Сферическая аберрация может быть измерена методом, основанным на определении координат точек пересечения с задней фокальной плоскостью лучей, прошедших через отдельные зоны контролируемого объектива (рис. 1, а). Он позволяет измерить продольную и поперечную сферическую аберрацию объектива и его вторичный спектр.
Прямоугольная щель 3 установлена в заднем фокусе F’k объектива 4 коллиматора и освещается источником света 1 через конденсор 2 и сменный светофильтр С. За объективом 4 установлены две щелевые диафрагмы 5, представляющие собой два прямоугольных отверстия в непрозрачном экране. Принято выбирать ширину Ь каждого отверстия равной 1/100 фокусного расстояния контролируемого объектива; высоту h = Зb и расстояние между отверстиями d = 2b. Диафрагмы 5 устанавливают на подвижные каретки так. чтобы длинная сторона каждой щели была параллельна длинной стороне щели 3. Диафрагмы 5 называют также подвижными диафрагмами. За исследуемым объективом 6 на отсчетной каретке устанавливают микроскоп М, который содержит объектив 7 и сетку 8. Окуляром 9 микроскопа, как правило, служит окуляр-микрометр.
Рис. 1 Измерение сферической аберрации объектива:
а - схема измерения, б - вид поля изображения микроскопа при измерении поперечной сферической аберрации, в - то же, при измерении продольной сферической аберрации.
Диафрагма 5 выделяет из параллельного пучка лучей, идущих из коллиматора, узкий пучок в зоне m. В фокальной плоскости объектива 6 формируется дифракционное изображение щели 3, представляющее собой характерную картину, так называемый «тройник» (рис. 1, б), состоящий из трех линий (на рисунке изображены темными), расположенных параллельно длинным сторонам щелевых диафрагм 3 и 5. Если диафрагму 5 перемещать перпендикулярно к оптической оси, т. е. открывать различные зоны m объектива, то при отсутствии сферической аберрации тройник будет неподвижным, в противном случае смещение тройника зависит от положения диафрагмы 5, т. е. от значения m. Предметная точка микроскопа М совмещена с задним фокусом F' объектива 6.
При измерении поперечной сферической аберрации Δу' используется только одна диафрагма 5, а значение l смещения тройника измеряется с помощью окуляра-микрометра путем наведения перекрестия на центральную светлую линию тройника. Очевидно, что l = Δу' β, где β — линейное увеличение микрообъектива 7. Так как значение β входит в результаты измерения, его следует измерить заранее; в лабораторной практике используют аттестованный микрообъектив, линейное увеличение которого измерено с высокой точностью. В результате измерений значения l для нескольких зон объектива получают зависимость l = f (m) в виде табличных данных, с помощью которых строят кривую поперечной сферической аберрации в общепринятом виде: Δу' = f (tg σ'), где tg σ' = m/f' (f’ — фокусное расстояние контролируемого объектива).
Наиболее ответственной операцией при измерении поперечной сферической аберрации является наведение нити окуляра-микрометра на середину светлой линии тройника, который представляет собой дифракционное изображение щели 3, построенное двумя отверстиями шириной b с расстоянием между ними d = 2b. В этом случае расстояние от центра главного максимума нулевого порядка до первого минимума определяется в угловой мере выражением sin φ = λ/2d, где λ — длина волны света. Если b = 0,01f', то sin φ = 25λ/f’. Линейное расстояние от центра изображения до первого минимума f' sin φ = 25 λ, а ширина всего изображения равна 50λ, или 0,025 мм.
Если принять, что визуально изображение можно разделить нитью на две равные части с погрешностью до 1/5 его ширины, то погрешность наведения составит 0,005 мм. Это и есть главная погрешность при измерении поперечной сферической аберрации. С учетом других погрешностей на практике принято считать, что суммарная погрешность измерения поперечной аберрации составляет 0,01 ... 0,015 мм независимо от значения самой аберрации.
При измерении продольной сферической аберрации используют обе диафрагмы 5, устанавливая их на симметричных зонах относительно оси объектива 6. При наличии сферической аберрации в поле изображения микроскопа видны два тройника (рис. 1, в). Микроскоп М перемещают вдоль оси до тех пор, пока оба тройника не сольются в один. Очевидно, что в этом случае предметная плоскость микроскопа проходит через точку пересечения лучей (точнее — узких пучков лучей), идущих через зоны m контролируемого объектива. Если в первоначальном положении микроскопа его предметная плоскость была совмещена с параксиальным фокусом объектива, то значение перемещения микроскопа для различных зон есть не что иное, как продольная сферическая аберрация объектива.
Началом отсчета положения микроскопа не обязательно должна быть именно задняя фокальная плоскость, проходящая через параксиальный фокус объектива. При обработке результатов измерения сравнительно просто строят кривую продольной (или поперечной) сферической аберрации для любой другой плоскости установки известными приемами.
Так как при измерении продольной сферической аберрации используется продольная наводка, чувствительность которой ниже, чем у поперечной наводки, то в сопоставимых условиях измерение поперечной аберрации оказывается точнее, чем продольной.