Лабораторная работа № 3 Измерение хроматизма оптических систем Цель работы
Изучение методики измерения хроматизма положения и увеличения оптической системы.
Измерение хроматизма положения и увеличения оптической системы, оценка ее качества.
Общие сведения
Хроматическая аберрация – это одна из основных аберраций оптических систем, обусловленная зависимостью показателя преломления прозрачных сред от длины волны света. Стекло марки “К8”, например, для света с длиной волны 656,3 нм (линия С) имеет показатель преломления nc=1,51390. Для желтого излучения натрия с длинами волн 589,6 и 589,0 (линия D) nD=1,51630. Для голубой линии водорода с длиной волны 486,1 нм (линия F) nF= 1,52196 и т.п. Хроматизм может проявиться лишь в системах, включающих элементы из преломляющих материалов, например линзы. Зеркалам хроматическая аберрация не свойственна, иначе говоря, зеркала ахроматичны.
При прохождении через оптическую систему светового пучка, состоящего из лучей различных длин волн, даже в идеальной системе могут присутствовать две элементарные хроматические аберрации, поскольку положение изображения определяется двумя координатами – расстоянием изображения S′ от оптической системы и расстоянием l’ точки изображения от оптической оси.
Существуют два типа хроматических аберраций, не зависящих один от другого: хроматизм положения изображения и хроматизм увеличения. Хроматизм положения изображения состоит в том, что изображения точки, образуемые лучами разной длины волны, лежат на различных расстояниях от системы (положения главных фокусов на оптической оси не совпадают для лучей разного цвета (рис. 3.1) отрезок O1O2). При этом типе хроматической аберрации на экране, поставленном там, где формируется изображение, перпендикулярно оптической оси вместо одной светлой точки наблюдается совокупность цветных кружков.
Рис. 3.1. Изображения точки, образуемые лучами разной длины волны
Фокусные расстояния одной и той же линзы для различных длин волн различны. Голубые лучи фокусируются ближе к линзе, а красные — дальше. Хроматическая аберрация положения определяется как разность расстояний от последней поверхности оптической системы параксиальных изображений, образуемых лучами различных цветов.
Рис. 3.2. Ход лучей в оптической системе при наличии хроматизма положения.
Хроматизм положения определяется расстоянием δS’хр=S’λ2 – S’λ1 (рис. 3.2) между двумя плоскостями изображений одной и той же плоскости предметов лучами двух длин волн λ1 и λ2. Измеряется эта аберрация разностью расстояний от системы до соответствующих точек изображения. Хроматическая аберрация положения – это аберрация наклонного пучка, выражающаяся в изменении фокусного расстояния системы для различных длин волн.
Хроматизм увеличения определяется тем, что поперечные увеличения оптических изображений объекта, формируемых лучами разной длины волны, могут оказаться неодинаковыми. Это вызвано различием положений главных плоскостей системы для лучей с неравными длинами волн, даже если их фокусы совпадают, но отличаются фокусные расстояния. Из-за хроматизма увеличения предметы конечных размеров дают изображения с цветной каймой. Хроматическая аберрация увеличения L’хр определяется как разность ординат точек пересечения плоскости изображения главными лучами различных длин волн.
Для количественной оценки хроматических аберраций обычно берут две длины волны λ1 и λ2, лежащие по обе стороны относительно средней длины волны λ0, для которой корригированы монохроматические аберрации.
Хроматические аберрации определяются разностью абсцисс и ординат, вышедших из системы лучей, соответствующих длинам волн λ1, λ2:
Выбор этих лучей определяется назначением объектива (фотографирование в определенной области спектра, визуальные наблюдения, проекция и т.д.). Например, объективы фотоаппаратов широкого применения, предназначенные для работы как с черно-белыми, так и с цветными материалами, ахроматизируются для длин волн λ′С = 434,1 нм и λС = 656,3 нм. Аэрофотообъективы для аэросъёмки, как правило, применяются с желтым, оранжевым или красным светофильтрами в сочетании с панхроматическими материалами. Это требует ахроматизации объективов в области спектра от ~590 620, до ~660 680 нм.
Рис. 3.3. Ход лучей в оптической системе при наличии хроматизма увеличения
В оптическую систему из точки В (рис. 3.3) падает полихроматический главный луч. После преломления в оптической системе этот луч разложится на составные части в пределах рассматриваемого диапазона спектра и образует серию изображений от L′C до L′F. Разность величин цветных изображений, вычисленных по главному лучу, называется хроматизмом увеличения и имеет вид dL′=L′C – L′F, или в общем случае dL′=L′λ1 - L′λ2 . Хроматизм увеличения вызывает появление цветных контуров изображения, которые создают нерезкость изображения.
Описание лабораторной установки
Схема установки представлена на рис. 3.4:
Рис. 3.4. Схема установки для контроля хроматических аберраций:
1 – лампа подсветки 12 В; 2 – конденсор; 3 – интерференционные светофильтры; 4 – щель; 5 – объектив коллиматора; 6 – проверяемая оптическая система; 7 – поперечная линейка; 8 – продольная линейка; 9 – микроскоп с окуляр-микрометром
Щель 4 через конденсор 2 подсвечивается лампой накаливания 1. Коллиматор 5 установлен на поворотном рычаге, который позволяет осуществлять угловую подвижку коллиматора вокруг вертикальной оси с помощью маховика. Микроскоп имеет подвижку вдоль оптической оси, измерение его перемещения вдоль оптической оси производится по индикатору, измерение его перемещения перпендикулярно оптической оси производится по окуляр-микрометру. Угловое перемещение коллиматора отсчитывается по лимбу в диапазоне 15º.