Экспериментальная установка и методика измерений

Для определения характеристик оптических систем используется оптическая скамья стержневого типа (рис. 1.3) длиной не менее 1 м. Линзы в оправах (2,3), осветитель (1) и экран (4) размещаются между стержнями и могут перемещаться вдоль них. Для отсчёта расстояний служит натянутая вдоль оптической оси миллиметровая лента рулетки (5). В качестве источника света используется светодиодный осветитель – два симметрично расположенных относительно оси оптической системы светодиода, дающих пучки лучей синего и зелёного цвета. Для получения изображения можно также использовать неподвижный экран (6).

Рис. 1.3 Вид установки.

Метод определения кардинальных точек сложной оптической системы

В настоящей работе исследуется сложная оптическая система, состоящая из двух тонких линз: положительной и отрицательной. Расстояние между линзами меньше фокусного расстояния первой (положительной) линзы. Фокусное расстояние отрицательной линзы берётся таким, чтобы вся система в целом была положительной. Расположение главных и фокальных точек такой системы представлено на рис. 1.4.

Рис.1.4 Ход лучей в телеобъективе.

Луч SP, параллельный оптической оси системы, после преломления в собирающей линзеидет по направлению к точке заднего фокуса этой линзы. Отрицательная линзаотклоняет этот луч так, что он пересекает оптическую ось в точке заднего фокуса системы. Продолжение лучапересечет направление падающего луча в точке, которая принадлежит главной плоскости системы. Главная плоскостьHтакой системы лежит ещё левее.

Так как фокусное расстояние системы заметно больше расстояния от последней поверхности объектива (поверхность рассеивающей линзы) до фокуса, такая оптическая система лежит в основе конструкции длиннофокусного объектива (телеобъектива), дающего картины в большом масштабе, при условии как можно более короткой камеры.

Экспериментальный метод нахождения кардинальных точек оптической системы основан на использовании соотношения между фокусным расстоянием системы и расстояниямииот предмета до переднего фокуса системы и от заднего фокуса до его изображения – формулы (1.5). Это уравнение оптической системы называется формулой Ньютона.

В рамках метода первоначально измеряют два расстояния между линзами и ближайшими к ним фокусами системы при использовании параллельного пучка света. Далее, с помощью оптической системы получают чёткое изображение предмета и измеряют расстояние между предметом и линзой L₁системы и между второй линзойL₂и изображением. Используя полученные расстояния, рассчитывают расстояниемежду предметом и передним фокусом системы, расстояниемежду задним фокусом и изображением и определяют фокусное расстояние системы. По известным координатам фокусов системы и фокусному расстоянию рассчитывают положения главных плоскостей оптической системы.

Порядок выполнения работы

1. Между осветителем и системой линз установить дополнительную собирающую линзу на расстоянии от осветителя, равном фокусному расстоянию линзы. При этом падающий на систему линз световой пучок будет параллельным, поэтому систему линз можно расположить на любом расстоянии от вспомогательной линзы. Однако, наиболее предпочтительны малые расстояния, так как это уменьшает потери интенсивности света, проходящего через линзы.

Зарегистрировать расстояние Lмежду линзами системы при соблюдении условия: расстояние между линзами меньше фокусного расстояния собирающей линзы системы. Передвигая экран вдоль оптической оси, при наблюдении четкого изображения на экране зарегистрировать расстояниемежду рассеивающей линзойL₂системы и экраном. Координата положения экрана будет соответствовать точке фокуса системы. Измерение расстояния провести 5 раз при различных расстояниях между дополнительной линзой и изучаемой системой линз.

2. Переставив линзы системы в обратном порядке при неизменном расстоянии L, измерить 5 раз расстояниемежду собирающей линзойL₁и фокусом оптической системы.

3. Удалить из тракта дополнительную линзу. Осветитель и экран установить на концах тракта, зарегистрировав их координаты pиi. Передвигая систему линз (при), при появлении чёткого изображения на экране зарегистрировать координатыилинз и размеризображения на экране. Измерения провести 5 раз.