应用光学实验指导书综合性教材.docx

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应用光学实验指导书综合性教材

应用光学实验指导书

北京信息科技大学

光电信息与通信工程学院

2008

目录

实验一透镜基本性能测量3

实验二光学系统像质检测…………………………………………..9

实验一透镜基本性能测量

一、实验目的：

1、通过实验掌握单片透镜成像规律和特性；

2、掌握用放大率法精确测量透镜焦距的方法；

二、实验原理

1、单片透镜成像规律和特性

实验主要依据高斯物像位置关系公式和放大率公式（以主点为原点），即

（1-1）

（1-2）

为简单起见，本实验中假定所用透镜为薄透镜，物像方主平面重合，且主平面在薄透镜的中部。

2、用放大率法精确测量透镜焦距

焦距是光学系统的重要光学参数，其测量方法比较多。

最常用的方法是放大率法。

其基本原理如图1—1所示。

将已知物高为

的物体AB置于已知焦距为fcˊ的正透镜

物方焦平面Fc上，则在被测透镜

的像方焦平面Fˊ上可形成物体AB的像AˊBˊ，像高为y0ˊ，这时Fc与Fˊ是一对共轭点，利用几何光学原理，可以容易地导出下列公式：

（1-3）

由于fcˊ和

均已知，所以只要在实验时测出像高y0ˊ，即可由（1-3）式计算出fˊ。

图1-2显微物镜对AˊBˊ的再次成象

图1-1放大率法测量焦距的原理图

为了精确测量y0ˊ，必须借助于测量显微镜，其原理图如图1—2所示。

图中

为显微物镜，已知其垂轴放大率为

，pˊ是显微镜

的像平面，所以pˊ与被测透镜

的像方焦点Fˊ共轭，利用测微目镜中的分划板和测微手轮测出

之间的距离y0ˊ，按式（1－4）计算被测焦距：

（1-4）

三、实验元器件与仪器设备

光具座，光源，箭孔板，正透镜，负透镜，平面反射镜，支架,光屏，平行光管（由光源、毛玻璃、玻罗板、平行光管物镜等组成）等。

四、实验原理与步骤

1、薄正透镜的成像

（1）、物体位于物方焦平面时，观察成像的正倒及大小，并利用直尺测正透镜到箭孔板的距离，此即该透镜的物方焦距f（注意正负号）。

光路布局见图1－3所示：

图1-3仪器布置示意图

1-光源2-箭孔板3-被测正透镜4-平面反射镜5-导轨

（2）、物体位于无限远时，观察成像的位置及大小，并测透镜的像方焦距f＇（注意正负号）。

光路布局见图1－4所示：

图1-4物在物方无限远时的成象光路

1-提供无限远目标的正透镜2-被测正透镜3-光屏

（3）、物体位于物方无限远与两倍物方焦距之间，观察像的大小、正倒；

（4）、物体位于两倍和一倍物方焦距之间，观察像的大小、正倒；

（5）、物体位于一倍物方焦距和主平面之间，观察成像。

（6）、物体位于主平面和像方无限远之间

这时对应的是虚物成像问题。

实际上不可能存在独立的“虚物”，要获得虚物，必须借助于其它透镜将实物成像。

图1-5是用正透镜1形成透镜2的虚物的情况。

将箭孔板置于透镜1的两倍物方焦距处，则在其像面（像距

）上获得一个与物体等高且颠倒的像，在透镜2之后移动光屏，可接收一个清晰的箭孔板像，测出物距

和

，可容易地求出这一对轭面的垂轴放大率。

图1-5正透镜对虚物的成象光路

1-附加正透镜2-被测正透镜3-光屏

2、薄负透镜的成像

（1）、物体位于物方焦面上

按图1-6布置光路。

其中正透镜1的作用是为负透镜2提供一个已知物高的虚物，正透镜3的作用是将由负透镜成像在无限远的像变成可以用光屏接收的实像。

在本实验之前，首先确定正透镜3的像方焦平面，并固定光屏4与透镜3之间的相对位置。

然后按图1—6的光路，左右移动透镜2，直至在光屏上看到清晰的箭孔像为止。

由图可知，

只要测出透镜1到透镜2之间的距离，即可求出负透镜2的物方焦距

。

图1-6物在负透镜物方焦平面上

的成象光路

1-第一附加正透镜2-被测负透镜

3-第二附加正透镜4-光屏

图1-7负透镜对无穷远物体

的成象光路

1-第一附加正透镜2-被测负透镜

3-第二附加正透镜4-光屏

（2）、物体位于无限远

按图1—7布置光路正透镜提供无限远的目标，负透镜2将平行光束发散，成虚像于其像方焦点。

将光屏置于正透镜的两倍焦距处，然后同时移动透镜3和光屏，直至看到清晰的像为止。

利用此图可以粗略测出负透镜2的像方焦距。

（3）、物体位于主平面和物方焦平面之间

按图1—8布置光路，利用已知焦距的正透镜1形成负透镜2的物体。

首先使负透镜放在

位置，即物距

近似等于零，记下此处位置，观察成像情况。

然后将负透镜向正透镜1方向移动，同时移动光屏，观察成像情况。

图1-8物在负透镜主面和物方焦面之间

的成象光路

1-第一附加正透镜2-被测负透镜3-光屏

图1-9物在负透镜像方无限远和主平面之间的成象光路

1-被测负透镜2-第一附加正透镜3-光屏

（4）、物体位于像方无限远和主平面之间

这是实物通过负透镜成虚像的情况，可按图1—9布置光路，利用已知焦距的正透镜2和光屏，观察成像情况。

3、透镜焦距的测量

本实验在焦距仪（或光具座）上进行，其光学系统图见图1—10。

图中平行光管是光学测量中的常备仪器，其作用是形成标准无限远的物体。

平行光管由光源、毛玻璃、玻罗板、平行光管物镜等组成，根据不同的使用要求，玻罗板可方便地更换成星点板、分辨率板等。

玻罗板上共有五对刻线，最外面的一对长刻线之间的间距是20

，其它线对之间的距离分别为10、4、2、1

（只图中画出了4对刻线）。

在结构上已保证了玻罗板刻线平面位于平行光管物镜的物方焦平面上，必要时可用其它方法精确校准。

图1-10焦距仪光学系统的原理图

1-光源2-毛玻璃3-玻罗板4-平行光管物镜5-被测透镜

6-测量显微镜物镜7-可动分划板8-固定分划板9-测微目镜

测量显微镜安装在一个可作纵、横和上下调节的底座上。

其中固定分划板位于目镜物方焦平面上，其上刻有0到8共9条刻线，相邻刻线间的距离为1

，测量时可用来读取像高的整数部分，活动分划板上有一对十字线和两条垂直的平行直线，转动测微鼓轮可使活动分划板移动。

测微鼓轮每转一周，十字线移动固定分划板的一格，测微鼓轮的斜面上共刻有100格，每格为0.01

（有的测微鼓轮斜面上共刻有50格，每格为0.005

，测微鼓轮每转两周，十字线才移动固定分划板的一格，使用时应注意）。

实验时，轻轻转动测微手轮，使活动分划板的十字叉线压住或双线夹住玻罗板像的一条刻线，从固定分划板上读出该刻线像位置的整数部分，从测微鼓轮上读出其小数部分。

转动测微手轮，使活动分划板上的标志（叉线或双线）对准所选玻罗板像的另一端刻线，再次从固定分划板和测微鼓轮上读数，两次读数之差，即被测像高

。

实验时，应首先检查、调整仪器。

主要内容及步骤为：

（1）、将仪器的电源接通，打开开关，平行光管端部的灯炮发光；

（2）、将玻罗板装在平行光管物镜的前焦面上，必要时可进行校验；

（3）、将被测透镜夹在三爪卡盘上，注意放稳，卡牢，并注意调整被测透镜光轴与平行光管物镜的光轴共轴；

（4）、选择合适放大倍数的显微物镜，装在测量显微镜的镜筒上，显微物镜倍率的选择主要考虑被测透镜焦距的长短。

测量长焦距正透镜或负透镜时，应选用低倍率的显微物镜，反之选用高倍显微物镜，必要时可对显微物镜的垂轴放大率进行标定测量。

（5）、调节测量显微镜目镜的视度。

对正常眼或近视眼，先将目镜旋出（即向观察者方向移动），注意不要将其旋也镜筒，以免掉地摔坏。

然后再慢慢将目镜旋入，直到能清晰地看清分划板上的刻线为止。

对同一测量者来说，测量过程中应避免再次调视度。

（6）、显微镜调焦。

这一过程是将显微镜系统对其物面（即被透镜的像方焦平面）调焦。

方法是：

沿导轨整体移动显微镜座，然后再慢慢向物面方向调节，当大致能看清分划板上的像（即玻罗板的像）时，固定显微镜座。

然后利用镜座上的前后微调物轮进行调焦，直至同时看清分划板刻线和玻罗板像为止。

（7）、如果玻罗板的像不是对称地位于视场中，可选用镜座上的左右微调手轮进行调节。

（8）、由于测微目镜可拆装，因此测量前还应该调节测微目镜，使其叉丝的移动方向与玻罗板刻线方向垂直。

如果不垂直，可先松开测微目镜的固紧螺钉，转动测微目镜，直至符合要求为止，拧紧螺钉。

（9）、正透镜的焦距测量。

选定一对玻罗板刻线，转动测微鼓轮，使活动分划板上的十字叉丝或双线对准一根玻罗板刻线像。

从固定分划板上读取整数部分，从测微鼓轮上读取小数部分，并做好记录；然后慢慢转动测微鼓轮，使移动分划板上的标志对准另一根玻罗板刻线像，再次读数，二者之差即

。

重复测量三次。

（10）、负透镜的焦距测量。

取下正透镜，装上被测负透镜。

由于负透镜的像方焦面是虚的、所以用测量显微镜观测时，所选显微物镜的工作距离必须大于负透镜的焦距，否则看不到玻罗板像。

选定显微物镜后，再进行调焦、观测、记录，方法同上。

表1—1

平行光管物镜焦距

=

测量显微镜物镜的倍率

=

所用玻罗板刻线的间距

=

测量次数

焦距测量

左刻读数

右刻读数

1

2

3

平均值

刻线像间距测量得值

=

被测透镜焦距值

五、注意事项

1、在测量时，应缓慢移动显微镜座，以免显微镜触到透镜上，造成损坏。

2、实验结束后，应认真进行数据处理，如果测量结果偏差较大，应分析其原因，必要时应重新进行测量。

实验二光学系统像质检验

实验内容

（一）显微物镜星点检验

一、实验目的

1．理解星点法评价像质的的原理，掌握星点检验方法；

2．学习和熟悉星点检验的判别技术。

二、实验原理

星点检验是评价光学系统成像质量的一种简便方法。

用一点光源（称之星点）作为物，经被检物镜成弥散像（称之星点像），则其像必然反映被检物镜的像差、加工误差、材料缺陷及系统的衍射状况。

目视观察经被检物镜在像面及像面附近所成的星点像光强分布，并与仅反映衍射的理想星点像光强分布比较，找出二者之差别，判断存在问题的性质，从而定性的确定被检物镜的成像质量。

星点检验法是一种灵敏度高的检验方法。

三、实验仪器设备

生物显微镜、显微镜照明灯、星点板。

所谓星点板就是在一块不透光的板子上制造出很小的圆形通光孔，通光小孔的角直径应不大于被检物镜对应的衍射斑中央亮斑的角半径。

因此，实验时应根据被检物镜的数值孔径适当地选择星点孔。

用来观察星点像的目镜，其放大率应满足人眼通过目镜观察星点像时能分辨弥散星点像的第一和第二亮环，因此，应根据被检物镜的放大率适当地选取目镜。

四、实验内容与步骤

（1）根据被检物镜的数值孔径选择适当的星孔板，放在显微镜的载物台上。

（2）将粗装好的被检物镜旋在显微镜架的物镜转换器上。

（3）根据被检物镜放大率选择合适的目镜，并插入目镜框中。

（4）调节显微镜照明灯的位置和反光镜，使照明灯前的可变光阑被聚光镜成像在物面上。

（5）将显微镜对星点调焦，即看到清晰的星点衍射像，仔细观察视场中心星点像的光强分布，与理想星点像进行比较。

（6）根据星点衍射环的形状及明暗判断像差存在的情况，

①当星点像衍射环出现非圆对称形状：

（a）若星点像出现明显的彗星形状，即有明亮的头部和延伸的尾部，表明物镜存在彗差。

（b）若像面星点像出现十字形状，且当将显微镜稍微前后离焦时出现方向互相垂直的椭圆形状，表明物镜存在像散。

2像面星点像衍射环分布虽然圆整，但中央亮斑强度减弱，外环强度加强，并且暗环可能出现不是全暗的弥散现象，则表明物镜存在球差。

3校正，像质好的物镜，星点像应是圆整的。

中央有明亮的亮斑，周围分布明暗相间的环带，并且越向外亮环强度迅速下降，近于理想点衍射像的强度分布，焦内、焦外衍射斑强度分布相同。

五、实验思考题

1.简述星点法检验像质的特点

2.试推导计算星孔直径和目镜放大率的公式

实验内容

（二）光学系统目视分辨率测量

一、实验目的

1.掌握照相物镜目视分辨率的测量原理和测量方法。

2.熟悉并正确使用测量装置。

二、实验原理

光学系统的分辨率是指光学系统所能区分或分辨物体细节的能力。

照相物镜分辨率以焦平面上每毫米范围内所能分辨开的线对数表示。

为了测量光学系统的分辨率，需要有一种相隔距离很小的线条组成的图案来作为测量目标。

这种目标物称为分辨率板。

在测量时，通常都把分辨率板置于平行光管物镜的焦面上，以形成无穷远处的目标。

三、实验仪器设备

测量装置包括装有分辨率板的平行光管、被测系统夹持器和观测放大系统三部分。

图2-1所示是测

量照相物镜分辨率的装置图。

装置中常用一种栅格状的分辨率图案，如图2-2所示，这种图案的分辨率板共由7块组成，其图形尺寸按一定倍数关系递减，编号为A1～A7，每块分辨率板又由线宽递减的25个单元组成，7块分辨率板各单元的线条宽度见下表：

四、实验内容与步骤

1.把分辨率板置于平行光管物镜焦面上（见图2-1），把被测照相物镜装在夹持器上。

2.调整平行光管、被测物镜和观测显微镜，使三者光轴基本重合。

3.用眼睛通过显微镜观测分辨率板栅格状图案，以刚能分辨开四个方向线条的最密一个单元为分辨极限。

查表2.1，得到对应于此单元的线条宽度b，则被测照相物镜视场中央的目视分辨率N为

式中：

—平行光管物镜焦距，

—被测照相物镜焦距。

4.观测三次，取平均值，计算出被测照相物镜中央的目视分辨率。

五、实验思考题：

1.照相物镜带视场与边缘视场的分辨率和视场中央的分辨率有何不同？

2.如何测量带视场与边缘视场的分辨率？