Что такое фокус? Виды и описание

Фокус - это, значение слова, описание

В области оптики и лазерной техники термин фокус встречается с несколькими различными значениями, которые связаны друг с другом общим пониманием. Также это понятие распространяется на трюки фокусников, известный бренд производителя автомобилей и т.д. 

Фокус в геометрической оптике и визуализации

Фокус может быть определенная точка

Фокус может также означать настройку системы визуализации для достижения наилучшей четкости изображений – эффективное размещение фокальной точки в соответствующей плоскости. 

Фокус может также относиться к плоскости объекта, для которой достигается оптимальная резкость (например, находится на расстоянии 30 см). Обратите внимание, что глубина резкости обычно ограничена, и объекты за пределами этого диапазона не в фокусе.

Фокальная точка - это фокус при определенных обстоятельствах. В гауссовской оптике определяются различные типы кардинальных точек, к которым принадлежат фокальные точки. Для определения сторон света учитывается не реальный путь света в оптической системе, а только лучи вне ее, которые могут быть экстраполированы.

Существует глагол фокусироваться

Это означает достижение наилучшего фокуса визуализации. Автофокусировка означает автоматическую настройкуформирования изображения. Противоположность - расфокусировка, т.е. размытие изображения.

Волновая природа света часто не рассматривается в этом контексте. Однако для учета этого можно использовать волновую оптику. Затем обнаруживается, что визуализация приводит к появлению пятен конечного размера в плоскости изображения. Оптимальная фокусировка, например, в отношении продольного положения матрицы фокальной плоскости, приводит к получению пятен минимального размера.

Визуализация

Термин "визуализация" может обозначать как определенные методы, так и приложения, которые связаны с такими вопросами.

Оптические методы визуализации

Генерация оптического изображения часто означает, что свет, полученный от точек объекта, направляется в точки на некоторой плоскости изображения. В более общем плане визуализация может означать, что точки в определенной плоскости (содержащие какие-либо объекты или нет) отображаются на точки в некоторой другой плоскости. В некоторых случаях выполняется трехмерная визуализация, собирая информацию о точках объекта не только в одной плоскости.

Самый простой вид оптического изображения достигается с помощью камеры-обскуры (camera obscura), требующей только точечного отверстия и никаких других оптических элементов, таких как линзы или зеркала. Поскольку этот принцип работы довольно ограничен, особенно из-за компромисса между разрешением и эффективностью сбора света, в большинстве случаев применяются другие методы визуализации.

Наиболее распространенным принципом получения оптического изображения является использование одной линзы или аналогично системы с несколькими линзами, также называемой объективом.

Существуют и другие методы визуализации, не требующие линз, но определенные амплитудные или фазовые маски перед электронным датчиком изображения. Здесь изображения должны быть вычислены на основе необработанных данных с использованием сложных алгоритмов.

Некоторые устройства обработки изображений работают путем точечного сканирования объектов и объединения этих данных для получения полных изображений. В некоторых случаях выполняется линейное сканирование только в одном измерении.

Некоторые методы визуализации подходят для получения трехмерных изображений. Это возможно с помощью голографии и некоторых методов сканирования, таких как оптическая когерентная томография.

Разрешение, достижимое при оптической визуализации, в большинстве случаев ограничено порядка половины оптической длины волны. Тем не менее, существует несколько методов получения изображений со сверхразрешением за пределами дифракционного предела. Например, существуют методы микроскопии ближнего поля и некоторые методы флуоресцентной микроскопии.

В некоторых случаях визуализация выполняется не с помощью традиционной оптики, такой как линзы, а на основе волоконной оптики. Например, существуют волновые пучки для визуализации и волоконно-оптические пластины (лицевые панели), которые могут обеспечивать передачу изображения один к одному, иногда также включая некоторое увеличение при использовании конических структур.

Визуализация возможна не только с помощью видимого света, но и с помощью электромагнитного излучения и других частотных областей, а также с другими типами излучения:

• Инфракрасный свет широко используется для визуализации. Существуют специальные, например, для тепловизионных изображений и ночного видения.
• В некоторых случаях используется ультрафиолетовый свет, в контексте лазерной литографии.
• Существуют различные методы рентгеновской визуализации. Трудность в этой области заключается в том, что трудно создавать эффективные зеркала, за исключением случаев остекления. Например, телескопы Wolter используются в космосе для рентгеновского наблюдения звезд.
• Терагерцовая визуализация использует проникновение терагерцового излучения через вещества.

Если используется пара спектральных полос, термин "мультиспектральная визуализация" является общим. Если непрерывный диапазон длин волн покрывается со значительным разрешением, говорят о гиперспектральной визуализации.

Приложения для обработки изображений

Для широкого спектра применений требуется какое-то оптическое изображение. Некоторые важные примеры кратко объясняют следующее:

• В фотокамере используется фотографический объектив для отображения объектов либо на фотопленке, либо на электронном датчике изображения. Существует также широкий спектр других типов камер, включая видеокамеры для движущихся изображений.
• Микроскоп может отображать крошечные объекты для человеческого глаза или в микроскопа.
• Для небольших увеличений часто бывает достаточно луп и увеличительных стокол.
• Для просмотра удаленных объектов можно использовать различные виды телескопов, включая бинокли и монокуляры.
• Эндоскопы, бороскопы, фиброскопы и видеоскопы используются для просмотра объектов через жесткие или гибкие трубки.
• Инфракрасные зрители могут использоваться для просмотра на основе инфракрасного света.
• Проекторы - это устройства визуализации, которые также содержат источник света для устранения объекта. Например, проекторы верхнего уровня могут проецировать изображения со слайдов с большим увеличением на экраны, а лазерные проекторы могут делать то же самое для цифровых изображений.
• Различные типы устройств машинного зрения обеспечивают изображения, используемые машинами, например, автономными транспортными средствами.
• Оптическая когерентная томография - это метод сканирования для получения микроскопических изображений. Некоторые типы лазерных микроскопов также получают изображения путем сканирования объектов.
• Оптические профилометры получают изображения с высоким разрешением, показывающие профили поверхности.
• В литографии, например, для изготовления компьютерных чипов, сложные тонкие структуры изображаются на волнах. Здесь для очень высокого пространственного разрешения требуются особенно короткие длины волн.
• Терагерцевая визуализация может использоваться для проверки безопасности, неразрушающего промышленного контроля и проверки сельскохозяйственной продукции.

Фокус лазера

Фокус лазерного луча понимается как продольное положение (или пространственная область), где радиус луча достигает минимума. Это также называется перетяжкой луча.

Обратите внимание, что точки фокусировки, относящиеся к разным поперечным направлениям, могут находиться в разных местах. Кроме того, положение фокусировки может зависеть от длины волны в результате хроматических аббериций.

Для распространения света в непоглощающей среде фокус - это точка с максимальной оптической интенсивностью.

Действительно, целью фокусировки лазерного луча часто является то, что таким образом можно достичь достаточно высокой интенсивности для некоторых применений лазера. Также может быть желательно сильно ограничить область воздействия, например, при лазерной микрообработке.

Из-за высокой пространственной когерентности, которую часто демонстрирует лазерный свет (в идеальных случаях с учетом пучков, ограниченных дифракцией), возможна плотная фокусировка. В идеальных случаях с учетом пучков, ограниченных дифракцией, т. е. до небольшого пятна. Радиус фокусирующего луча часто порядка оптической длины волны или даже несколько меньше. Высокое качество луча, по сути, означает, что луч может быть хорошо сфокусирован.

В фокусе луча с оптимальным качеством луча волновые фронты плоские. До и после фокусировки волновые фронты изогнуты, и эта кривизна связана со сходящимся или расходящимся излучением. Лучи с неидеальным качеством луча могут демонстрировать существенно искаженные волновые фронты в фокусе.

В контексте лазерных лучей обычно используется волновая оптика, поскольку волновые эффекты определяют размер пятна фокусировки, что часто весьма актуально для приложений.

Некоторые связанные термины:

• Положение фокуса - это продольное или поперечное положение фокуса луча.
• Длина фокуса может быть количественно определена с помощью его длины Рэлея.
• Плотная (или резкая или сильная) фокусировка означает фокусировку света на маленьком пятне – противоположность мягкой фокусировке.
• Расстояние фокусировки фокусирующего оптического элемента - это расстояние от этого элемента до местоположения достигнутого фокуса.
• Перефокусировка светового луча означает его повторную фокусировку в дальнейшем продольном положении. Например, свет, выходящий из оптического волокна, демонстрирует большую или меньшую дивергенцию, но может быть перефокусирован на пятно в другом положении с помощью подходящей линзы.

Концентрирующий свет

В некоторых случаях фокусировка света означает несколько более общее манипулирование им таким образом, чтобы он становился более концентрированным – даже если истинный фокус луча (или точка пересечения световых лучей) не получается, например, потому, что свет попадает на какой-то объект до того, как достигнет минимального диаметра луча. 

В этом смысле фокусирующая линза (или другой оптический элемент) - это линза, которая преобразует коллимированный луч (например, в сходящийся луч), или, более конкретно, линза, которая используется с целью фокусировки. Фокусировка по существу означает изменение кривизны волновых фронтов. Линзы и изогнутые зеркала часто используются для фокусировки или расфокусировки света.