background image

 

 

07.03.2012 

 

Optyka inżynierska- zajęcia laboratoryjne. 

Wydział podstawowych problemów technicznych. 

Grupa 2 – czwartek 11

15

 – 15

00 

Ćwiczenie 4  

Prążki równej grubości - wyznaczanie kształtu powierzchni metodą 

interferencyjną. 

 

1. 

Cel ćwiczenia: 

 

Obliczenie

 promienia krzywizny badanych soczewek w naszym wypadku jest to 

soczewka sferyczna oraz cylindryczna na podstawie dokonanych pomiarów. W 
pomiarach wykorzystywane jest zjawisko powstawania przestrzennego rozkładu 
amplitudy fali (wzmocnienia i wygaszenia) w wyniku nakładania się (superpozycji) 
dwóch lub więcej fal. Warunkiem interferencji fal jest ich spójność, czyli korelacja faz, 
amplitudy i częstotliwości. Celem ćwiczenia jest również zapoznanie się z przyrządem i 
jego obsługom. 

2.  Przebieg ćwiczenia 

 

Umieszczenie na sprawdzianie (płaskiej płytce szklanej) badanego obiektu w 
tym przypadku były to dwie soczewki sferyczna, która jest wycinkiem sfery 
oraz cylindryczna, która jest wycinkiem walca, następnie należy oświetlić układ 
padającą z góry prostopadłą falą płaską. W wyniku interferencji fal odbitych od 
dolnej powierzchni soczewki i górnej powierzchni sprawdzianu powstają 
koncentryczne prążki równej grubości o kolistym kształcie dla soczewki 
sferycznej natomiast w przypadku soczewki cylindrycznej obserwujemy 
pionowe prążki równej grubości. 

 

Rys.1 Obraz pierścieni Newtona dla soczewki sferycznej zarejestrowany przez kamerę dla długości fali λ=470nm 

background image

 

 

07.03.2012 

 

 

   

Rys.2 Obraz pierścieni Newtona dla soczewki cylindrycznej zarejestrowany przez kamerę dla długości fali λ=470nm 

 
 

 

Wykonanie skalowania 

 

Obserwacja prążków interferencyjnych na monitorze z obrazu 
zarejestrowanego dzięki kamerze i pomiar ich średnic na obrazie (odczyt z 
wykresu) w powiększeniu 2x 

 

Zarejestrowanie jak najdokładniejszych obrazów pierścieni Newtona i 
wykresów dla poszczególnych długości fal przy użyciu kamery i komputera. 

 

Obliczenie promienia krzywizny badanej soczewki korzystając ze wzoru. 

k

R

R

k

S

2

, gdzie 

k- kolejnym rzędem prążka.  
 

3. 

Zamiana jednostki piksel na milimetr- Skalowanie 

By wyznaczyć szerokość piksela kamery wykonano zdjęcie podziałki, na której 
szerokość między dwoma kreskami wynosił 0,1. Następnie wyskalowano dzięki 
zrobionemu wykresowi i użyciu proporcji.

  

background image

 

 

07.03.2012 

 

 

 

 

0,1 mm-53 piksele 

1 piksel=0,1/53=0,00188 mm= 1880 nm 

Niepewność pomiarów liczona z wzoru: 

)

1

(

)

(

1

2

n

n

R

R

R

n

i

s

si

s

 

4.  Tabele pomiarowe, przykładowe wykresy zależności natężenia światła 

od pozycji poszczególnych prążków dla różnych długości fali 
przechodzących przez soczewkę sferyczną. 

 

 

Pomiary soczewki płasko-wypukłej sferycznej dla fali niebieskiej o dł. 470nm 

 

 

 

50 

100 

150 

200 

250 

200 

400 

600 

800 

1000 

1200 

1400 

N

atę

że

n

ie

 świ

atł

Pozycja prążków w pikselach 

50 

100 

150 

200 

200 

400 

600 

800 

1000 

1200 

1400 

N

atęż

e

n

ie

 ś

w

ia

tła

 

Pozycja prążka [px] 

Wykres dla światłą niebieskiego 

background image

 

 

07.03.2012 

 

Nr 

prążka k 

Współrzędna 

Współrzędna 

Średnica 

[px] 

Promień 

[px] 

Promień 

r [mm] 

r^2  

[mm^2] 

k*λ 

486 

737 

251 

125,5 

0,236 

0,056 

0,00047 

440 

786 

346 

173 

0,325 

0,106 

0,00094 

404 

825 

421 

210,5 

0,396 

0,157 

0,00141 

372 

857 

485 

242,5 

0,456 

0,208 

0,00188 

346 

884 

538 

269 

0,506 

0,256 

0,00235 

325 

909 

584 

292 

0,549 

0,301 

0,00282 

296 

932 

636 

318 

0,598 

0,357 

0,00329 

275 

953 

678 

339 

0,637 

0,406 

0,00376 

243 

974 

731 

365,5 

0,687 

0,472 

0,00423 

10 

222 

999 

777 

388,5 

0,730 

0,533 

0,0047 

 
 

 

Pomiary soczewki płasko-wypukłej sferycznej dla fali zielonej o dł. 520nm  

Nr 

prążka k 

Współrzędna 

Współrzędna 

Średnica 

[px] 

Promień 

[px] 

Promień 

r [mm] 

r^2  

[mm^2] 

k*λ 

473 

735 

262 

131 

0,246 

0,061 

0,00052 

423 

788 

365 

182,5 

0,343 

0,118 

0,00104 

384 

828 

444 

222 

0,417 

0,174 

0,00156 

352 

860 

508 

254 

0,478 

0,228 

0,00208 

323 

888 

565 

282,5 

0,531 

0,282 

0,0026 

296 

915 

619 

309,5 

0,582 

0,339 

0,00312 

272 

943 

671 

335,5 

0,631 

0,398 

0,00364 

253 

964 

711 

355,5 

0,668 

0,447 

0,00416 

229 

1000 

771 

385,5 

0,725 

0,525 

0,00468 

10 

209 

1014 

805 

402,5 

0,757 

0,573 

0,0052 

 
 

 

Pomiary soczewki płasko-wypukłej sferycznej dla fali żółtej o dł. 590 nm 
 

Nr 

prążka k 

Współrzędna 

Współrzędna 

Średnica 

[px] 

Promień 

[px] 

Promień 

r [mm] 

r^2 

 [mm^2] 

k*λ 

464 

741 

277 

138,5 

0,260 

0,068 

0,00059 

411 

798 

387 

193,5 

0,364 

0,132 

0,00118 

369 

842 

473 

236,5 

0,445 

0,198 

0,00177 

334 

876 

542 

271 

0,509 

0,260 

0,00236 

304 

908 

604 

302 

0,568 

0,322 

0,00295 

276 

936 

660 

330 

0,620 

0,385 

0,00354 

250 

962 

712 

356 

0,669 

0,448 

0,00413 

225 

987 

762 

381 

0,716 

0,513 

0,00472 

202 

1010 

808 

404 

0,760 

0,577 

0,00531 

10 

181 

1031 

850 

425 

0,799 

0,638 

0,0059 

background image

 

 

07.03.2012 

 

 
 

 

Pomiary soczewki płasko-wypukłej sferycznej dla fali pomarańczowej o dł. 605 
nm. 
 
 

Nr 

prążka k 

Współrzędna 

Współrzędna 

Średnica 

[px] 

Promień 

[px] 

Promień 

r [mm] 

r^2  

[mm^2] 

k*λ 

456 

738 

282 

141 

0,265 

0,070 

0,000605 

403 

795 

392 

196 

0,368 

0,136 

0,00121 

361 

838 

477 

238,5 

0,448 

0,201 

0,001815 

326 

874 

548 

274 

0,515 

0,265 

0,00242 

295 

906 

611 

305,5 

0,574 

0,330 

0,003025 

267 

934 

667 

333,5 

0,627 

0,393 

0,00363 

240 

960 

720 

360 

0,677 

0,458 

0,004235 

216 

985 

769 

384,5 

0,723 

0,523 

0,00484 

193 

1009 

816 

408 

0,767 

0,588 

0,005445 

10 

171 

1023 

852 

426 

0,801 

0,641 

0,00605 

 
 
 

 

Pomiary soczewki płasko-wypukłej sferycznej dla fali czerwonej o dł. 626 nm. 

 
 

Nr 

prążka k 

Współrzędna 

Współrzędna 

Średnica 

[px] 

Promień 

[px] 

Promień 

r [mm] 

r^2 

[mm^2] 

k*λ 

443 

735 

292 

146 

0,274 

0,075 

0,000626 

387 

795 

408 

204 

0,384 

0,147 

0,001252 

344 

839 

495 

247,5 

0,465 

0,217 

0,001878 

306 

877 

571 

285,5 

0,537 

0,288 

0,002504 

273 

910 

637 

318,5 

0,599 

0,359 

0,00313 

244 

940 

696 

348 

0,654 

0,428 

0,003756 

216 

968 

752 

376 

0,707 

0,500 

0,004382 

191 

1000 

809 

404,5 

0,760 

0,578 

0,005008 

167 

1017 

850 

425 

0,799 

0,638 

0,005634 

10 

144 

1040 

896 

448 

0,842 

0,709 

0,00626 

 

 

 

background image

 

 

07.03.2012 

 

5.  Zestawienie wyników pozwalających obliczyć promień krzywizny 

soczewki sferycznej przy pomocy wykresu r^2(kλ) 

 

r^2 

k*λ 

r^2 

k*λ 

r^2 

k*λ 

r^2 

k*λ 

r^2 

k*λ 

0,075 

0,000626 

0,070 

0,000605 

0,068 

0,00059 

0,061 

0,00052 

0,056 

0,00047 

0,147 

0,001252 

0,136 

0,00121 

0,132 

0,00118 

0,118 

0,00104 

0,106 

0,00094 

0,217 

0,001878 

0,201 

0,001815 

0,198 

0,00177 

0,174 

0,00156 

0,157 

0,00141 

0,288 

0,002504 

0,265 

0,00242 

0,260 

0,00236 

0,228 

0,00208 

0,208 

0,00188 

0,359 

0,00313 

0,330 

0,003025 

0,322 

0,00295 

0,282 

0,0026 

0,256 

0,00235 

0,428 

0,003756 

0,393 

0,00363 

0,385 

0,00354 

0,339 

0,00312 

0,301 

0,00282 

0,500 

0,004382 

0,458 

0,004235 

0,448 

0,00413 

0,398 

0,00364 

0,357 

0,00329 

0,578 

0,005008 

0,523 

0,00484 

0,513 

0,00472 

0,447 

0,00416 

0,406 

0,00376 

0,638 

0,005634 

0,588 

0,005445 

0,577 

0,00531 

0,525 

0,00468 

0,472 

0,00423 

0,709 

0,00626 

0,641 

0,00605 

0,638 

0,0059 

0,573 

0,0052 

0,533 

0,0047 

 

Wszystkie punkty dla osobnych długości fali zostały zaznaczone na wykresie punktowym i 
połączone linią trendu. Równanie linii trendu przechodzącej przez punkty przyporządkowane 
danemu kolorowi światła generuje równanie prostej pod postacią y=ax+b, gdzie wartość a 
jest szukaną przez nas wartością promienia krzywizny badanej soczewki.  
Równania linii trendu dla wszystkich długości fali przechodzących przez soczewkę sferyczną 
dla: 

  fali niebieskiej y=110,99x-0,0017 => R=110,99 [mm] 
  fali zielonej y=109,42x+0,0014 => R=109,42 [mm] 
  fali żółtej y=107,36x+0,0057 => R=107,36 [mm] 
  fali pomarańczowej y=105,76x+0,0087 => R=105,76 [mm] 
  fali czerwonej y=112,87x+0,0053 => R=112,87 [mm] 

 

Wartość uśredniona wraz z niepewnością pomiarową obliczoną metodą odchylenia 
standardowego. 

R

ś

=

 

109,28 ± 2,53 [mm]

  

 

 

background image

 

 

07.03.2012 

 

6.  Tabele pomiarowe, przykładowe wykresy zależności natężenia światła 

od pozycji poszczególnych prążków dla różnych długości fali 
przechodzących przez soczewkę cylindryczną.  
 

 

Pomiary soczewki cylindrycznej dla fali niebieskiej o dł. 470nm 

 

 

 

Nr prążka 

Współrzędna 

Współrzędna 

Średnica 

[px] 

Promień 

[px] 

Promień r 

[mm] 

r^2 [m^2] 

k*λ 

529 

714 

185 

92,5 

0,174 

0,030 

0,00047 

483 

763 

280 

140 

0,263 

0,069 

0,00094 

450 

797 

347 

173,5 

0,326 

0,106 

0,00141 

422 

826 

404 

202 

0,380 

0,144 

0,00188 

396 

850 

454 

227 

0,427 

0,182 

0,00235 

357 

873 

516 

258 

0,485 

0,235 

0,00282 

335 

882 

547 

273,5 

0,514 

0,264 

0,00329 

317 

898 

581 

290,5 

0,546 

0,298 

0,00376 

302 

918 

616 

308 

0,579 

0,335 

0,00423 

10 

284 

935 

651 

325,5 

0,612 

0,374 

0,0047 

 

 

 

 

50 

100 

150 

200 

250 

200 

400 

600 

800 

1000 

1200 

1400 

N

atę

że

n

ie

 świ

atł

a

 

Pozycja prążków [px] 

background image

 

 

07.03.2012 

 

 

Pomiary soczewki cylindrycznej dla fali zielonej o dł. 520nm  

Nr prążka 

Współrzędna 

Współrzędna 

Średnica 

[px] 

Promień 

[px] 

Promień r 

[mm] 

r^2 [m^2] 

k*λ 

500 

701 

201 

100,5 

0,184 

0,034 

0,00052 

451 

749 

298 

149 

0,273 

0,076 

0,00104 

415 

785 

370 

185 

0,339 

0,115 

0,00156 

385 

816 

431 

215,5 

0,395 

0,156 

0,00208 

359 

841 

482 

241 

0,442 

0,195 

0,0026 

334 

865 

531 

265,5 

0,486 

0,237 

0,00312 

312 

886 

574 

287 

0,526 

0,276 

0,00364 

291 

905 

614 

307 

0,562 

0,316 

0,00416 

272 

914 

642 

321 

0,588 

0,346 

0,00468 

10 

243 

943 

700 

350 

0,641 

0,411 

0,0052 

 

 

Pomiary soczewki cylindrycznej dla fali żółtej o dł. 590 nm 

Nr 

prążka k 

Współrzędna 

Współrzędna 

Średnica 

[px] 

Promień 

[px] 

Promień r 

[mm] 

r^2 

[mm^2] 

k*λ 

529 

742 

213 

106,5 

0,200 

0,040 

0,00059 

478 

794 

316 

158 

0,297 

0,088 

0,00118 

441 

832 

391 

195,5 

0,368 

0,135 

0,00177 

408 

864 

456 

228 

0,429 

0,184 

0,00236 

381 

892 

511 

255,5 

0,480 

0,231 

0,00295 

355 

917 

562 

281 

0,528 

0,279 

0,00354 

332 

941 

609 

304,5 

0,572 

0,328 

0,00413 

311 

962 

651 

325,5 

0,612 

0,374 

0,00472 

291 

982 

691 

345,5 

0,650 

0,422 

0,00531 

10 

271 

1001 

730 

365 

0,686 

0,471 

0,0059 

 

 

 

background image

 

 

07.03.2012 

 

 

 

Pomiary soczewki cylindrycznej dla fali pomarańczowej o dł. 605 nm.

 

Nr prążka 

Współrzędna 

Współrzędna 

Średnica 

[px] 

Promień 

[px] 

Promień r 

[mm] 

r^2 

[mm^2] 

k*λ 

743 

527 

216 

108 

0,203 

0,041 

0,000605 

795 

476 

319 

159,5 

0,300 

0,090 

0,00121 

836 

438 

398 

199 

0,374 

0,140 

0,001815 

866 

405 

461 

230,5 

0,433 

0,188 

0,00242 

895 

379 

516 

258 

0,485 

0,235 

0,003025 

921 

351 

570 

285 

0,536 

0,287 

0,00363 

944 

328 

616 

308 

0,579 

0,335 

0,004235 

963 

306 

657 

328,5 

0,618 

0,381 

0,00484 

985 

286 

699 

349,5 

0,657 

0,432 

0,005445 

10 

1004 

269 

735 

367,5 

0,691 

0,477 

0,00605 

 

 

Pomiary soczewki płasko-wypukłej sferycznej dla fali czerwonej o dł. 626 nm. 
 

Nr prążka 

Współrzędna 

Współrzędna 

Średnica 

[px] 

Promień 

[px] 

Promień r 

[mm] 

r^2 

[mm^2] 

k*λ 

490 

724 

234 

117 

0,220 

0,048 

0,000626 

438 

776 

338 

169 

0,318 

0,101 

0,001252 

398 

817 

419 

209,5 

0,394 

0,155 

0,001878 

364 

851 

487 

243,5 

0,458 

0,210 

0,002504 

334 

879 

545 

272,5 

0,512 

0,262 

0,00313 

308 

906 

598 

299 

0,562 

0,316 

0,003756 

283 

924 

641 

320,5 

0,603 

0,363 

0,004382 

261 

953 

692 

346 

0,650 

0,423 

0,005008 

239 

974 

735 

367,5 

0,691 

0,477 

0,005634 

10 

219 

994 

775 

387,5 

0,729 

0,531 

0,00626 

 

 

 

background image

 

 

07.03.2012 

 

7.  Zestawienie wyników pozwalających obliczyć promień krzywizny 

soczewki cylindrycznej przy pomocy wykresu r^2(kλ) 
 

r^2 

k*λ 

r^2 

k*λ 

r^2 

k*λ 

r^2 

k*λ 

r^2 

k*λ 

0,048 

0,000626 

0,041 

0,000605 

0,040 

0,00059 

0,034 

0,00052 

0,030 

0,00047 

0,101 

0,001252 

0,090 

0,00121 

0,088 

0,00118 

0,075 

0,00104 

0,069 

0,00094 

0,155 

0,001878 

0,140 

0,001815 

0,135 

0,00177 

0,115 

0,00156 

0,106 

0,00141 

0,210 

0,002504 

0,188 

0,00242 

0,184 

0,00236 

0,156 

0,00208 

0,144 

0,00188 

0,262 

0,00313 

0,235 

0,003025 

0,231 

0,00295 

0,195 

0,0026 

0,182 

0,00235 

0,316 

0,003756 

0,287 

0,00363 

0,279 

0,00354 

0,237 

0,00312 

0,235 

0,00282 

0,363 

0,004382 

0,335 

0,004235 

0,328 

0,00413 

0,276 

0,00364 

0,264 

0,00329 

0,423 

0,005008 

0,381 

0,00484 

0,374 

0,00472 

0,316 

0,00416 

0,298 

0,00376 

0,477 

0,005634 

0,432 

0,005445 

0,422 

0,00531 

0,346 

0,00468 

0,335 

0,00423 

0,531 

0,00626 

0,477 

0,00605 

0,471 

0,0059 

0,411 

0,0052 

0,374 

0,0047 

 

Wszystkie punkty dla osobnych długości fali zostały zaznaczone na wykresie punktowym i 
połączone linią trendu. Równanie linii trendu przechodzącej przez punkty przyporządkowane 
danemu kolorowi światła generuje równanie prostej pod postacią y=ax+b, gdzie wartość a 
jest szukaną przez nas wartością promienia krzywizny badanej soczewki.  
Równania linii trendu dla wszystkich długości fali przechodzących przez soczewkę 
cylindryczną dla: 

  fali niebieskiej y=81,666x-0,0057 => R=81,666 [mm] 
  fali zielonej y=81,047x- 0,0078 => R=81,047 [mm] 
  fali żółtej y=78,147x- 0,0075 => R=78,147 [mm] 
  fali pomarańczowej y=80,333x-0,0066 => R=80,333 [mm] 
  fali czerwonej y=85,685x+0,0057 => R=85,685 [mm] 

 

Wartość uśredniona wraz z niepewnością pomiarową obliczoną metodą odchylenia 
standardowego. 

R

ś

= 81,376 ± 2,461 [mm] 

 

 

 

background image

 

 

07.03.2012 

 

8.  Wnioski: 

Wartości promieni krzywizn poszczególnych soczewek dla pomiarów światła o różnej 
długości fali są tego samego rzędu oraz są do siebie zbliżone. Biorąc pod uwagę 
niepewności pomiarowe, które maja wpływ na niewielkie różnice między 
wyznaczonymi promieniami, można stwierdzić, iż interferencyjna metoda pomiarowa 
jest skuteczna i dość dokładna. Niepewności pomiarowe mogą wynikać z przeciętnej 
szczegółowości otrzymanych wykresów oraz subiektywności odczytywania wartości. 
Analizując otrzymane wyniki można stwierdzić, że wartości promieni krzywizn dla 
soczewki płasko-wypukłej zwiększają się wraz ze spadkiem długości fali, jedynie wyniki 
dla fali o długości 626nm odbiegają znacznie od normy. Przyczyną może być 
niedokładność z otrzymanych rezultatów. Natomiast dla soczewki cylindrycznej nie 
można zauważyć podobnego wzorca przyczyną może być fakt, że soczewka nie jest 
idealnie cylindryczna gdyż posiada dwa różne zakrzywienia w innych kierunkach.