Установка для изучения сферической и хроматической аберраций линз

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СФЕРИЧЕСКОЙ И ХРОМАТИЧЕСКОЙ АБЕРРАЦИЙ ЛИНЗ(71) Заявитель Учреждение образования Брестский государственный университет имени А.С.Пушкина(72) Авторы Косарев Валерий Михайлович Супрунюк Анна Евтихиевна(73) Патентообладатель Учреждение образования Брестский государственный университет имени А.С.Пушкина(57) 1. Установка для изучения сферической и хроматической аберраций линз, включающая источник света, объект-предмет в виде прозрачной миллиметровой сетки, исследуемую собирающую линзу, на которую наложена диафрагма с кольцевым отверстием,матовый экран, работающий на просвет, миллиметровую шкалу для отсчета перемещений экрана, отличающаяся тем, что в качестве источника света используется четырехцветный источник квазимонохроматического излучения, состоящий из четырех светодиодов красного - длина волны максимума полосы излучения 634 нм, полуширина полосы 1/215 нм, желтого -596 нм, 1/216 нм, зеленого -521 нм, 1/235 нм,синего -461 нм, 1/225 нм, позволяющий поочередно освещать объект-предмет излучением любого из перечисленных цветов. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что на исследуемую линзу накладывается диафрагма с кольцевым отверстием, оставляющим открытой периферийную зону линзы.(56) 1. Кортнев А.В. Практикум по физике / А.В. Кортнев, Ю.В. Рублев, А.Н. Куценко. М. Высшая школа, 1963. - 516 с. 2. Стекло оптическое цветное. ГОСТ 9411-75, издание официальное. Государственный комитет стандартов СМ СССР. - М. Государственный комитет стандартов Совета Министров СССР, 1976. - 50 с. 3. Ландсберг Г.С. Оптика / Г.С. Ландсберг. - М. Наука, 1976. - 928 с. 57922009.12.30 4. Физический практикум. Электричество и оптика / Под ред. проф. В.И. Ивероновой. М. Наука, 1968. - 816 с. 5. Лабораторный практикум по общей и экспериментальной физике Учебное пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / В.Н. Александров, С.В. Бирюков, И.А. Васильева и др. Под ред. Е.Н. Гершензона и А.Н. Мансурова. - М. Академия, 2004. - 464 с. 6. Калоша В.К. и др. Математическая обработка результатов эксперимента / В.К. Калоша, О.И. Лобко, Т.С. Чикова. - Мн. Выш. школа, 1982. - 103 с. Установка для изучения сферической и хроматической аберраций линз предназначена для использования ее в учебном процессе высших учебных заведений в лабораторном практикуме по общей физике при изучении тем раздела Оптика линзы, их параметры,свойства, применение. Известны аналоги предлагаемой установки 1, с. 338-342, 4, с. 422-425, 5, с. 231-235,также предназначенные для использования их в лабораторном практикуме по общей физике. Все они имеют обязательные для таких установок источник света, предмет в виде креста или сетки, освещаемый на просвет источником света, исследуемую собирающую линзу, которая формирует действительное изображение предмета, экран либо окуляр, с помощью которых определяется положение плоскости изображения предмета относительно линзы, отсчитываемое по измерительной шкале, набор диафрагм с кольцевыми отверстиями, которые последовательно ставятся вплотную к исследуемой линзе и выделяют необходимые световые пучки. Для измерений хроматической аберрации линзы (зависимости положения плоскости изображения предмета от длины волныиспользуемого света) и сферической аберрации(зависимости положения плоскости изображения предмета от расстояниякольцевой зоны диафрагмы от оптического центра линзы при фиксированных значенияхиспользуемого света) необходимо использовать квазимонохроматический свет. В установке,описанной в 1, в качестве источника света используется лампа накаливания, имеющая сплошной спектр, а монохроматизация света осуществляется с помощью стеклянных абсорбционных светофильтров, которые можно нечаянно достаточно легко разбить, что является существенным недостатком в условиях поточного выполнения лабораторных работ. Но самый главный недостаток таких светофильтров - это невысокая степень монохроматизации света, характеризующаяся полушириной их полосы пропускания 1/2, которая может достигать величины 102 нм 2. В установке, описанной в 4, в качестве источника света используется неоновая лампа, имеющая линейчатый спектр с большим количеством линий излучения различных . В установке, описанной в 5, в качестве источника света используется лампа накаливания. И в установке 4, и в установке 5 для монохроматизации света используется призменный монохроматор. А это отдельный прибор, имеющий обычно массу 10 кг и размеры 0,5 м. И хотя степень монохроматизации света, даваемая монохроматорами, очень высокая (1/21 нм), их применение сильно усложняет установки для изучения аберраций линз, делая их очень громоздкими. К тому же, как показывает опыт, необходимости в такой высокой степени монохроматизации нет. При измерении хроматической аберрации необходимо устранять вредное влияние сферической аберрации. Это делается с помощью диафрагмы с кольцевым отверстием,которая ставится вплотную перед исследуемой линзой. В установках, описанных в 1, 5,для этого используется диафрагма, оставляющая открытой центральную зону исследуемой линзы и пропускающая только параксиальные лучи. При этом влияние всех геометрических аберраций (сферическая, астигматизм, кома, дисторсия) минимальны, качество получаемого изображения предмета наилучшее 3. Но глубина резкости линзы становится большой, что при измерении хроматической аберрации играет отрицательную роль. 2 57922009.12.30 Действительно, положение плоскости изображения предмета определяется с помощью экрана путем его перемещения до тех пор, пока изображение предмета на нем не станет наиболее четким. В этом случае плоскость изображения будет совпадать с плоскостью экрана. При большой глубине резкости линзы размах перемещений экрана, когда четкость изображения на нем практически не изменяется, становится большим. Это приводит к увеличению случайных погрешностей измерений, что является существенным недостатком применения такой диафрагмы. В установке 4 при измерении хроматической аберрации вообще не используется диафрагма. Задачи, решаемые при создании заявленной полезной модели, заключаются в том, чтобы создать компактную установку для изучения в лабораторном практикуме по общей физике сферической и хроматической аберраций линз, которая бы имела источник света,дающий квазимонохроматическое излучение с несколькими длинами волн (не менее четырех, что достаточно для построения графика), которое бы не требовало дополнительной монохроматизации с помощью светофильтров или монохроматора и которым поочередно можно было бы освещать предмет. Установка должна позволять проводить измерения аберраций в условиях, позволяющих минимизировать случайные ошибки, что очень важно при проведении любых измерений, а особенно учебных. В заявленной полезной модели поставленные задачи решаются следующим образом. В качестве источника света используется изготовленный нами четырехцветный светодиодный источник квазимонохроматического излучения, состоящий из четырех светодиодов,поставленных вплотную друг к другу, каждый из которых характеризуется своей полосой излучения и определенными значениями 1/2 и . Степень монохроматизации излучаемого светодиодами света достаточно высокая и не требует дополнительной монохроматизации. Для минимизации случайных погрешностей при измерениях хроматической аберрации в качестве диафрагмы, устраняющей вредное влияние сферической аберрации, используется диафрагма, оставляющая открытой не центральную, а периферийную зону линзы. Оптическая схема и общий вид заявленной установки для изучения сферической и хроматической аберраций линз представлены на фиг. 1 и 2 соответственно. Установка состоит из источника света 1, его блока питания 7, прозрачной сетки 2, исследуемой собирающей линзы 3, матового экрана 5, работающего на просвет, установленных на рельсе с миллиметровой отсчетной шкалой 6, набора кольцевых диафрагм 8, одна из которых 4 наложена на исследуемую линзу. В качестве источника света 1 используются четыре светодиода, вставленных в квадратное отверстие оправы и расположенных вплотную друг к другу. Отверстие закрыто слоем кальки для создания эффекта рассеяния света и стеклянной прозрачной пластиной с нанесенной на нее фотографическим методом миллиметровой сеткой 2, которая играет роль предмета. Положение максимумов полос излученияи их полуширины 1/2 для светодиодов соответственно равны красный -634 нм, 1/215 нм, желтый 596 нм, 1/216 нм, зеленый -527 нм, 1/235 нм, синий -461 нм,1/225 нм. Видно, что хотя степень монохроматичности света, даваемого светодиодами,и уступает случаям с применением монохроматора, однако является, как показывает опыт,вполне достаточной, и этот свет не требует дополнительной монохроматизации. Нажатием соответствующей кнопки на блоке питания можно подать питающее напряжение на любой светодиод и осветить предмет любым из перечисленных цветов. Оправа со светодиодами, имеющая размеры 606040 мм 3, закреплена на металлическом стержне, который вставлен в отверстие рейтера, расположенного на направляющем рельсе. Для усиления аберрационных эффектов в качестве объекта исследования взяты две собирающие линзы 3 диаметром 0,08 м с фокусными расстояниями 0,25 м, сложенные вплотную (при этом их аберрации складываются). Линзы закреплены в металлической оп 3 57922009.12.30 раве, находящейся на металлическом стержне, который вставлен в отверстие рейтера, расположенного на направляющем рельсе. Для выделения той или иной кольцевой зоны линз, участвующей в формировании изображения предмета, на линзы накладывается металлическая диафрагма 4. В ней вырезано кольцевое отверстие, оставляющее открытой нужную зону линз, расположенную на определенном расстоянииот их оптического центра. Всего таких диафрагм пять с разными значениями . Первая из них пропускает через линзу только параксиальные лучи, а последняя - только лучи, проходящие через периферийную кольцевую зону линз. Для наблюдения изображения прозрачной сетки-предмета, формируемого линзами,служит стеклянный матовый экран 5, работающий на просвет. Он вставлен в середину открытой с обоих торцов металлической коробки прямоугольного сечения размером 9090200 мм 3, которая служит для защиты экрана от посторонних засветок. Коробка крепится к металлическому стержню, который вставлен в отверстие рейтера. Рейтер вместе с экраном может перемещаться вдоль того же направляющего рельса, на котором установлены рейтеры с источником света и линзами. Степень четкости изображения определяется визуальным способом. Для измерения положения плоскости изображения предмета относительно линз служит металлическая лента с нанесенными на ней миллиметровыми делениями 6, которая приклеена к рельсу. Положение точки начала отсчета при такого рода измерениях роли не играет. При измерениях сферической аберрации для устранения отрицательного влияния хроматической аберрации сетку-предмет необходимо освещать квазимонохроматическим светом. Для этого можно использовать любой из четырех светодиодов. Но, как показывает опыт, наиболее комфортные условия для работы глаза создаются при использовании зеленого светодиода. При измерениях хроматической аберрации (зависимости положения плоскости изображения отиспользуемого света) для устранения отрицательного влияния сферической аберрации необходимо использовать диафрагму, оставляющую открытой одну из кольцевых зон линз. В заявленной модели для минимизации случайных ошибок измерений используется диафрагма, которая оставляет открытой не центральную, а периферийную зону исследуемых линз. Для сравнения точности измерений хроматической аберрации при использовании диафрагмы, оставляющей открытой центральную зону линз, и диафрагмы, открывающей периферийную зону, были проведены следующие измерения и расчеты. Предмет-сетку освещали зеленым светодиодом. На линзы накладывалась диафрагма, открывающая центр линз, и несколько раз измерялось положение плоскости изображения предмета по шкале,приклеенной к направляющему рельсу. Затем аналогичные измерения проводились для диафрагмы, открывающей периферийную зону линз. Для каждой серии измерений был рассчитан доверительный интервалпо формуле 6- несмещенное среднеквадратичное отклонение выборки 1- объем выборки (число измерений)- коэффициент Стьюдента, зависящий от объема выборки и заданной доверительной вероятности )0 - среднеарифметическое значение измеряемой величины. Расчеты доверительных интервалов проводились для выборки 10 и доверительной вероятности 0,95. 4 57922009.12.30 Полученные результаты показали, что в случае использования диафрагмы, оставляющей открытой периферийную зону, величина 1 примерно в пять раз меньше того значения 2, когда используется диафрагма, оставляющая открытой центральную зону линз. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5