光具组基点的测定

实验4 光具组基点的测定
有两个或两个以上的共轴薄透镜组合而成的光学系统（共轴球面系统），称
为光具组．最后成像的位置及像的大小可以利用作图法逐步求出，也可用薄透镜成像的高斯公式逐步计算出．但是，最简捷的方法通常是将光具组作为一个光学元件，不论光具组透镜焦距及透镜间的距离为何值，在表征系统成像的性质时，只需给出六个特别点，利用一次成像的高斯公式就可以得到所成像的位置及放大率．这六个点，统称为光具组的基点．
1.了解测节器的构造及工作原理；
2.加强对光具组基点性质的认识；
3.掌握光具组基点与焦距测定的方法．
光具座，测节器，薄透镜（4片），物屏，光源，准直透镜，平面反射镜，白屏．
测节器由一个可绕铅直轴'OO 转动的水平滑槽R 与待测光具组（由透镜L 1、L 2共轴用套筒链接）组成如图4-1所示，光具组可沿滑槽水平移动，并可由槽上的刻度尺读出转轴、L 1、L 2的位置．
一、光具组的基点和基面
图4-1光具组基点测定实物图
1.主点和主面
若将物体垂直于系统的光轴，放置在物方主点H 处，则必成一个与物体同样大小的正立的像于像方主点H'处，即主点是横向放大率β＝＋１的一对共轭点．过主点垂直于光轴的平面，分别称为物方和像方主面，如图4-2中的MH 和M'H'．
2.节点
节点是角放大率γ=+1的一对共轭点．入射光线（或其延长线）通过物方节点N 时，出射光光线（或其延长线）必通过像方节点N '，并与N 的入射光线平行（如图4-1）．
当共轴球面系统处于同一介质中时，两主点分别与两节点重合． 3.焦点、焦面
平行于系统主轴的平行光束，经系统折射后与主轴的交点F '称为像方焦点；过F '垂直于主轴的平面称为像方焦面．像方主点H ＇到像方焦点F '的距离，称为系统的像方焦距f '．此外，还有物方焦点F 及焦面和焦距f ．
综上所述，薄透镜的两主点与透镜的光心重合，而共轴球面系统两主点的位置，将随各组合透镜或折射面的焦距和系统的空间特性而异．下面以两个薄透镜组合为例进行讨论．
设两薄透镜的像方焦距分别为f 1＇和f 2＇，两透镜之间距离为d ，则透镜组的像方焦距f '可由下式求出：
()
d
f f f f f -+='2'1'
2'1'
（4-1） 光具组物方焦距与像方焦距大小相等，两主点位置为：
()
d f f d f p -+-='2'1'2'
()d
f f d f p -+='2'1'1 （4-2）
图4-2 理想光具组成像图
p '是第二透镜光心到像方主点的距离，p 是从第一透镜光心到物方主点的距
离．可以证明，对于凸透镜组成的光具组，当'2'1f f d +<时，有
d p p >'+ （4-3）
二、用测节器测定光具组的基点
设有一束平行光入射于由两片薄透镜组成的光具组，光具组与平行光束共 轴，光线通过光具组后，会聚于白屏上的Q 点，此Q 点为光具组的像方焦点F '．若以垂直于平行光的某一方向为轴，将光具组转动一小角度，可有如下两种情况： 1.转轴恰好通过光具组的像方节点'N
因为入射物方节点N 的光线必从像方节点'N 射出，而且出射光平行于入射光．现在'N 未动，入射角光束方向未变，所以通过光具组的光束，仍然会聚于焦平面上的Q 点，如图4-3(a)所示．但是，这时光具组的像方焦点F '已离开Q 点，严格地讲，旋转后像的清晰度稍差． 2.转轴未通过光具组的像方节点'N
由于像方节点'N 未在转轴上，所以光具组转动后，'N 出现移动，但经'N 的出射光仍然平行于入射光，所以由'N 出射的光线和前一情况相比将出现平移，光束的会聚点将从Q 移到'Q ，如图4-3(b)所示．
综合上述两种情况来判断光具组节点的位置．
一、共轴粗调
按图4-4所示，将光源、物屏、准直透镜、光具组、像屏从左至右依次置于
)
(a )
(b 图4-3 转动光具组像位置的变化
光具座上，将所有元件靠拢，目测，使所有元件的中心大致在同一条直线上，并与光具座平行．注意，眼睛要与各元件在同一水平线上． 二、用自准直法获取平行光
打开光源，将平面镜置于准直透镜与光具组之间，调节透镜的位置，使其出射光为平行光（原理及方法见薄透镜焦距的测定），调好后取下平面镜，物屏与准直透镜的位置均不得移动． 三、光具组基点位置的测定
1.取焦距为60mm 和75mm 的两块透镜、长为210mm 的镜筒，组成光具组置于测节器的滑槽上，利用公式（4-1）和（4-2），计算出像方焦距f '（像方主点到像方焦点的距离）和p '（第二透镜光心到像方主点的距离）的理论值，根据理论值摆放仪器的位置，便于调节．
2.移动光具组，使其像方透镜的光心与仪器转轴'OO 的距离为p '的理论值，移动像屏得到清晰的像，轻轻少许转动测节器，从像的移动判断N '的位置，逐渐移动光具组S L ，直到微转测节器，像不动为止（像方节点'N 在转轴'OO 上）．记录'OO 轴、焦点'F 及透镜2L 光心的位置，重复4次．
3.绘图表示光具组像方主点及像方焦点的位置，计算焦距'f 及标准偏差．
4.取焦距为-100mm 和75mm 的两块透镜、长为50mm 的镜筒，组成光具组，重复上述步骤．
5.取焦距为100mm 和-100mm 的两块透镜、长为50mm 的镜筒，组成光具组，重复上述步骤．
1.f 1= 60 mm f 2= 75 mm d = 210 mm p'=210 mm f ' =-60 mm
2. f2=75 mm f4=-100 mm d2=50 mm p'=-66.7 mm f ' =100 mm
3.f3=100mm f4 =-100mm d2=50mm p'=-100mm f =200mm
1．测量前要调共轴；
2．每次测量前均需用自准法检查入射光是否为平行光；
3．操作小心谨慎，防止光学元件从轨道上掉落．
直接扫描式全景相机，也称为节点式全景相机．照相时，镜头绕通过后节点的轴转动或摆动，胶片在一个圆弧的展平板上静止不动并被展平，无速度同步要求，分辨率高．
对于节点镜头式相机，相机镜头作为一个整体围绕平面反射镜表面上节点旋转，反射镜位置在镜头后顶点与焦平面之间．同时，平面反射镜以镜头角速度的一半旋转，胶片的运动速率等于焦距与镜头角速率之乘积．三个运动部件必须维持同步．
本实验的构思亮点：利用光具组节点的性质——入射光若经物方节点，则出
射光必经过像方节点且与入射光平行射出，通过调节测节器的转轴与光具组的相对位置，使光具组的转轴经过像方节点，此时旋转转轴，像不再有侧向移动．这样，将抽象的节点，变得可以测量．
操作的难点：旋转测节器判断像是否侧移时，学生可利用放大镜（凸透镜）观察，以减小误差．
1.解释用自准法获得平行光的原理．
2.主点、节点的含义是什么？它们在什么条件下重合在一起？
3.实验中确定节点的依据是什么？如何确定？
4.自准法可测出焦点的位置，能测定焦距吗？为什么？
5.已知什么量？哪个是待测量？如何控制变量？关注仪器的分度值及单位．按要求处理实验数据，完成实验报告．
6.本实验还有哪些操作难点？针对操作难点，摸索并掌握正确的调节的方法．
尝试设计测定显微目镜组的基点（实验室提供显微目镜组、测微目镜光具座等），写出实验方案，并完成实验．。