Datorlaboration Avbildningskvalitet Datorlaborationenen äger rum i datorsal RB33, Roslagstullsbacken 33 (gula huset närmast busshållplatsen utanför Albanova). Den börjar kl 13.00 (utan kvart). Om möjligt ska alla arbeta vid egen dator. Däremot är det fritt fram att hjälpa varandra och diskutera tänk bara på ljudnivån. Be assistenterna om hjälp när du kör fast, eller när du ska redovisa ett delmoment. Om du måste vänta på att få redovisa, fortsätt med nästa delmoment under tiden. Kom bara ihåg att spara dina linser innan du går vidare! Kopiera också över t.ex. Spot diagrams och MTF till något program du kan hantera, såsom Word eller Excel, så att du kan visa och diskutera dem när assistenten kommer. När du gjort alla delmoment, och diskuterat dem med assistenten, är laborationen godkänd. För att kopiera ett fönster ur Winlens, högerklicka på fönstret och välj Copy XXX to clipboard (XXX beror på om du kopierar t.ex. en bild, graf, eller tabell). Sedan kan du klista in den någon annanstans med Ctrl+V. Förberedelseuppgiften godkänd (signatur) Spot diagrams Under förberedelseuppgiften förde du in två linser i Winlens. Nu ska du titta på Spot Diagrams för att bedöma hur bra linserna är. När du öppnar en ny lins, försvinner Spot diagrams för den gamla. Så för att kunna göra en jämförelse måste du kopiera Spot diagrams och lägga dem i en anna fil, t.ex. i Word eller Excel. A1. Öppna den planokonvexa lins du skapade under förberedelseuppgiften. Gå till Graphs under huvudmenyn och välj Spot diagrams. Nu får du upp ett fönster med tio olika plotter. Titta t.ex. på den övre raden, mittersta plotten. Den ligger i bildplanet, på den optiska axeln. Programmet har räknat ut var ett antal strålar träffar, och ritat en prick för varje stråle. För ett perfekt fokus skulle alla strålarna träffa samma punkt, men pga t.ex. aberrationer träffar inte alla strålar i mitten. Ju längre ifrån varandra strålarna träffar, desto sämre är linsen. A2. Gör fönstret större. Gå sedan till Options i huvudmenyn och välj Number of ray rings. Välj 20 och tryck OK. Nu ökar antalet strålar, och det blir lättare att se hur fokus ser ut. 1
A3. Längst upp till vänster finns tre gula rutor. Den översta heter Scale och anger hur stora graferna ska vara. Ändra den till 1 mm och se vad som händer. Du kommer ofta att behöva justera Scale i fortsättningen välj den alltid så att du ser Spot Diagrams så tydligt som möjligt. A4. Men varför finns där tio olika Spot diagrams, istället för bara ett? Därför att fokus ser olika ut beroende på var man tittar. Den översta raden är på den optiska axeln, medan den nedre raden är för en objektsvinkel på 10 grader. De fem bilderna i den övre raden ligger på olika avstånd från linsen. Den i mitten ligger i paraxiala bildplanet, medan de andra ligger 1 resp 2 mm bakom eller framför paraxiala bildplanet. Ändra Spacing till 2 mm. Nu ligger de 2 resp 4 mm bakom eller framför paraxiala bildplanet. A5. Ligger minsta spridningscirkeln i det paraxiala bildplanet? Motivera! A6. Är den belysta fläcken minst på den optiska axeln, eller för 10 graders objektsvinkel? Varför? A7. Välj Options i huvudmenyn, och välj Number of wavelengths. Sätt den till 3 och tryck OK. Nu visas både röda, gröna, och blå strålar i Spot diagram. Med hjälp av rullgardinsmenyn längst ned till vänster i Spot diagrams, kan du välja att visa färgerna en och en. Har linsen någon kromatisk aberration? Motivera! A8. Välj mid wave, alltså den gröna färgen, i rullgardinsmenyn längst ned till vänster i fönstret. Gå in under Options i huvudmenyn och välj Defocus. Skriv in -2. Nu ser du att Spot Diagram istället lägger bilden för -2 mm i mitten. Genom att prova olika värden på defocus och på Spacing, försök hitta var minsta spridningscirkeln ligger (längs optiska axeln). Får du samma svar för olika färger? A9. Kopiera lämpligt Spot diagram och klistra in det i t.ex. Word. Välj gärna både ett kring paraxialt fokus, och ett kring minsta spridningscirkeln. Visa resultaten för en assistent! 2
B1. Blända ned linsen genom att gå till System Paremeter Editor och sätta Stop Rad till 5.0 mm. Ungefär var ligger minsta spridningscirkeln nu? Varför har det ändrats? Titta på Lens Drawing så får du en ledtråd! B2. Blev storleken på den belysta fläcken större eller mindre? Varför? B3. Längst ned i fönstret finns en ruta som heter Airy Disc. Kryssa i den! Då ritar programmet en ring i Spot diagram, som visar hur stort fokus skulle vara om det inte fanns några aberrationer, utan enbart difraktionen bestämde storleken på fokus. Du kanske måste minska Scale rejält för att kunna se ringen. B4. Är linsen diffraktionsbegränsad? Motivera! B5. Kopiera och spara lämpligt Spot diagram även för denna lins. C1. Ställ tillbaka aperturens storlek till 10 mm. Nu ska du vända på linsen. I fönstret system data editor finns en kolumn som heter Dirn. Klicka på ordet Nom som står på samma rad som lens. Kontrollera i Lens drawing att linsen vänt på sig. Nu står det istället Rev i kolumnen Dirn. Du kan lätt vända tillbaka linsen genom att klicka på Rev. C2. Studera Lens Drawing och Spot Diagram. Vad har ändrats? Var ligger nu minsta spridningscirkeln? C3. Blev den belysta fläcken större eller mindre än för förra linsen? (Kom ihåg att jämföra med fallet för 10 mm apertur). Vilken lins är rättvänd och vilken är felvänd? 3
C4. Spara lämpliga Spot diagrams även för denna lins. D1. Öppna nu din sparade dublettlins. Troligtvis är Spot diagram fortfarande öppet, men du måste återigen justera antalet strålar, antalet våglängder, och bildens skala. Defocus bör vara tillbaka på 0. D2. Justera Scale och Spacing på ett vettigt sätt. Studera Spot diagram har linsen kromatisk aberration? I så fall mer eller mindre än den planoknovexa linsen? D3. För denna lins behövde du inte använda defocus. Vad betyder det? D4. Är den belysta fläcken större eller mindre än för den rättvända planokonvexa linsen? Vilken av linserna tror du ger bäst bild? D5. Är linsen diffraktionsbegränsad? D6. Kopiera och spara lämpliga Spot diagrams. 4
MTF Nu ska du istället studera MTF för de tre linser som finns sparade (felvänd planokonvex lins, rättvänd planokonvex lins, och akromat). E1. Öppna den felvända planokonvexa linsen. Se till att defocus är 0. Beroende på när du senast sparade din fil, kan du också behöva gå in under Options i huvudmentyn och återställa Number of wavelengths till 3 och Number of ray rings till 20. E2. Välj Graphs i huvudmenyn och sedan Geometric MTF. Då öppnas ett nytt fönster med MTF-kurvor. De två graferna till vänster visar MTF, dels på optiska axeln, och dels för 10 graders objektsvinkel. De två graferna till höger kallas Through-focus MTF men du behöver inte bry dig om dem. E3. Längst ned i fönstret kan du bocka för Diffr. Lim.. Då visas MTF för motsvarande, diffraktionsbegränsade system som en streckad linje. E4. Den verkliga MTF:en visas nu i tre versioner: en röd, en grön, och en blå. Använd rullgardinsmeny längst ned till vänster för att välja White MTF. Då visas MTF för vitt ljus. E5. Som du kanske ser (och minns från när du studerade Spot diagrams) är linsen långt ifrån diffraktionsbegränsad. Faktum är, att MTF är ett väldigt trubbigt verktyg för att studera en såpass dålig lins. Vid så stora aberrationer som den här linsen har, får man veta mycket mer om linsens aberrationer genom att studera Spot diagrams. Minska nu aperturens radie till 5 mm ser du någon skillnad i MTF-kurvan? Håll koll på figurens skala! E6. Var har systemet bäst MTF på optiska axeln, eller vid 10 grader? Varför? 5
E7. Kopiera och spara grafen i t.ex. Word. F1. Öppna den rättvända planokonvexa linsen. Beroende på när du senast sparade din fil, kan du behöva gå in under Options i huvudmenyn och återställa Number of wavelengths till 3 och Number of ray rings till 20. Se också till att Defocus är 0. F2. Sätt aperturen till 10 mm. Det hade varit bra, ur pedagokisk synvinkel, om vi sett att MTF blev bättre än för den felvända vid 10 mm apertur. Tyvärr är skillnaderna små och närmast slumpmässiga. Det får istället illustrera, att MTF inte ger så mycket information om de sämsta linserna. F3. Sätt aperturen till 5 mm. Jämför med MTF för den felvända linsen. Vilken lins är bäst? F4. Titta på MTF för de tre olika färgerna var för sig. Vilken färg har bäst MTF? F5. Kopiera och spara MTF-kurvan i t.ex. Word. G1. Öppna akromaten. Beroende på när du senast sparade din fil, kan du behöva gå in under Options i huvudmenyn och återställa Number of wavelengths till 3 och Number of ray rings till 20. Se också till att Defocus är 0. G2. Se till att aperturens radie är 10 mm. Välj vitt ljus. Jämför MTF med den planokonvexa linsen, både rättvänd och felvänd. Vilken lins har bäst MTF? G3. Välj nu att visa de tre färgerna var för sig. Vilken färg har bäst resp. sämst MTF? G4. Är linsen diffraktionsbegränsad? 6
G5. Sätt aperturens radie till 5 mm. Är linsen diffraktionsbegränasd nu? H1. Nu har du använt Spot diagram och MTF, men det finns många andra verktyg för att utvärdera linser. Under Graphs i huvudmenyn kan du hitta OPD Aberrations, Transverse Ray Aberrations, Longitudinal ray aberrations, Field aberrations och Chromatic Abn: EFL. Välj en av dessa, och försök förstå vad den visar. Prova den gärna på alla tre linser. Kom ihåg att du kan behöva ändra skalor för att få en bra graf! Använd gärna hjälpfunktionen. Om du kan, försök sedan använda grafen för att jämföra de tre linserna. Sammanfatta vad du kommit fram till nedan. Rita gärna! Laborationen godkänd (signatur) 7