應(yīng)用光學(xué)試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)綜合性教材

1、應(yīng)用光學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)北京信息科技大學(xué)光電信息與通信工程學(xué)院2008目錄實(shí)驗(yàn)一透鏡基本性能測(cè)量 3實(shí)驗(yàn)二光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)檢測(cè) .9實(shí)驗(yàn)一 透鏡基本性能測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?：1、通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握單片透鏡成像規(guī)律和特性；2、掌握用放大率法精確測(cè)量透鏡焦距的方法；二、實(shí)驗(yàn)原理1、單片透鏡成像規(guī)律和特性 實(shí)驗(yàn)主要依據(jù)高斯物像位置關(guān)系公式和放大率公式（以主點(diǎn)為原點(diǎn)） ，即 1/l 1/l 1/ f（1-1）y /y l /l（ 1-2）為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)中假定所用透鏡為薄透鏡，物像方主平面重合，且主平面在薄透鏡的中部。2、用放大率法精確測(cè)量透鏡焦距 焦距是光學(xué)系統(tǒng)的重要光學(xué)參數(shù)，其測(cè)量方法比較多。最常用的方法是放大率

2、法。其基本原理如圖11 所示。將已知物高為 y0的物體 AB 置于已知焦距為 fc的正透鏡 L1物方焦平面 F c上，則在被測(cè)透 鏡 L2 的像方焦平面 F上可形成物體 AB 的像 AB，像高為 y0，這時(shí) Fc 與 F是一對(duì)共軛點(diǎn)，利 用幾何光學(xué)原理，可以容易地導(dǎo)出下列公式：y0 cy01-3)由于 fc和 y0 均已知，所以只要在實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)出像高y0，即可由（ 1-3）式計(jì)算出 f。圖 1-2 顯微物鏡對(duì) A B 的再次成象為了精確測(cè)量 y0，必須借助于測(cè)量顯微鏡，其原理圖如圖12 所示。圖中 L3 為顯微物鏡，已知其垂軸放大率為，p是顯微鏡 L3的像平面 ，所以 p與被測(cè)透鏡 L2 的像方

3、焦點(diǎn) F共軛，利用測(cè)微目鏡中的分劃板和測(cè)微手輪測(cè)出 A B 之間的距離 y0，按式（ 14）計(jì)算被測(cè)焦距：1-4)三、實(shí)驗(yàn)元器件與儀器設(shè)備光具座，光源，箭孔板，正透鏡，負(fù)透鏡，平面反射鏡，支架 , 光屏，平行光管（由光源、毛玻璃、 玻羅板、平行光管物鏡等組成）等。四、實(shí)驗(yàn)原理與步驟1、薄正透鏡的成像（ 1）、物體位于物方焦平面時(shí)，觀察成像的正倒及大小，并利用直尺測(cè)正透鏡到箭孔板的距離，此 即該透鏡的物方焦距 f（注意正負(fù)號(hào)） 。光路布局見(jiàn)圖 13 所示：圖 1-3 儀器布置示意圖1-光源 2- 箭孔板 3- 被測(cè)正透鏡 4- 平面反射鏡 5- 導(dǎo)軌（ 2）、物體位于無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，觀察成像的位置及大

4、小，并測(cè)透鏡的像方焦距f（注意正負(fù)號(hào)） 。光路布局見(jiàn)圖 14 所示：圖 1-4 物在物方無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)的成象光路1-提 供無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)的正透鏡 2-被測(cè)正透鏡 3-光屏3）、物體位于物方無(wú)限遠(yuǎn)與兩倍物方焦距之間，觀察像的大小、正倒；（ 4）、物體位于兩倍和一倍物方焦距之間，觀察像的大小、正倒；（ 5）、物體位于一倍物方焦距和主平面之間，觀察成像。（ 6）、物體位于主平面和像方無(wú)限遠(yuǎn)之間 這時(shí)對(duì)應(yīng)的是虛物成像問(wèn)題。實(shí)際上不可能存在獨(dú)立的“虛物” ，要獲得虛物，必須借助于其它透 鏡將實(shí)物成像。 圖 1-5 是用正透鏡 1形成透鏡 2 的虛物的情況。 將箭孔板置于透鏡 1的兩倍物方焦距處， 則在其像面（像距

5、 2f1 ）上獲得一個(gè)與物體等高且顛倒的像，在透鏡 2 之后移動(dòng)光屏，可接收一個(gè)清晰 的箭孔板像，測(cè)出物距 l2和 l2 ，可容易地求出這一對(duì)軛面的垂軸放大率。圖 1-5 正透鏡對(duì)虛物的成象光路1- 附加正透鏡 2-被測(cè)正透鏡 3- 光屏2、薄負(fù)透鏡的成像（ 1）、物體位于物方焦面上按圖 1-6 布置光路。其中正透鏡 1 的作用是為負(fù)透鏡 2 提供一個(gè)已知物高的虛物，正透鏡3 的作用是將由負(fù)透鏡成像在無(wú)限遠(yuǎn)的像變成可以用光屏接收的實(shí)像。在本實(shí)驗(yàn)之前，首先確定正透鏡3 的像方焦平面，并固定光屏 4 與透鏡 3 之間的相對(duì)位置。然后按圖 1 6 的光路，左右移動(dòng)透鏡2，直至在光屏上看到清晰的箭孔像

6、為止。由圖可知，只要測(cè)出透鏡 1 到透鏡 2 之間的距離，即可求出負(fù)透鏡2 的物方焦距 f2 。圖 1-6 物在負(fù)透鏡物方焦平面上 的成象光路圖 1-7 負(fù)透鏡對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)物體 的成象光路1- 第一附加正透鏡 2- 被測(cè)負(fù)透鏡3- 第二附加正透鏡 4- 光屏1- 第一附加正透鏡 2- 被測(cè)負(fù)透鏡3- 第二附加正透鏡 4- 光屏2）、物體位于無(wú)限遠(yuǎn)按圖 1 7布置光路正透鏡提供無(wú)限遠(yuǎn)的目標(biāo)，負(fù)透鏡2 將平行光束發(fā)散，成虛像于其像方焦點(diǎn)。將光屏置于正透鏡的兩倍焦距處，然后同時(shí)移動(dòng)透鏡 3 和光屏，直至看到清晰的像為止。利用此圖可以 粗略測(cè)出負(fù)透鏡 2 的像方焦距。（ 3）、物體位于主平面和物方焦平面之

7、間按圖 1 8布置光路，利用已知焦距的正透鏡 1形成負(fù)透鏡 2 的物體。首先使負(fù)透鏡放在 A 位置，1 方向移動(dòng)，同時(shí)移動(dòng)光即物距 l2 近似等于零，記下此處位置，觀察成像情況。然后將負(fù)透鏡向正透鏡 屏，觀察成像情況。圖 1-8 物在負(fù)透鏡主面和物方焦面之間 的成象光路圖 1-9 物在負(fù)透鏡像方無(wú)限遠(yuǎn)和主平面之間的 成象光路1- 第一附加正透鏡 2- 被測(cè)負(fù)透鏡 3- 光屏1- 被測(cè)負(fù)透鏡 2- 第一附加正透鏡 3- 光屏（ 4）、物體位于像方無(wú)限遠(yuǎn)和主平面之間這是實(shí)物通過(guò)負(fù)透鏡成虛像的情況，可按圖1 9 布置光路，利用已知焦距的正透鏡2 和光屏，觀察成像情況。3、透鏡焦距的測(cè)量本實(shí)驗(yàn)在焦距儀

8、（或光具座）上進(jìn)行，其光學(xué)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1 10。圖中平行光管是光學(xué)測(cè)量中的常備儀器，其作用是形成標(biāo)準(zhǔn)無(wú)限遠(yuǎn)的物體。平行光管由光源、毛玻璃、玻羅板、平行光管物鏡等組成， 根據(jù)不同的使用要求，玻羅板可方便地更換成星點(diǎn)板、分辨率板等。玻羅板上共有五對(duì)刻線，最外面的 一對(duì)長(zhǎng)刻線之間的間距是 20 mm，其它線對(duì)之間的距離分別為 10、4、2、1mm（只圖中畫(huà)出了 4 對(duì)刻 線）。在結(jié)構(gòu)上已保證了玻羅板刻線平面位于平行光管物鏡的物方焦平面上，必要時(shí)可用其它方法精確 校準(zhǔn)。圖 1-10 焦距儀光學(xué)系統(tǒng)的原理圖1- 光源 2-毛玻璃 3-玻羅板 4-平行光管物鏡 5-被測(cè)透鏡6- 測(cè)量顯微鏡物鏡 7-可動(dòng)分劃

9、板 8-固定分劃板 9- 測(cè)微目鏡測(cè)量顯微鏡安裝在一個(gè)可作縱、橫和上下調(diào)節(jié)的底座上。其中固定分劃板位于目鏡物方焦平面上， 其上刻有 0 到 8 共 9 條刻線，相鄰刻線間的距離為 1 mm，測(cè)量時(shí)可用來(lái)讀取像高的整數(shù)部分，活動(dòng)分 劃板上有一對(duì)十字線和兩條垂直的平行直線，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪可使活動(dòng)分劃板移動(dòng)。測(cè)微鼓輪每轉(zhuǎn)一周， 十字線移動(dòng)固定分劃板的一格，測(cè)微鼓輪的斜面上共刻有 100 格，每格為 0.01 mm（有的測(cè)微鼓輪斜面 上共刻有 50 格，每格為 0.005 mm，測(cè)微鼓輪每轉(zhuǎn)兩周，十字線才移動(dòng)固定分劃板的一格，使用時(shí)應(yīng)注 意）。實(shí)驗(yàn)時(shí)，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微手輪，使活動(dòng)分劃板的十字叉線壓住或雙線夾

10、住玻羅板像的一條刻線，從 固定分劃板上讀出該刻線像位置的整數(shù)部分，從測(cè)微鼓輪上讀出其小數(shù)部分。轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微手輪，使活動(dòng)分 劃板上的標(biāo)志（叉線或雙線）對(duì)準(zhǔn)所選玻羅板像的另一端刻線，再次從固定分劃板和測(cè)微鼓輪上讀數(shù)， 兩次讀數(shù)之差，即被測(cè)像高 y0 。實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)首先檢查、調(diào)整儀器。主要內(nèi)容及步驟為：（ 1）、將儀器的電源接通，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，平行光管端部的燈炮發(fā)光；（ 2）、將玻羅板裝在平行光管物鏡的前焦面上，必要時(shí)可進(jìn)行校驗(yàn)；（ 3）、將被測(cè)透鏡夾在三爪卡盤(pán)上，注意放穩(wěn)，卡牢，并注意調(diào)整被測(cè)透鏡光軸與平行光管物鏡的 光軸共軸；（ 4）、選擇合適放大倍數(shù)的顯微物鏡，裝在測(cè)量顯微鏡的鏡筒上，顯微物鏡倍率的選擇

11、主要考慮被 測(cè)透鏡焦距的長(zhǎng)短。 測(cè)量長(zhǎng)焦距正透鏡或負(fù)透鏡時(shí)， 應(yīng)選用低倍率的顯微物鏡， 反之選用高倍顯微物鏡， 必要時(shí)可對(duì)顯微物鏡的垂軸放大率進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量。（ 5）、調(diào)節(jié)測(cè)量顯微鏡目鏡的視度。對(duì)正常眼或近視眼，先將目鏡旋出（即向觀察者方向移動(dòng)） 注意不要將其旋也鏡筒，以免掉地摔壞。然后再慢慢將目鏡旋入，直到能清晰地看清分劃板上的刻線為 止。對(duì)同一測(cè)量者來(lái)說(shuō)，測(cè)量過(guò)程中應(yīng)避免再次調(diào)視度。（ 6）、顯微鏡調(diào)焦。這一過(guò)程是將顯微鏡系統(tǒng)對(duì)其物面（即被透鏡的像方焦平面）調(diào)焦。方法是： 沿導(dǎo)軌整體移動(dòng)顯微鏡座，然后再慢慢向物面方向調(diào)節(jié)，當(dāng)大致能看清分劃板上的像（即玻羅板的像） 時(shí)，固定顯微鏡座。然后利用鏡

12、座上的前后微調(diào)物輪進(jìn)行調(diào)焦，直至同時(shí)看清分劃板刻線和玻羅板像為 止。（ 7）、如果玻羅板的像不是對(duì)稱地位于視場(chǎng)中，可選用鏡座上的左右微調(diào)手輪進(jìn)行調(diào)節(jié)。（ 8）、由于測(cè)微目鏡可拆裝，因此測(cè)量前還應(yīng)該調(diào)節(jié)測(cè)微目鏡，使其叉絲的移動(dòng)方向與玻羅板刻線方向垂直。 如果不垂直， 可先松開(kāi)測(cè)微目鏡的固緊螺釘， 轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微目鏡， 直至符合要求為止， 擰緊螺釘。（ 9）、正透鏡的焦距測(cè)量。選定一對(duì)玻羅板刻線，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪，使活動(dòng)分劃板上的十字叉絲或雙 線對(duì)準(zhǔn)一根玻羅板刻線像。從固定分劃板上讀取整數(shù)部分，從測(cè)微鼓輪上讀取小數(shù)部分，并做好記錄； 然后慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)微鼓輪， 使移動(dòng)分劃板上的標(biāo)志對(duì)準(zhǔn)另一根玻羅板刻線像， 再次

13、讀數(shù)， 二者之差即 y0 。 重復(fù)測(cè)量三次。（ 10）、負(fù)透鏡的焦距測(cè)量。取下正透鏡，裝上被測(cè)負(fù)透鏡。由于負(fù)透鏡的像方焦面是虛的、所以 用測(cè)量顯微鏡觀測(cè)時(shí)，所選顯微物鏡的工作距離必須大于負(fù)透鏡的焦距，否則看不到玻羅板像。選定顯 微物鏡后，再進(jìn)行調(diào)焦、觀測(cè)、記錄，方法同上。表 1 1平行光管物鏡焦距 f c =測(cè)量顯微鏡物鏡的倍率 =所用玻羅板刻線的間距 y0 =測(cè)量次數(shù)焦距測(cè)量左刻讀數(shù)右刻讀數(shù)123平均值刻線像間距測(cè)量得值 y0 =被測(cè)透鏡焦距值 f ,五、注意事項(xiàng)1、在測(cè)量時(shí)，應(yīng)緩慢移動(dòng)顯微鏡座，以免顯微鏡觸到透鏡上，造成損壞。2、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，應(yīng)認(rèn)真進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如果測(cè)量結(jié)果偏差較大，應(yīng)分析

14、其原因，必要時(shí)應(yīng)重新進(jìn)行測(cè) 量。實(shí)驗(yàn)二 光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一） 顯微物鏡星點(diǎn)檢驗(yàn)一、實(shí) 驗(yàn)?zāi)康? 理解星點(diǎn)法評(píng)價(jià)像質(zhì)的的原理，掌握星點(diǎn)檢驗(yàn)方法；2 學(xué)習(xí)和熟悉星點(diǎn)檢驗(yàn)的判別技術(shù)。二、實(shí) 驗(yàn)原理 星點(diǎn)檢驗(yàn)是評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的一種簡(jiǎn)便方法。用一點(diǎn)光源（稱之星點(diǎn)）作為物，經(jīng)被檢 物鏡成彌散像（稱之星點(diǎn)像） ，則其像必然反映被檢物鏡的像差、加工誤差、材料缺陷及系統(tǒng)的衍 射狀況。目視觀察經(jīng)被檢物鏡在像面及像面附近所成的星點(diǎn)像光強(qiáng)分布，并與僅反映衍射的理想星 點(diǎn)像光強(qiáng)分布比較， 找出二者之差別， 判斷存在問(wèn)題的性質(zhì)， 從而定性的確定被檢物鏡的成像質(zhì)量。 星點(diǎn)檢驗(yàn)法是一種靈敏度高的檢驗(yàn)方法。三、

15、實(shí) 驗(yàn)儀器設(shè)備生物顯微鏡、顯微鏡照明燈、星點(diǎn)板。 所謂星點(diǎn)板就是在一塊不透光的板子上制造出很小的圓形通光孔， 通光小孔的角直徑應(yīng)不大于 被檢物鏡對(duì)應(yīng)的衍射斑中央亮斑的角半徑。因此，實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)被檢物鏡的數(shù)值孔徑適當(dāng)?shù)剡x擇星 點(diǎn)孔。用來(lái)觀察星點(diǎn)像的目鏡，其放大率應(yīng)滿足人眼通過(guò)目鏡觀察星點(diǎn)像時(shí)能分辨彌散星點(diǎn)像的第 一和第二亮環(huán)，因此，應(yīng)根據(jù)被檢物鏡的放大率適當(dāng)?shù)剡x取目鏡。四、實(shí) 驗(yàn)內(nèi)容與步驟（ 1） 根據(jù)被檢物鏡的數(shù)值孔徑選擇適當(dāng)?shù)男强装?，放在顯微鏡的載物臺(tái)上。（ 2） 將粗裝好的被檢物鏡旋在顯微鏡架的物鏡轉(zhuǎn)換器上。（ 3） 根據(jù)被檢物鏡放大率選擇合適的目鏡，并插入目鏡框中。（ 4） 調(diào)節(jié)顯微鏡照

16、明燈的位置和反光鏡，使照明燈前的可變光闌被聚光鏡成像在物面上。（ 5） 將顯微鏡對(duì)星點(diǎn)調(diào)焦，即看到清晰的星點(diǎn)衍射像，仔細(xì)觀察視場(chǎng)中心星點(diǎn)像的光強(qiáng)分 布，與理想星點(diǎn)像進(jìn)行比較。（ 6） 根據(jù)星點(diǎn)衍射環(huán)的形狀及明暗判斷像差存在的情況， 當(dāng)星點(diǎn)像衍射環(huán)出現(xiàn)非圓對(duì)稱形狀：（a） 若星點(diǎn)像出現(xiàn)明顯的彗星形狀，即有明亮的頭部和延伸的尾部，表明物鏡存在彗差。（b） 若像面星點(diǎn)像出現(xiàn)十字形狀，且當(dāng)將顯微鏡稍微前后離焦時(shí)出現(xiàn)方向互相垂直的橢圓 形狀，表明物鏡存在像散。 像面星點(diǎn)像衍射環(huán)分布雖然圓整，但中央亮斑強(qiáng)度減弱，外環(huán)強(qiáng)度加強(qiáng)，并且暗環(huán)可 能出現(xiàn)不是全暗的彌散現(xiàn)象，則表明物鏡存在球差。 校正，像質(zhì)好的物鏡，

17、星點(diǎn)像應(yīng)是圓整的。中央有明亮的亮斑，周圍分布明暗相間的 環(huán)帶，并且越向外亮環(huán)強(qiáng)度迅速下降，近于理想點(diǎn)衍射像的強(qiáng)度分布，焦內(nèi)、焦外衍 射斑強(qiáng)度分布相同。五、實(shí) 驗(yàn)思考題1. 簡(jiǎn)述星點(diǎn)法檢驗(yàn)像質(zhì)的特點(diǎn)2. 試推導(dǎo)計(jì)算星孔直徑和目鏡放大率的公式實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（二） 光學(xué)系統(tǒng)目視分辨率測(cè)量一、實(shí) 驗(yàn)?zāi)康?. 掌握照相物鏡目視分辨率的測(cè)量原理和測(cè)量方法。2. 熟悉并正確使用測(cè)量裝置。二、實(shí) 驗(yàn)原理光學(xué)系統(tǒng)的分辨率是指光學(xué)系統(tǒng)所能區(qū)分或分辨物體細(xì)節(jié)的能力。 照相物鏡分辨率以焦平面上每毫 米范圍內(nèi)所能分辨開(kāi)的線對(duì)數(shù)表示。為了測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，需要有一種相隔距離很小的線條組成的圖案來(lái)作為測(cè)量目標(biāo)。這種目 標(biāo)物稱

18、為分辨率板。 在測(cè)量時(shí)， 通常都把分辨率板置于平行光管物鏡的焦面上， 以形成無(wú)窮遠(yuǎn)處的目標(biāo)。三、實(shí) 驗(yàn)儀器設(shè)備測(cè)量裝置包括裝有分辨率板的平行光管、被測(cè)系統(tǒng)夾持器和觀測(cè)放大系統(tǒng)三部分。圖 2-1 所示是測(cè) 量照相物鏡分辨率的裝置圖。10裝置中常用一種柵格狀的分辨率圖案，如圖 2-2所示，這種圖案的分辨率板共由 7 塊組成，其圖形尺寸按一定倍數(shù)關(guān)系遞減，編號(hào)為A 1A 7，每塊分辨率板又由線寬遞減的25個(gè)單元組成， 7 塊分辨率板各單元的線條寬度見(jiàn)下表：11XGJ-1型1米光具座平行光管焦距為lOOOnun時(shí)分辨率圖案換算表 （JB/T T9328-1999）分辨率圖家 號(hào)及單元號(hào)GW條紋 數(shù)/

19、毫米相鄰條 紋甬距（秒）分辨率圖案 號(hào)及單元號(hào)（）備紋 數(shù)/ 毫來(lái)相鄰條 紋角距（秒）25242322；21201918171615：142,502001*0321NI925,22010*402. 651901*0?20826.71911*012.811801*1619728.31811*672.97170 1P23】86M01712*373. 151601*3017531.71613*073. 34150K381643161513*863. 541401*4615335+61414*683. 751301*5514237.81315*593, 97125P641325140.012.516*

20、504,201201*731224N342.4121廠444f551101*88112344,911848N44. 721051*94102247.610.519*601325 1將5. 001002*0692150.41020*8012245. 3095218呂2053.49.421*9011235.61902*3171956,6923*3010225.95852*4561859.9S.424*609216. 30802%051763,5826*188206.67752*7541667.37.427*707197. 07702*9231571.3729401 6187. 49653*0821475.56.631*10L5vT7. 945332711380.06