№5 Измерение разрешающей способности объектива. Лабораторная работа 5 исследование разрешающей способности объектива Методические указания к лабораторной работе
 Скачать 43.24 Kb.
|
|
Лабораторный вариант 01.02.2021 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Санкт-Петербургский горный университет Кафедра общей и технической физики общая физикаЛабораторная работа №5ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТИВа Методические указания к лабораторной работе САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2021 Работа 5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТИВа Теоретические сведения Главная задача любой оптической системы – сформировать правильное изображение объекта. Однако задача эта, строго говоря, невыполнима, так как все оптические системы в той или иной степени несовершенны и дают несколько искаженное изображение. Эти искажения называются аберрациями. Аберрации можно разбить на четыре группы: 1. Погрешности изготовления оптической системы (дефекты полировки, низкое качество стекла, отступление поверхности от заданной формы). Обычно такие аберрации несущественны, так как современная технология изготовления оптических приборов достигла высокой степени совершенства. 2. Погрешности, связанные с тем, что обычные оптические системы идеально фокусируют только такие узкие монохроматические пучки света, которые составляют с оптической осью малый угол. Световые же пучки, удаленные от оси или наклоненные к ней под большими углами, образуют искаженное изображение. В тщательно рассчитанных оптических системах этот тип аберрации сведен к минимуму за счет изготовления сложных объективов, представляющих собой набор линз разных сортов стекла с поверхностями различной кривизны. Иногда изготовляются асферические поверхности (параболические, эллиптические и т.д.). 3. Хроматическая аберрация возникает вследствие того, что оптические стекла имеют показатель преломления, зависящий от длины волны (явление дисперсии). Поэтому фокусное расстояние объектива зависит от длины световой волны, и если для одной длины волны изображение хорошо сфокусировано, то для других длин волн хорошей фокусировки не наблюдается. Этот тип аберрации сводят к минимуму, применяя сложные объективы, состоящие из набора линз. 4. Искажения изображения, связанные с волновой природой света. Световые волны распространяются прямолинейно лишь тогда, когда фронт волны ничем не ограничен. Если на пути света стоят диафрагмы, щели, экраны и другие препятствия, ограничивающие волновой фронт, возникает огибание волнами препятствий, дифракция. Так как любая оптическая система ограничивает световой пучок, дифракционные искажения свойственны любому оптическому прибору. Таким образом, этот тип аберраций носит принципиальный характер и присущ любому объективу. Если, как это обычно бывает, оправа объектива круглая, то изображение светящейся точки имеет вид круглого пятна, окруженного светлыми концентрическими и темными кольцами (рис.1).   Таким образом, из-за наличия аберраций изображение каждой светящейся точки, образованное объективом, имеет конечные размеры. Если две светящиеся точки дают изображения, которые накладываются друг на друга так, что провал интенсивности I между их максимумами меньше 20 % (рис.2), то визуально изображения этих точек будут восприниматься как одна светящаяся точка, или как говорят, эти светящиеся точки не разрешены (не наблюдаются раздельно). Рассмотрим две светящиеся точки, которые расположены весьма далеко от объектива (например, звезды, наблюдаемые в телескоп). В этом случае минимальное угловое расстояние (в радианах) между двумя удаленными светящимися точками, позволяющее наблюдать их раздельные изображения,  , (1)где – длина волны; D – диаметр диафрагмы объектива. Величина  называется критерием Релея.Разрешающая способность R при этомопределяется, как величина обратная углу :R =  .Описание экспериментальной установки Установка для определения разрешающей способности объективов (рис.3) состоит из осветителя 1, револьверной насадки С с набором светофильтров, револьверной насадки с эталонными штриховыми мирами 2, коллиматора 3, исследуемого объектива 4 и микроскопа 5. Осветитель с лампочкой накаливания напряжением 12 В питается от сети через понижающий трансформатор.   Объектив коллиматора, в фокусе которого расположена мира, образует параллельные пучки света от каждой точки миры. Угол между этими пучками  , (2)где L – расстояние между штрихами миры; F – фокусное расстояние объектива коллиматора, F = 160 см. На пути этих пучков ставится исследуемый объектив 4, в фокальной плоскости которого образуется изображение миры. Мира – это испытательная таблица для определения разрешающей силы объектива (рис.4). В ней имеется 100 заштрихованных квадратиков с возрастающей частотой штриховки. Квадратики сгруппированы четверками, частота штриховки в каждой четверке одинакова, а ориентация различна. Таким образом, каждая мира содержит 25 полей с различной частотой штриховки. Первое поле содержит четыре квадратика с самой грубой штриховкой, последнее (двадцать пятое) – четыре квадратика с самой мелкой штриховкой. Всего мир пять, самая крупная № 5. Мира № 4 вдвое мельче и т.д. Расстояния между штрихами миры № 1 даны в табл.1. Таблица 1
Расстояния между соседними штрихами соответствующих полей миры № 2 в 2 раза больше, № 3 в 4 раза, № 4 в 8 раз, № 5 в 16 раз больше, чем в мире № 1. Наблюдая в микроскоп изображение миры, полученное с помощью исследуемого объектива, необходимо определить, с какого номера поля штрихи в квадратиках сливаются. Оптическая установка (оптическая скамья) представляет большую материальную ценность. Поэтому при работе со скамьей необходимо проявлять осторожность! Экспериментальную работу можно начинать только с разрешения преподавателя. Категорически запрещается касаться пальцами рабочих поверхностей объективов! Порядок выполнения работы 1. Включить источник света и установить одну из мир ( как правило миру №3 ) и один из светофильтров. 2. Полностью раскрыть диафрагму исследуемого объектива (регулировочное колесо для изменения диаметра диафрагмы расположено на периметре объектива). 3. Перемещая микроскоп вдоль оптической скамьи с помощью рукоятки грубой фокусировки, при непрерывном наблюдении найти резкое изображение миры, находящейся в данный момент против объектива коллиматора. 4. Заметить элементы поля миры (четыре квадратика с мелкой штриховкой), которые можно четко рассмотреть (если таковых нет, то либо плохо проведена фокусировка, либо необходимо перейти к более крупной мире). Если все элементы миры разрешены, то перейти к мире с меньшим номером. Номер миры и номер последнего разрешенного поля миры записать в табл.2. Таблица 2
5. Для того же диаметра диафрагмы повторить измерения, установив второй, а затем третий светофильтр. 6. Провести измерения для всех диаметров диафрагмы объектива, указанных в таблице, приложенной к установке. Для смены миры руководствоваться указаниями пункта 4. 7. Определить по формуле (2) угловую разрешающую способность объектива эксп для данной длины волны при различных диаметрах диафрагмы. 8. Для всех длин волн и диаметров диафрагмы объектива вычислить теор по формуле (1). 9. Результаты измерений и вычисления внести в табл.2 и на одном чертеже построить графики эксп = f(D) и теор = f(D) для каждой длины волны, чтобы сравнить теоретические расчеты с результатами эксперимента. Вычислить разрешающую способность R для максимального диаметра диафрагмы для всех исследованных . Обосновать достоверность полученных результатов. Контрольные вопросы 1. Что называется разрешающей способностью оптического прибора? 2. Что накладывает ограничение на разрешающую способность оптических приборов? 3. Сформулируйте критерий Релея. 4. Выведите формулу для расчета разрешающей способности микроскопа. 5. Какие пути увеличения разрешающей способности Вы знаете? 6. Что определяют значения номера миры и номера штрихового элемента миры? Требования к содержанию отчёта по лабораторной работеОтчёт оформляется в печатном виде на листах формата А4 в соответствии с указанными ниже требованиями. Помимо стандартного титульного листа в содержании отчёта должны быть раскрыты пункты, перечисленные ниже. 1. Цель работы. 2. Краткое теоретическое содержание. 1) Явление, изучаемое в работе. 2) Определения основных физических понятий, объектов, процессов и величин. 3) Законы и соотношения, описывающие изучаемые процессы, на основании которых, получены расчётные формулы. 4) Пояснения к физическим величинам и их единицы измерений. 3. Схема установки. 4. Расчётные формулы. 5. Формулы для расчёта погрешностей косвенных измерений. 6. Таблицы с результатами измерений и вычислений. (Таблицы должны иметь номер и название. Единицы измерения физических величин должны быть указаны в отдельной строке таблицы под строкой с обозначениями физических величин.) 7. Пример вычисления (для одного опыта). 1) Исходные данные. 2) Вычисления. 3) Окончательный результат. 8. Графический материал. 1) Записать аналитическое выражение функциональной зависимости, которая представлена на графике. 2) На осях координат указать масштаб, физические величины и единицы измерения. 3) На координатной плоскости должны быть нанесены экспериментальные точки. 4) По результатам эксперимента, представленным на координатной плоскости, провести плавную линию, аппроксимирующую функциональную теоретическую зависимость в соответствии с методом наименьших квадратов. 9. Анализ полученного результата. Выводы. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЗАЩИТЕ ОТЧЕТАК защите допускаются студенты, подготовившие отчет в соответствии с требованиями к его содержанию в установленные сроки. После проверки преподавателем содержания отчёта, при наличии ошибок и недочетов, работа возвращается студенту на доработку. При правильном выполнении лабораторной работы, соблюдении всех требований к содержанию и оформлению отчёта, студент допускается к защите. Для успешной защиты отчета необходимо изучить теоретический материал по теме работы, а так же освоить математический аппарат, необходимый для вывода расчётных формул работы. При подготовке к защите, помимо данного методического пособия, необходимо использовать учебники и другие учебные пособия, рекомендованные к учебному процессу кафедрой ОТФ. Во время защиты студент должен уметь ответить на вопросы преподавателя в полном объёме теоретического и методического содержания данной лабораторной работы, уметь самостоятельно вывести необходимые расчётные формулы, выполнить анализ полученных зависимостей и прокомментировать полученные результаты. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||