應用光學試驗指導書綜合性教材

1、應用光學實驗指導書北京信息科技大學光電信息與通信工程學院2008目錄實驗一透鏡基本性能測量 3實驗二光學系統(tǒng)像質(zhì)檢測 .9實驗一 透鏡基本性能測量一、實驗目的 ：1、通過實驗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量透鏡焦距的方法；二、實驗原理1、單片透鏡成像規(guī)律和特性 實驗主要依據(jù)高斯物像位置關系公式和放大率公式（以主點為原點） ，即 1/l 1/l 1/ f（1-1）y /y l /l（ 1-2）為簡單起見，本實驗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、用放大率法精確測量透鏡焦距 焦距是光學系統(tǒng)的重要光學參數(shù)，其測量方法比較多。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 Fc 與 F是一對共軛點，利 用幾何光學原理，可以容易地導出下列公式：y0 cy01-3)由于 fc和 y0 均已知，所以只要在實驗時測出像高y0，即可由（ 1-3）式計算出 f。圖 1-2 顯微物鏡對 A B 的再次成象為了精確測量 y0，必須借助于測量顯微鏡，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與被測透鏡 L2 的像方

3、焦點 F共軛，利用測微目鏡中的分劃板和測微手輪測出 A B 之間的距離 y0，按式（ 14）計算被測焦距：1-4)三、實驗元器件與儀器設備光具座，光源，箭孔板，正透鏡，負透鏡，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、實驗原理與步驟1、薄正透鏡的成像（ 1）、物體位于物方焦平面時，觀察成像的正倒及大小，并利用直尺測正透鏡到箭孔板的距離，此 即該透鏡的物方焦距 f（注意正負號） 。光路布局見圖 13 所示：圖 1-3 儀器布置示意圖1-光源 2- 箭孔板 3- 被測正透鏡 4- 平面反射鏡 5- 導軌（ 2）、物體位于無限遠時，觀察成像的位置及大

4、小，并測透鏡的像方焦距f（注意正負號） 。光路布局見圖 14 所示：圖 1-4 物在物方無限遠時的成象光路1-提 供無限遠目標的正透鏡 2-被測正透鏡 3-光屏3）、物體位于物方無限遠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限遠之間 這時對應的是虛物成像問題。實際上不可能存在獨立的“虛物” ，要獲得虛物，必須借助于其它透 鏡將實物成像。 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 ）上獲得一個與物體等高且顛倒的像，在透鏡 2 之后移動光屏，可接收一個清晰 的箭孔板像，測出物距 l2和 l2 ，可容易地求出這一對軛面的垂軸放大率。圖 1-5 正透鏡對虛物的成象光路1- 附加正透鏡 2-被測正透鏡 3- 光屏2、薄負透鏡的成像（ 1）、物體位于物方焦面上按圖 1-6 布置光路。其中正透鏡 1 的作用是為負透鏡 2 提供一個已知物高的虛物，正透鏡3 的作用是將由負透鏡成像在無限遠的像變成可以用光屏接收的實像。在本實驗之前，首先確定正透鏡3 的像方焦平面，并固定光屏 4 與透鏡 3 之間的相對位置。然后按圖 1 6 的光路，左右移動透鏡2，直至在光屏上看到清晰的箭孔像

6、為止。由圖可知，只要測出透鏡 1 到透鏡 2 之間的距離，即可求出負透鏡2 的物方焦距 f2 。圖 1-6 物在負透鏡物方焦平面上 的成象光路圖 1-7 負透鏡對無窮遠物體 的成象光路1- 第一附加正透鏡 2- 被測負透鏡3- 第二附加正透鏡 4- 光屏1- 第一附加正透鏡 2- 被測負透鏡3- 第二附加正透鏡 4- 光屏2）、物體位于無限遠按圖 1 7布置光路正透鏡提供無限遠的目標，負透鏡2 將平行光束發(fā)散，成虛像于其像方焦點。將光屏置于正透鏡的兩倍焦距處，然后同時移動透鏡 3 和光屏，直至看到清晰的像為止。利用此圖可以 粗略測出負透鏡 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形成負透鏡 2 的物體。首先使負透鏡放在 A 位置，1 方向移動，同時移動光即物距 l2 近似等于零，記下此處位置，觀察成像情況。然后將負透鏡向正透鏡 屏，觀察成像情況。圖 1-8 物在負透鏡主面和物方焦面之間 的成象光路圖 1-9 物在負透鏡像方無限遠和主平面之間的 成象光路1- 第一附加正透鏡 2- 被測負透鏡 3- 光屏1- 被測負透鏡 2- 第一附加正透鏡 3- 光屏（ 4）、物體位于像方無限遠和主平面之間這是實物通過負透鏡成虛像的情況，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、透鏡焦距的測量本實驗在焦距儀

8、（或光具座）上進行，其光學系統(tǒng)圖見圖1 10。圖中平行光管是光學測量中的常備儀器，其作用是形成標準無限遠的物體。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板、分辨率板等。玻羅板上共有五對刻線，最外面的 一對長刻線之間的間距是 20 mm，其它線對之間的距離分別為 10、4、2、1mm（只圖中畫出了 4 對刻 線）。在結構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，必要時可用其它方法精確 校準。圖 1-10 焦距儀光學系統(tǒng)的原理圖1- 光源 2-毛玻璃 3-玻羅板 4-平行光管物鏡 5-被測透鏡6- 測量顯微鏡物鏡 7-可動分劃

9、板 8-固定分劃板 9- 測微目鏡測量顯微鏡安裝在一個可作縱、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，測量時可用來讀取像高的整數(shù)部分，活動分 劃板上有一對十字線和兩條垂直的平行直線，轉動測微鼓輪可使活動分劃板移動。測微鼓輪每轉一周， 十字線移動固定分劃板的一格，測微鼓輪的斜面上共刻有 100 格，每格為 0.01 mm（有的測微鼓輪斜面 上共刻有 50 格，每格為 0.005 mm，測微鼓輪每轉兩周，十字線才移動固定分劃板的一格，使用時應注 意）。實驗時，輕輕轉動測微手輪，使活動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，從測微鼓輪上讀出其小數(shù)部分。轉動測微手輪，使活動分 劃板上的標志（叉線或雙線）對準所選玻羅板像的另一端刻線，再次從固定分劃板和測微鼓輪上讀數(shù)， 兩次讀數(shù)之差，即被測像高 y0 。實驗時，應首先檢查、調(diào)整儀器。主要內(nèi)容及步驟為：（ 1）、將儀器的電源接通，打開開關，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，必要時可進行校驗；（ 3）、將被測透鏡夾在三爪卡盤上，注意放穩(wěn)，卡牢，并注意調(diào)整被測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，裝在測量顯微鏡的鏡筒上，顯微物鏡倍率的選擇

11、主要考慮被 測透鏡焦距的長短。 測量長焦距正透鏡或負透鏡時， 應選用低倍率的顯微物鏡， 反之選用高倍顯微物鏡， 必要時可對顯微物鏡的垂軸放大率進行標定測量。（ 5）、調(diào)節(jié)測量顯微鏡目鏡的視度。對正常眼或近視眼，先將目鏡旋出（即向觀察者方向移動） 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。對同一測量者來說，測量過程中應避免再次調(diào)視度。（ 6）、顯微鏡調(diào)焦。這一過程是將顯微鏡系統(tǒng)對其物面（即被透鏡的像方焦平面）調(diào)焦。方法是： 沿導軌整體移動顯微鏡座，然后再慢慢向物面方向調(diào)節(jié)，當大致能看清分劃板上的像（即玻羅板的像） 時，固定顯微鏡座。然后利用鏡

12、座上的前后微調(diào)物輪進行調(diào)焦，直至同時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稱地位于視場中，可選用鏡座上的左右微調(diào)手輪進行調(diào)節(jié)。（ 8）、由于測微目鏡可拆裝，因此測量前還應該調(diào)節(jié)測微目鏡，使其叉絲的移動方向與玻羅板刻線方向垂直。 如果不垂直， 可先松開測微目鏡的固緊螺釘， 轉動測微目鏡， 直至符合要求為止， 擰緊螺釘。（ 9）、正透鏡的焦距測量。選定一對玻羅板刻線，轉動測微鼓輪，使活動分劃板上的十字叉絲或雙 線對準一根玻羅板刻線像。從固定分劃板上讀取整數(shù)部分，從測微鼓輪上讀取小數(shù)部分，并做好記錄； 然后慢慢轉動測微鼓輪， 使移動分劃板上的標志對準另一根玻羅板刻線像， 再次

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

14、其原因，必要時應重新進行測 量。實驗二 光學系統(tǒng)像質(zhì)檢驗實驗內(nèi)容（一） 顯微物鏡星點檢驗一、實 驗目的1 理解星點法評價像質(zhì)的的原理，掌握星點檢驗方法；2 學習和熟悉星點檢驗的判別技術。二、實 驗原理 星點檢驗是評價光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的一種簡便方法。用一點光源（稱之星點）作為物，經(jīng)被檢 物鏡成彌散像（稱之星點像） ，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像光強分布，并與僅反映衍射的理想星 點像光強分布比較， 找出二者之差別， 判斷存在問題的性質(zhì)， 從而定性的確定被檢物鏡的成像質(zhì)量。 星點檢驗法是一種靈敏度高的檢驗方法。三、

15、實 驗儀器設備生物顯微鏡、顯微鏡照明燈、星點板。 所謂星點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不大于 被檢物鏡對應的衍射斑中央亮斑的角半徑。因此，實驗時應根據(jù)被檢物鏡的數(shù)值孔徑適當?shù)剡x擇星 點孔。用來觀察星點像的目鏡，其放大率應滿足人眼通過目鏡觀察星點像時能分辨彌散星點像的第 一和第二亮環(huán)，因此，應根據(jù)被檢物鏡的放大率適當?shù)剡x取目鏡。四、實 驗內(nèi)容與步驟（ 1） 根據(jù)被檢物鏡的數(shù)值孔徑選擇適當?shù)男强装?，放在顯微鏡的載物臺上。（ 2） 將粗裝好的被檢物鏡旋在顯微鏡架的物鏡轉換器上。（ 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） 將顯微鏡對星點調(diào)焦，即看到清晰的星點衍射像，仔細觀察視場中心星點像的光強分 布，與理想星點像進行比較。（ 6） 根據(jù)星點衍射環(huán)的形狀及明暗判斷像差存在的情況， 當星點像衍射環(huán)出現(xiàn)非圓對稱形狀：（a） 若星點像出現(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） 若像面星點像出現(xiàn)十字形狀，且當將顯微鏡稍微前后離焦時出現(xiàn)方向互相垂直的橢圓 形狀，表明物鏡存在像散。 像面星點像衍射環(huán)分布雖然圓整，但中央亮斑強度減弱，外環(huán)強度加強，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、星點像應是圓整的。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)強度迅速下降，近于理想點衍射像的強度分布，焦內(nèi)、焦外衍 射斑強度分布相同。五、實 驗思考題1. 簡述星點法檢驗像質(zhì)的特點2. 試推導計算星孔直徑和目鏡放大率的公式實驗內(nèi)容（二） 光學系統(tǒng)目視分辨率測量一、實 驗目的1. 掌握照相物鏡目視分辨率的測量原理和測量方法。2. 熟悉并正確使用測量裝置。二、實 驗原理光學系統(tǒng)的分辨率是指光學系統(tǒng)所能區(qū)分或分辨物體細節(jié)的能力。 照相物鏡分辨率以焦平面上每毫 米范圍內(nèi)所能分辨開的線對數(shù)表示。為了測量光學系統(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作為測量目標。這種目 標物稱

18、為分辨率板。 在測量時， 通常都把分辨率板置于平行光管物鏡的焦面上， 以形成無窮遠處的目標。三、實 驗儀器設備測量裝置包括裝有分辨率板的平行光管、被測系統(tǒng)夾持器和觀測放大系統(tǒng)三部分。圖 2-1 所示是測 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)關系遞減，編號為A 1A 7，每塊分辨率板又由線寬遞減的25個單元組成， 7 塊分辨率板各單元的線條寬度見下表：11XGJ-1型1米光具座平行光管焦距為lOOOnun時分辨率圖案換算表 （JB/T T9328-1999）分辨率圖家 號及單元號GW條紋 數(shù)/

19、毫米相鄰條 紋甬距（秒）分辨率圖案 號及單元號（）備紋 數(shù)/ 毫來相鄰條 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