Автоколімаційний метод

Автоколімаційний метод

Автоколімаційний метод вимірювання фокусної відстані оптичних систем, запропонований проф. М.М. Русіновим, заснований на

clip_image002

Мал. 1. Визначення фокусної відстані автоколімаційним методом.

одержанні автоколімаційних зображень окулярної сітки при відображенні променів від ввігнутого сферичного дзеркала в задній вузловій точці Н’ (мал. 1, а) і від плоского дзеркала в задньому фокусі F’ системи (мал. 1, б). Цей метод подібний методу визначення радіусів кривизни за допомогою довгофокусних автоколімаційних мікроскопів чи зорових труб з насадковими лінзами. Різниця відліків переміщень тубуса чи мікроскопа зорової труби при наведенні на автоколімаційние зображення в точках Н’ і F’ і є шукана величина фокусної відстані ƒ`. Помилка вимірювання тим менше, чим точніше сполучене автоколімаційне зображення з предметною площиною мікроскопа чи труби. Вимірювальними пристроями, що дозволяють одержати підвищену точність, є індикатори з точністю вимірювання ±0,02 мм чи плоскопаралельні кінцеві міри, що забезпечують точність ±0,01 мм. Радіус кривизни ввігнутого сферичного дзеркала 3 не має вирішального значення, важливо тільки, щоб розмір поверхні дзеркала, що відбиває світловий потік, був достатній для одержання яскравого зображення.

Автоколімаційний метод може бути застосований як для вимірювання малих фокусних відстаней, наприклад окулярів і об’єктивів мікроскопів, так і фокусних відстаней порядку 50 — 1000 мм, якщо в розпорядженні є довжиновимірювальна машина.

Приступаючи до вимірів, спочатку одержують автоколімаційне зображення сітки окуляра від поверхні ввігнутого дзеркала. Потім між дзеркалом і автоколімаційним мікроскопом чи трубою поміщають випробувану систему і, переміщаючи її уздовж оптичної осі, знаходять автоколімаційне зображення в задній вузловій точці системи. Після цього замість ввігнутого дзеркала ставлять плоске дзеркало П і, відсуваючи мікроскоп чи трубу від випробуваної системи, також одержують автоколімаційне зображення в задньому фокусі F’. Виконують декілька наведень і відліків при двох положеннях мікроскопа чи труби, підраховують середні значення і беруть їхню різницю, що і складе фокусну відстань системи ƒ`.

clip_image004

Мал.2. Визначення фокусної відстані довгофокусних систем автоколімаційним методом

Для визначення дуже великих фокусних відстаней оптичних систем, що мало відрізняються від плоскопаралельних пластинок (світлофільтри, захисні скельця, пластинки і т.п.), необхідно мати автоколімаційну чи просту зорову трубу з відомою фокусною відстанню об’єктива і встановлену строго на нескінченність.

У першому випадку для одержання автоколімаційного зображення використовують еталонне плоске дзеркало високої якості, встановлюване перед об’єктивом зорової труби і випробуваною системою. В другому випадку замість дзеркала використовують довгофокусний коліматор. В обох випадках основною умовою є наявність зорової труби з довгофокусним об’єктивом (1500—3000 мм) і діаметром, рівним чи трохи більшим діаметра випробуваної системи.

Автоколімаційний метод підвищує точність вимірювання фокусної відстані в два рази. Крім того, він дозволяє досліджувати системи, що знаходяться в спеціальних умовах, наприклад при низькій температурі і тиску повітря в термобарокамері.

Нехай на мал. 2 еталонне плоске дзеркало 3 і випробувана система Ои встановлені перед об’єктивом зорової труби От; F і F’відповідно передній і задній фокус об’єктива труби; Р и Р’точки предмета і зображення; ƒ`т і ƒ` -фокусні відстані об’єктива зорової труби і випробуваної системи; d-відстань між об’єктивом труби і випробуваною системою.

Якщо предмет Р розташований перед об’єктивом труби на відстані –z-ƒ`т, його зображення, що побудоване випробуваною системою й об’єктивом труби, знаходиться на оптичній осі в точці Р’ на відстані від F’, рівній z`. Як видно з мал. 2, clip_image006, звідки

clip_image008 (1)

Відповідно до формули Ньютона clip_image010. Підставляючи значення z в рівняння (1), знаходимо

clip_image012 (2)

де z’-величина дефокусування труби, отримана з різниці відліків при установці труби на нескінченність і на автоколімаційне зображення сітки окуляра від еталонного дзеркала, коли випробувана система знаходиться між об’єктивом коліматора і дзеркалом.

При великих ƒ` можна використовувати наближену формулу

clip_image014 (3)

При вимірюванні фокусної відстані плоского дзеркала також визначають z як різницю відліків при фокусуваннях труби на автоколімаційне зображення сітки окуляра, побудоване променями, відбитими від еталонного плоского дзеркала (що відповідає установці труби на нескінченність), і променями, що відбиті від випробуваного дзеркала, встановленого замість еталонного. Фокусна відстань плоского дзеркала clip_image016. Точність вимірювання ƒ` визначається виразом

clip_image018

Наприклад, якщо ƒ`т визначене з похибкою 0,2%, а дефокусування z’-з похибкою 0,5%, то сумарна відносна похибка у визначенні ƒ` складає 1%.

Вимірювання діаметрів вхідної і вихідної зіниць оптичних систем

Пучки променів, що проходять через оптичну систему, обмежуються як оправами об’єктивів, призм і дзеркал, так і спеціальними перешкодами-діафрагмами у виді непрозорих екранів із круглими чи квадратними отворами. Діафрагми служать, головним чином, для виключення шкідливих променів, що викликають появу аберацій; обмеження поля зору; усунення розсіяного світла з метою підвищення якості оптичного зображення. До основних діафрагм оптичного приладу відносять: апертурну діафрагму, вхідну зіницю, вихідну зіницю, польові і він`єтуючі діафрагми.

Апертурною називається діафрагма, що обмежує пучок променів, що виходить з осьової точки предмета. Параксіальне зображення апертурної діафрагми в просторі предметів чи апертурна діафрагма, розташована у просторі предметів, називається вхідною зіницею. Параксіальне зображення апертурної діафрагми в просторі зображень чи апертурна діафрагма, розташована у просторі зображень, називається вихідною зіницею. Таким чином, апертурна діафрагма, вхідна і вихідна зіниці є оптично сполученими елементами: зображення апертурної діафрагми, побудоване в зворотньому ході променів попередньою частиною системи, є вхідна зіниця; зображення апертурної діафрагми, побудоване наступною частиною оптичної системи в прямому ході променів, є вихідною зіницею; зображення вхідної зіниці, побудоване всією оптичною системою в прямому ході променів, — не що інше, як вихідна зіниця системи.

Відношення діаметра D вхідної зіниці системи до її фокусної відстані ƒ` називається відносним отвором системи, а величина, зворотна відносному отвору,—діафрагменим числом К:

clip_image020 .

Він`єтуючою називають будь-яку діафрагму, крім апертурної і польової, що обмежує пучки променів, що виходять із точок предмета, що лежать поза оптичною віссю. Параксіальне зображення він`єтуючої діафрагми в просторі предметів чи зображень називається відповідно вхідним чи вихідним вікном.

Числовою апертурою А в просторі предметів називають добуток показника заломлення п на абсолютне значення синуса апертурного кута clip_image022:

clip_image024 .

В свою чергу, апертурний кут clip_image022[1]-це кут між оптичною віссю і променем, що виходить з осей точки предмета і, що йде на край апертурної діафрагми.

Вимірювання діаметрів вхідної і вихідної зіниць зорової труби. Вхідною зіницею простої зорової труби, що складається з об’єктива й окуляра, є внутрішній діаметр оправи об’єктива (чи діаметр об’єктива), а вихідною зіницею — її зображення, побудоване окуляром.

Діаметри вхідної і вихідної зіниць зорової труби вимірюють після вивірки її на нескінченність шляхом фокусування на вилучений предмет чи на зображення шкали, коліматора. Наближені виміри можуть бути виконані за допомогою циркуля і міліметрової лінійки, прикладаючи які до оправи об’єктива, визначають розмір вхідної зіниці. Для визначення розміру вихідної зіниці можна використовувати як екран матове скло чи аркуш кальки, помістивши його за окуляром труби. Переміщаючи такий екран уздовж осі, знаходять найбільш різко окреслений світлий кружок — вихідну зіницю, що представляє собою зображення вхідної зіниці окуляром. Діаметр вихідної зіниці також вимірюють лінійкою чи циркулем.

Більш точно діаметри зіниць можна вимірити динаметром Рамсдена чи діоптрійною трубкою зі шкалою. Динаметр являє собою лупу (чи окуляр) зі збільшенням 10—15х, у фокусі якої знаходиться сітка з ціною поділки 0,1 мм.

Встановивши динаметр Д (мал. 3, а) на чіткий вигляд штрихів сітки і приставивши його висунутим тубусом до окуляра О2 труби, розглядають різкі краї зображення вихідної зіниці (мал. 3,б).

Число поділок сітки динаметра, що вкладаються в діаметрі кружка, визначає величину діаметра вихідної зіниці. Для визначення діаметра вхідної зіниці перед об’єктивом труби впритул до його оправи ставлять clip_image026

Мал.3. Вимірювання діаметрів зіниць зорової труби:

а — схема визначення діаметрів вхідної і вихідної зіниць зорової труби; б- поле зору діаметра

скляну шкалу Р (мал. 3), наприклад, з міліметровими поділками і розглядають її зображення через динаметр. Число поділок шкали, які видно в полі зору динаметра, визначає величину діаметра D вхідної зіниці.

Відлік по шкалі, нанесеної на оправі динаметра, покаже віддаленість вихідної зіниці від торця окуляра.

Вимірювання діаметра вихідної зіниці мікроскопа. У простих мікроскопів і мікроскопів малого збільшення апертурною діафрагмою і в той же час вхідною зіницею служить оправа об’єктива, а її зображення — вихідною зіницею мікроскопа.

У складних об’єктивах апертурною діафрагмою може служити оправа однієї з лінз об’єктива, а у вимірювальних мікроскопів— діафрагма, розташована в задній фокальній площині об’єктива. В останньому випадку в просторі предметів має місце телецентричний хід променів (головний промінь йде паралельно оптичної осі). Зображення такої оправи чи діафрагми в просторі зображень є вихідною зіницею, а в просторі предметів — вхідною зіницею, розташованою у нескінченності.

Діаметр вихідної зіниці мікроскопа вимірюють також за допомогою динаметра Рамсдена, аналогічно вимірюванню діаметра вихідної зіниці зорової труби. Спочатку мікроскоп фокусують на рівномірно освітлений предмет, наприклад аркуш білого папера. Потім на окуляр мікроскопа зверху ставлять динаметр і знаходять найбільш різке зображення країв вихідної зіниці.

Для контролю правильності вимірів діаметр D` вихідної зіниці мікроскопа може бути обчислений по наближеній формулі:

clip_image028 ,

де ƒ-фокусна відстань мікроскопа; А- числова апертура.

Вимір діаметрів вхідної і вихідної зіниць фотографічних і проекційних об’єктивів. Сучасні фотографічні і проекційні об’єктиви включають апертурні діафрагмами, встановлені всередині об’єктивів, діаметри яких можна змінювати.

Діаметр вхідної зіниці фотографічного чи проекційного об’єктивів визначають у такий спосіб. В задньому фокусі випробуваного об’єктива ставлять діафрагму з діаметром отвору 2—3 мм і освітлюють її за допомогою конденсора лампою накалювання. При виході з об’єктива промені світла йдуть рівнобіжним пучком. Після об’єктива ставлять екран, на який проектується вхідна зіниця у вигляді світлого круга, діаметр якого вимірюють лінійкою. Повернувши об’єктив іншою стороною і поставивши діафрагму в передньому фокусі об’єктива, аналогічно визначають діаметр вихідної зіниці.

Діаметри, зіниць вимірюють лінійкою з точністю 0,5—1 мм. Більш точно діаметр вхідної і вихідної зіниць можна визначити на вимірювальному мікроскопі з фокусною відстанню об’єктива не менш 50—60 мм. У цьому випадку в мікроскоп розглядають зображення діючої діафрагми об’єктива, встановленого на предметному столику й освітленого знизу розсіяним світлом. Наводять перехрестя мікроскопа на лівий і правий краї зображення апертурної діафрагми і беруть відповідні відліки по шкалі і барабанові гвинта. На вимірювальному мікроскопі діаметри зіниць об’єктиву визначають з точністю ±0,01 мм.

Якщо мікроскоп сфокусувати на передній торець оправи об’єктива, а потім на зображення діафрагми і те ж саме виконати для об’єктива, поверненого іншою стороною оправи, то різниці відліків між фокусуваннями мікроскопа при двох положеннях об’єктива дають відрізки, що визначають положення вхідної і вихідної зіниць щодо торців оправи об’єктива.

Вимірювання числової апертури мікроскопа

Числову апертуру мікроскопа визначають спеціальним приладом — апертометром чи за допомогою простих пристосувань (апертометреного кружка чи міліметрової лінійки), що забезпечують точність, достатню для практичних цілей.

Апертометрений кружок являє собою аркуш білого папера чи картону, на якому чорною тушшю нанесений ряд кіл з діаметрами l, що відповідають різним апертурам А:

clip_image030 .

Наприклад, при віддаленні h =25 мм предметної площини об’єктива мікроскопа від апертометреного кружка і при різних апертурних кутах σA діаметри кружків наступні (табл. 1):

Таблиця 1.

clip_image032

Для центрировки мікроскопа в центрі кружка наносять хрест. На такий кружок, поміщений на предметний столик, зверху ставлять металевий ковпачок висотою h=25 мм із бічними вирізами для підсвічування і з круглим отвором в центрі діаметром 1 мм. Спочатку мікроскоп фокусують на отвір ковпачка, а потім ковпачок і окуляр видаляють. Замість окуляра ставлять діафрагму з отвором у центрі, через яку, приблизно в задній фокальній площині об’єктива, спостерігають зображення кіл апертометреного кружка. Відзначають гранично видимий кружок по краях поля зору, що відповідає обумовленій апертурі.

Над отвором предметного столика поміщають скляну пластинку з перехрестям, на яке фокусується мікроскоп. Дзеркало, що служить для підсвічування, видаляють і на нижні припливи підставки мікроскопа кладуть міліметрову лінійку так, щоб осьова лінія її розподілів пройшла по діаметру поля зору. Після цього окуляр заміняють діафрагмою, зазначеною вище, і через її отвір спостерігають зображення поділок лінійки.

Число поділок, що уклалися в поле зору, і є діаметр кружка l. Потім знаходять тангенс кута σA (відношення радіуса кружка l/2 до відстані h міліметрової лінійки від скляної пластинки на предметному столику) і синус кута σA, тобто числову апертуру А.

Отримане значення числової апертури можна перевірити по формулі

clip_image034 ,

де D-діаметр вхідної зіниці; clip_image036-видиме збільшення мікроскопа; δ — відстань найкращого зору.

Оставьте комментарий к статье