopivan linssin. Olitpa rakentamassa kaukoputkea tai vain utelias linssien toiminnasta, polttovälin mittaaminen on arvokas taito.

Polttovälin käytännön sovellukset

Valokuvauslajit ja polttovälit

Oikean polttovälin valitseminen on kuin oikean työkalun valitsemista työhön. Erilaiset valokuvaustyypit tarvitsevat erilaisia ​​objektiiveja.

Maisemakuvaus

Maisemissa laajakulmaobjektiivit ovat paras ystäväsi. Näillä objektiiveilla, joiden polttoväli on alle 35 mm, voit vangita valtavasti kohtauksia.Lisäksi se lisää syvyyden tunnetta, mikä tekee valokuvistasi mukaansatempaavampia.

Muotokuvakuvaus

Kun kyse on muotokuvista, haluat imartella kohdettasi. Noin 50–85 mm objektiivit ovat ihanteellisia. Nämä polttovälit antavat luonnollisen perspektiivin ja saavat kasvot näyttämään juuri oikealta. 50 mm:n objektiivi sopii erinomaisesti koko kehon kuvaamiseen, kun taas 85 mm:n objektiivi sopii täydellisesti lähikuviin. Nämä objektiivit välttävät laajakulmaobjektiivien aiheuttaman vääristymän, joten kohde näyttää parhaalta.

Villieläin ja urheilu

Villieläin- ja urheilukuvaajat tarvitsevat teleobjektiivit. Nämä objektiivit, joiden polttoväli on yli 200 mm, antavat sinun päästä lähelle toimintaa häiritsemättä sitä. Kuvittele, että yrität kuvata lintua puussa tai pelaajaa kaukaisella kentällä. Teleobjektiivi tuo ne suoraan ruutuun. Nämä linssit ovat välttämättömiä yksityiskohtien vangitsemiseen kaukaa.

Arkkitehtuuri ja kiinteistöt

Arkkitehtuuri- ja kiinteistövalokuvaajat käyttävät usein erittäin laajakulmalinssejä. Alle 24 mm:n objektiivit voivat kuvata kokonaisia ​​rakennuksia tai sisätiloja yhdellä kuvalla. Tämä sopii erinomaisesti tilavien huoneiden tai korkeiden rakennusten esittelemiseen. Muista vain pitää kamera vaakasuorassa vääristymien välttämiseksi.

Polttovälin luovat käyttötavat

Polttoväli ei ole vain kohtauksen vangitsemista – se on myös tarinan kertomista ja tunnelman luomista.

Tarinankerronta ja sävellys

Voit käyttää laajakulmalinssejä näyttämään kohtauksen laajuuden, jolloin katsojasi tuntee olevansa paikalla. Toisaalta teleobjektiivit voivat eristää kohteen ja tehdä niistä kuvan tähden. Valitsemalla oikean polttovälin ohjaat katsojan silmää ja kerrot kuvallasi tarinan.

Erikoistehosteet ja tekniikat

Käytä laajakulmaobjektiivia luodaksesi syvyyden tunteen tai korostaaksesi etualalla olevaa kohdetta. Teleobjektiivilla voit pakata kohtauksen, jolloin tausta näyttää lähemmäs. Tämä voi luoda dramaattisen vaikutelman erityisesti maisemissa tai muotokuvissa. Kokeile erilaisia ​​polttoväliä nähdäksesi, mitä ainutlaatuisia tehosteita voit luoda.

Kuinka insinöörit valitsevat oikean polttovälin

Oikean polttovälin valitseminen edellyttää muutakin kuin yhden numeerisen arvon valitsemista. Polttovälin tulee vastata sovelluksen kaikkia optisia ja mekaanisia vaatimuksia.

Insinöörit arvioivat yleensä useita parametreja yhdessä:

• Vaadittu näkökenttä

• Objektin koko

• Anturin tai ilmaisimen koko

• Työetäisyys

• Suurennus

• Resoluutiovaatimukset

• Aukko ja numeerinen aukko

• Käytettävissä oleva mekaaninen tila

• Aallonpituusalue

• Aberraatiovaatimukset

Kuvaussovelluksissa lyhyemmät polttovälit tarjoavat yleensä laajemman näkökentän, kun taas pidemmät polttovälit tarjoavat kapeamman näkökentän ja suuremman kuvan mittakaavan, kun muut olosuhteet pysyvät vertailukelpoisina. Esimerkiksi vertaisarvioitu binokulaarinen kuvantamisjärjestelmä yhdistää 20 mm:n tehollinen polttoväli, jossa on 30° koko näkökenttä, F/4-aukko ja 480–660 nm työspektri , mikä osoittaa, miksi polttoväliä arvioidaan yhdessä näkökentän, aukon ja aallonpituusalueen kanssa.

Laser- ja säteenohjaussovelluksissa polttoväli vaikuttaa myös tarkennetun pisteen kokoon, säteen lähentymiseen tai hajaantumiseen sekä optisen polun fyysiseen asetteluun.

Vaativissa optisissa järjestelmissä polttoväliä tulisi siksi käsitellä osana kokonaista optista suunnittelua eikä eristettynä määrittelynä.

FAQ

K: Mikä on polttoväli valokuvauksessa?

V: Polttoväli mittaa objektiivin optisen keskikohdan ja kameran anturin välistä etäisyyttä, mikä vaikuttaa siihen, kuinka suuri osa kohtauksesta otetaan talteen ja miten kohteet näkyvät valokuvissa. Se osoittaa, kuinka voimakkaasti linssi konvergoi tai hajottaa valoa.

K: Miten polttoväli vaikuttaa katselukulmaan?

V: Polttoväli vaikuttaa katselukulmaan: lyhyemmät polttovälit (laajakulmaobjektiivit) tarjoavat laajemman katselukulman ja vangitsevat enemmän kohtausta, kun taas pidemmät polttovälit (teleobjektiivit) tarjoavat kapeamman kulman tarkentamalla tiettyihin kohteisiin.

K: Mitä hyötyä on laajakulmaobjektiivin käytöstä?

V: Laajakulmaobjektiivit, joiden polttoväli on alle 35 mm, sopivat erinomaisesti maisemiin ja arkkitehtuuriin. Ne tallentavat laajoja kohtauksia, lisäävät syvyyden tunnetta ja ovat ihanteellisia ahtaissa tiloissa. Ne voivat kuitenkin aiheuttaa vääristymiä reunojen ympärillä.

K: Mitä eroa on positiivisen ja negatiivisen polttovälin välillä?

V: Positiiviset polttovälit liittyvät konvergoiviin linsseihin (kuten kuperiin linsseihin) ja ne osoittavat, että valonsäteet on kohdistettu. Negatiiviset polttovälit liittyvät poikkeaviin linsseihin (kuten koveriin linsseihin) ja osoittavat, että valonsäteet leviävät.

K: Miten polttoväli vaikuttaa kohteen kokoon valokuvissa?

V: Polttoväli vaikuttaa kohteen kokoon: lyhyet polttovälit saavat kohteet näyttämään pienemmiltä, ​​kun näkymästä otetaan enemmän osaa, kun taas pitkät polttovälit suurentavat kohteita, jolloin ne näyttävät suuremmilta ja näkyvämmiltä kuvassa.

K: Mitä polttovälin luovia käyttötapoja on valokuvauksessa?

V: Käytä laajakulmaobjektiivia näyttämään laajoja maisemia ja lisäämään syvyyttä tai teleobjektiivilla eristämään kohteita ja luomaan dramaattisia pakkaustehosteita. Kokeile erilaisia ​​polttovälejä ohjataksesi katsojan silmää ja kertoaksesi tarinan valokuviesi kautta.

Johtopäätös

Polttovälin ymmärtäminen on välttämätöntä optisten järjestelmien valinnassa ja suunnittelussa. Positiivisista ja negatiivisista polttovälistä optiseen tehoon, EFL:ään, BFL:ään, FFL:ään ja työetäisyyteen, jokainen parametri vaikuttaa siihen, miten valoa ohjataan ja miten optinen järjestelmä toimii.

Riippumatta siitä, liittyykö sovellukseen kuvantaminen, konenäkö, laseroptiikka, mikroskopia tai tarkkuusmittaus, polttoväli tulee arvioida yhdessä näkökentän, suurennuksen, anturin koon, aberraatiovaatimusten ja mekaanisten rajoitusten kanssa.

Band Optics Co., Ltd. tarjoaa tarkkoja optisia komponentteja ja mukautettuja optisia ratkaisuja monenlaisiin teollisiin ja optisiin sovelluksiin. Oikean linssin geometrian ja polttovälin valitseminen voi auttaa insinöörejä saavuttamaan vaaditun optisen suorituskyvyn ja täyttämään käytännön järjestelmän suunnitteluvaatimukset.