ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА И ФОТОМЕТРИЯ

 

Цель: определение параметров оптических элементов, фотометрирование светящихся объектов.

 

Введение

 

В работе исследуются основные закономерности геометрической оптики и изучаются простейшие оптические устройства — линзы.

Линза — прозрачное тело, ограниченное, как правило, сферическими поверхностями. Прямая, проходящая через центры кривизны поверхностей, называется главной оптической осью. Рассмотрим распространение света от точечного источника, расположенного в точке P (рис.4.2, а). Лучи, вышедшие из точки P, пройдя через линзу, пересекаются в точке . Если же все лучи, вышедшие из P, пересекаются в одной точке , то  называется стигматическим (или резким) изображением источника Р. Изображение называется действительным, если световые лучи пересекаются в точке  и мнимым, если в точке  пересекаются их продолжения проведенные в направлении, противоположном направлению распространения света. Линза дает стигматическое изображение только для лучей, идущих вблизи оптической оси с малым углом раствора. В этом случае изображением небольшого предмета, расположенного в плоскости, перпендикулярной к оптической оси (предметная плоскость), будет плоская фигура, геометрически подобная исходной и перпендикулярная к той же оси (см. § 7 разд.1). Отношение линейных поперечных размеров изображения H и предмета h называется линейным поперечным увеличением  b = H/h (рис.4.2, б).

В дальнейшем источником P (или S) будем называть не только светящийся точечный объект, но и центр кривизны волновой поверхности, падающей на линзу световой волны. Причем если на линзу падает сходящаяся волна, то точка Р лежит на продолжении лучей и называется мнимым источником.

 

 

Рис.4.2

 

Если толщина линзы мала по сравнению с радиусами кривизны поверхностей, то линза называется тонкой. Формула тонкой линзы (см. § 7 разд.1 (1.36)):

                                      ,                                 (4.1)

где a — расстояние от источника до линзы; b — расстояние от линзы до изображения ; f — фокусное расстояние. Для собирающей линзы f > 0, для рассеивающей f < 0. Величина a считается отрицательной для сходящегося пучка; а b — отрицательно для мнимого изображения.

Линейное поперечное увеличение b тонкой линзы:

                                      .                                 (4.2)

Последнее равенство возникает из подобия двух прямоугольных треугольников с общей вершиной в центре линзы.

Линза Л2 вставленная в держатель Д4 и передвижной столик образуют проекционную систему. Назначение проекционной системы — давать увеличенное действительное изображение светящегося или освещенного предмета. Простейшая схема проекционной системы приведена на рис.4.2, б.

Клин — это призма с малым углом  Q << 1 (рис.4.3). На рис.4.3 0 — падающий луч; 1, 2 — отраженные от граней клина лучи; 3 — преломленный луч. При малых углах падения преломленный луч отклоняется на угол:

                                    ,                               (4.3)

а угол между отраженными от граней клина лучами

                                        j = 2nQ,                                   (4.4)

где n — показатель преломления клина.

 

Рис.4.3

 

Фотометрия — раздел оптики, связанный с измерением световых потоков. Напомним, что потоком энергии   DF_э через малую поверхность DS называется величина энергии, переносимая волной через DS за единицу времени:

,

где I — интенсивность волны; a — угол между направлением распространения волны и нормалью к поверхности DS.

Величину потока энергии, приходящегося на единицу телесного угла, называют энергетической силой света: J = dF_э/dW.

Действие света на глаз (световое ощущение) в сильной степени зависит от длины волны l. Поэтому для характеристики интенсивности света с учетом его способности вызывать зрительное ощущение вводится величина F, называемая световым потоком. Тогда величину светового потока, приходящегося на единицу телесного угла, называют силой света: J = dF/dW. Единицы измерения: светового потока F — люмен (лм), силы света J — кандела (кд).

Для монохроматического источника сила света рассчитывается по формуле:

                                     ,                               (4.5)

где V(l) — функция видности (относительная спектральная чувствительность глаза), A = 0,016 Вт/лм — энергетический эквивалент света.

 

Описание установки

 

Работа выполняется на лабораторном оптическом комплексе — ЛОК-1. Необходимые элементы приведены в соответствующих заданиях.

 

Задание 1

 

Настройка установки

 

Настройка заключается в фиксации лазерного луча и центров оптических элементов строго на оптической оси установки.

1. Поставьте на оптическую скамью столик с держателем Д4 и фоторегистратором. Установите регулировочными винтами держателя Д4 обойму с линзой в центральное положение. Включите лазер.

2. Отодвиньте столик на максимальное расстояние от зеркала 2. Смещая луч по горизонтали и вертикали винтами зеркала 2, установите центр светлого пятна в точке пересечения шкал на экране фоторегистратора.

3. Придвиньте столик как можно ближе к зеркалу 2 и снова установите центр пятна в точке пересечения шкал, но теперь уже винтами зеркала 1. Повторяйте процедуру до тех пор, пока при перемещении столика вдоль скамьи смещение пятна на экране составит не более 0,1 – 0,3 диаметра пятна. Луч лазера отъюстирован.

При установке на рельс оптической скамьи каждого нового оптического элемента, прежде всего с помощью винтов держателя этого элемента, добивайтесь возвращения центра светлого пятна в точку пересечения шкал на экране фоторегистратора Э3. Это означает, что центр оптического элемента находится на оптической оси установки, и можно приступать к эксперименту или размещать на рельсе следующие нужные для эксперимента элементы. В процессе эксперимента можно, смещая лупу Л2 винтами держателя Д4, перемещать картину на экране Э3 в положение, удобное для наблюдений и измерений, например со шкалы фоторегистратора на щель фотодатчика и обратно.

Задание 2

 

⇐ Предыдущая40414243444546474849Следующая ⇒

Поделиться: