工程光學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)

1、實(shí)驗(yàn)一 物鏡焦距、截距的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆沼枚ń咕嗥叫泄夤芊y(cè)量光學(xué)系統(tǒng)焦距、截距的方法二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容掌握測(cè)量方法，做好測(cè)量前的準(zhǔn)備工作，測(cè)量給定的照相物鏡、望遠(yuǎn)物鏡和顯微物鏡的象方焦距和截距、物方焦距和截距。三、實(shí)驗(yàn)原理測(cè)量焦距的方法很多，其中的定焦距平行光管法、（即放大率法）測(cè)量范圍大，測(cè)量精度高，相對(duì)誤差一般在 1以下，是目前常用的方法，其測(cè)量原理如圖 11。圖 11焦距截距的測(cè)定原理圖其中 O 是平行光管物鏡，L 是被測(cè)透鏡，y0 是位于平行光管物鏡焦平面上的一對(duì)刻線的間隔距離。y0 經(jīng)過(guò)平行光管物鏡后成像在無(wú)限遠(yuǎn)處，再經(jīng)過(guò)被測(cè)透鏡 L 后，在它的焦平面上得到 y0 的像 y。這種方法

2、的原理就是通過(guò)測(cè)量像 y的大小，然后計(jì)算出被測(cè)透鏡的焦距。從圖 11 看出下面兩個(gè)關(guān)系式，用作圖成像的方法很容易得出：w=w （11）這就是用定焦距平行光管法測(cè)定焦距所用的公式，其中 f0是平行光管物鏡的焦距，是已知的。Y0 是位于平行光管物鏡焦平面處的分劃板上的一對(duì)刻線的間隔距離，它的大小也是事先已知的。Y是這對(duì)刻線 y0 經(jīng)過(guò)被測(cè)透鏡后所成的像，如果能測(cè)量出此像 y的大小，那么就很容易用公式（11）計(jì)算出被測(cè)透鏡的焦距f。利用本公式及方法，可以測(cè)量正負(fù)透鏡、望遠(yuǎn)物鏡、照相物鏡、放映物鏡，各種目鏡的焦距。應(yīng)當(dāng)注意要正確選擇測(cè)量顯微鏡的物鏡，使之與被測(cè)光學(xué)系統(tǒng)相匹配。如測(cè)負(fù)焦距系統(tǒng)使要選擇長(zhǎng)工

3、作距的顯微物鏡。這是因顯微物鏡的倍率不同，故（11）式變化如下 （12）式中：測(cè)量顯微鏡放大倍數(shù) 四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備焦距儀、待測(cè)物鏡（照相物鏡、照相物鏡、顯微物鏡） 焦距儀結(jié)構(gòu)示意如圖12，它包括一個(gè)平行光管、一個(gè)透鏡夾持器、一個(gè)帶有目鏡的讀數(shù)顯微鏡和把它們連在一起的一根帶有長(zhǎng)度刻尺的導(dǎo)軌組成。 圖 12焦距儀結(jié)構(gòu)示意圖1.平行光管、2.透鏡夾持器、3.測(cè)微目鏡組成 1平行光管本實(shí)驗(yàn)采用的平行光管物鏡的焦距為550mm。位于物鏡物方焦平面上可更換的分劃板的形式很多、其中用于測(cè)量焦距的分劃板稱為玻羅板，550mm 焦距儀所用的玻羅板，板上刻有 5 組間隔不同的平行線，它們的間距分別為 1、2、4、10

4、 和20mm。2帶測(cè)微目鏡的讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡是用來(lái)測(cè)量待測(cè)物鏡所成像高 y的，它由物鏡和測(cè)微物鏡組成，物鏡放大倍率可以更換，一般有 0.5、1、2.5 和 5 倍等。測(cè)微目鏡的結(jié)構(gòu)如圖 13所示，是由目鏡、固定分劃板、活動(dòng)分劃板和螺旋測(cè)微讀數(shù)裝置四部分組成。測(cè)微絲杠轉(zhuǎn)一圈，活動(dòng)分劃板上刻線移動(dòng)量為固定分劃板刻線的一格。通常測(cè)微螺旋的螺距 S 是 0.251mm，讀數(shù)鼓輪一圈等分為 100 格，格值為 S/100。固定分劃板上有若干等分刻線，其格值與螺距相符。活動(dòng)分劃板上刻有瞄準(zhǔn)用的雙刻線和叉絲線。測(cè)量時(shí)由測(cè)微絲杠推動(dòng)活動(dòng)分劃板，使雙刻線和叉絲線對(duì)準(zhǔn)所選的起始刻線，從固定分劃板上讀毫米數(shù)，再

5、從讀數(shù)鼓輪上讀取微小讀數(shù)，然后將雙刻線和叉絲線對(duì)準(zhǔn)最終刻線，依法讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差即為起始到終點(diǎn)的刻線距離。圖13測(cè)微目鏡的結(jié)構(gòu)1.目鏡2.固定分劃板3.活動(dòng)分劃板4. 螺旋測(cè)微讀數(shù)裝置五、實(shí)驗(yàn)步驟1將平行光管（1）接通電源，注意選用低壓變壓器。2將被測(cè)的光學(xué)透鏡夾在透鏡夾持器（2）上。3選擇好測(cè)量顯微鏡的倍率并裝在顯微鏡上。4調(diào)整平行管、被測(cè)件、測(cè)量顯微鏡基本同軸。5調(diào)節(jié)測(cè)量顯微鏡，使之在視場(chǎng)中能清楚地看到目鏡分劃板的像，同時(shí)調(diào)到也能看到平行光管玻羅板上的像。6用測(cè)微目鏡對(duì)選定的一組刻線讀數(shù)，首先對(duì)準(zhǔn)該刻線左邊一條（右邊也可），讀得一個(gè)數(shù)，再對(duì)準(zhǔn)另一條，讀得一個(gè)數(shù)，兩個(gè)讀數(shù)之差即為該組刻線經(jīng)

6、被測(cè)物鏡所成像之大小，重復(fù)讀三遍，取平均值。7將測(cè)得的數(shù)代入公式（11）計(jì)算出被測(cè)光學(xué)透鏡焦距 f來(lái)。8截距測(cè)量：截距是被測(cè)物鏡后表面到該物鏡所成像面間的距離。在測(cè)焦距的同時(shí)，利用光具座導(dǎo)軌上長(zhǎng)刻度尺測(cè)出被測(cè)物鏡的截距。 圖 14截距測(cè)量示意圖在測(cè)焦距時(shí)，測(cè)量顯微鏡是調(diào)焦在被測(cè)物鏡鏡面 y上的，這時(shí)顯微鏡處在光具座長(zhǎng)刻度尺某一位置上記下讀數(shù)，再將顯微鏡慢慢地向前移動(dòng)，直到在顯微鏡能觀察到被測(cè)物鏡后表面的灰塵為止，這時(shí)顯微鏡已處在光具座上一位置上，也記下讀數(shù)，二次讀數(shù)之差值，即為顯微鏡移動(dòng)的距離 SF,也是被測(cè)物鏡的后截距 S”F，同樣將物鏡反轉(zhuǎn) 180，可測(cè)出其前截距，測(cè)試如圖 15 所示。圖

7、 15滑塊在光具座上的讀數(shù)六、思考題1不同波長(zhǎng)的光源對(duì)所測(cè)焦距有何影響？2請(qǐng)畫出所測(cè)的物方：焦點(diǎn)、焦面、主點(diǎn)、主面；像方：焦點(diǎn)、焦面、主點(diǎn)、主面來(lái)。附：消視差方法光學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常要準(zhǔn)確地測(cè)量像的大小、位置等，在調(diào)整過(guò)程中一定要注意消視差。視差產(chǎn)生的原因：若度量標(biāo)尺或分劃板)與被測(cè)物體或像不共面時(shí)，隨眼睛的晃動(dòng)觀察位置稍微改變)，標(biāo)尺與被測(cè)物體之間會(huì)有相對(duì)移動(dòng)，難以準(zhǔn)確測(cè)量。若待測(cè)像與標(biāo)尺之間有視差時(shí)，說(shuō)明兩者不共面，應(yīng)稍稍調(diào)節(jié)像或標(biāo)尺的位置，并同時(shí)微微晃動(dòng)眼睛，直到待測(cè)像與標(biāo)尺之間無(wú)相對(duì)移動(dòng)即無(wú)視差，此時(shí)可準(zhǔn)確讀數(shù)。被測(cè)物體和標(biāo)尺不共面，產(chǎn)生視差。 用一只眼睛觀察，當(dāng)晃動(dòng)眼睛時(shí)，物與標(biāo)尺間有相對(duì)

8、移動(dòng)。離眼晴遠(yuǎn)者，移動(dòng)方向與眼睛晃動(dòng)方向相同，離眼暗近若，移動(dòng)方向與限暗晃動(dòng)方向相反。實(shí)驗(yàn)二 物鏡象差觀察一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容1了解和熟悉檢驗(yàn)物鏡像差的一般性方法星點(diǎn)法。2了解以 CCD 攝像頭為主要元件搭建的光電圖像采集系統(tǒng)的組成、性能指標(biāo)、工作原理和一般調(diào)整方法。3觀察通過(guò)各種物鏡后所成的數(shù)字化星點(diǎn)圖像，分析幾何像差對(duì)成像的影響，定性判斷物鏡像差的性質(zhì)和大小，加深對(duì)像差理論的理解。二、實(shí)驗(yàn)用儀器和設(shè)備光具座一臺(tái)、被檢物鏡若干、星點(diǎn)板、分辨率板（用于輔助光路的調(diào)整）、數(shù)字圖像采集和顯示系統(tǒng)（包括 CCD 攝像頭、圖像采集卡和個(gè)人電腦）三、實(shí)驗(yàn)原理相干照明物體或自發(fā)光物體,成像光學(xué)系統(tǒng)的作用是把

9、物面上的光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換為像面上的光強(qiáng)分布。由于衍射、像差和各種工藝疵病等原因，物像分布不可能完全一致。為了評(píng)定系統(tǒng)的成像質(zhì)量，并為改善像質(zhì)提供必要的信息，通常選用星點(diǎn)（發(fā)光點(diǎn)）作為代表性的物體，通過(guò)描述它的像的全部特征來(lái)反映系統(tǒng)的像質(zhì)。由于任意物的分布都可以看成是無(wú)數(shù)個(gè)具有不同強(qiáng)度的、獨(dú)立的發(fā)光點(diǎn)的集合；任意物的像就是這無(wú)數(shù)個(gè)星點(diǎn)像的集合。因此，星點(diǎn)像的光強(qiáng)分布函數(shù)就決定了該系統(tǒng)的成像質(zhì)量。另外星點(diǎn)像的光強(qiáng)分布比較易于描述，所以星點(diǎn)檢驗(yàn)法是檢驗(yàn)成像光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量時(shí)最基本、最簡(jiǎn)單的一種方法。傳統(tǒng)的星點(diǎn)檢測(cè)方法是：光源通過(guò)聚光鏡照亮位于平行光管焦面的星點(diǎn)板小孔，從平行光管出射的平行光經(jīng)待測(cè)物鏡，在其焦

10、面上成像，然后用目鏡（測(cè)量顯微鏡）對(duì)所成的像進(jìn)行觀察。隨著 CCD 和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)圖像數(shù)字化已成為必然的趨勢(shì)。用計(jì)算機(jī)采集星點(diǎn)圖像，不但能夠減輕人眼觀察的疲勞，而且可以同時(shí)再現(xiàn)焦前、焦面和焦后的星點(diǎn)圖像，便于比較、判斷像差的性質(zhì)和大小，也有利于學(xué)生全面理解和掌握像差理論。改進(jìn)后的系統(tǒng)如圖 2-1 所示。圖 2-1幾何像差系統(tǒng)數(shù)字采集系統(tǒng)在原星點(diǎn)觀察系統(tǒng)的顯微鏡后放置 CCD 攝像頭，攝像頭接計(jì)算機(jī)中的圖像采集卡，經(jīng)模數(shù)變換后，在計(jì)算機(jī)的顯示器上顯示圖像。圖像可單幀采集也可實(shí)時(shí)采集。為了方便采集某一種像差對(duì)應(yīng)的焦前、焦后、焦面的圖像，讓攝像頭與觀察顯微鏡同時(shí)移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中可將觀察顯微鏡的

11、目鏡和攝像頭的物鏡部分同時(shí)拆下，使用專門設(shè)計(jì)的一個(gè)接口，連接觀察顯微鏡的目鏡筒和攝像頭的成像 CCD。觀察顯微鏡的物鏡倍數(shù)可調(diào)，一般選 2.5 倍，圖像大小合適。四、星點(diǎn)衍射圖像分析為了能夠根據(jù)星點(diǎn)像的形狀、特征對(duì)被檢系統(tǒng)的疵病做出正確的“診斷”，除了要求掌握星點(diǎn)檢驗(yàn)的基本原理，正確選擇合適檢驗(yàn)儀器外，還要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此了解每一種像差及常見誤差所具有的星點(diǎn)像的特征是十分重要的。下面就單獨(dú)具有某種像差或誤差的幾種典型星點(diǎn)像作一分析（假定入瞳是圓形的）。1球差光學(xué)系統(tǒng)僅有球差時(shí)，根據(jù)球差的性質(zhì)可知，出射波面是一個(gè)非球面的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面，因此星點(diǎn)像的衍射環(huán)還是圓的，但光強(qiáng)分布規(guī)律與理想情況不同，

12、表現(xiàn)為光能由中央亮斑向各衍射環(huán)分散，結(jié)果中央亮斑變暗，各亮環(huán)變亮，且暗環(huán)的光強(qiáng)也不再為零。但最明顯的特征是焦前焦后對(duì)稱面上的衍射圖樣不再相同。2慧差僅有慧差時(shí)，慧差較小時(shí)，中央亮斑稍稍偏離第一衍射亮環(huán)的中心，同時(shí)該亮環(huán)的粗細(xì)和亮暗都不再一致，中央亮斑靠近的一側(cè)，環(huán)變細(xì)變暗，遠(yuǎn)離的一側(cè)則變粗變亮?；鄄钤黾?，中央亮斑偏心加大，第一亮環(huán)的亮暗差也加大以至斷開。波像差大于 0.5后,星點(diǎn)像開始呈現(xiàn)出彗星狀,即有一個(gè)明亮的頭部和一條漸漸擴(kuò)展、變暗的尾巴。如果被檢系統(tǒng)的軸上點(diǎn)也出現(xiàn)慧差，說(shuō)明系統(tǒng)存在工藝疵病，主要是單片透鏡中心偏差、膠合透鏡偏心差和裝配時(shí)某些鏡片的偏心等疵病。但是偏心量都比較小，否則不僅出

13、現(xiàn)慧差還會(huì)出現(xiàn)像散。用檢查軸上點(diǎn)星點(diǎn)像有無(wú)慧差來(lái)判斷光學(xué)系統(tǒng)在裝配和其他工藝過(guò)程中是否引進(jìn)了偏心差是一個(gè)很好的辦法。它有很高的靈敏度，當(dāng)偏心差產(chǎn)生的波像差為20 或更小時(shí)，人們就能檢測(cè)出來(lái)。但星點(diǎn)檢驗(yàn)用于測(cè)定像差大小時(shí)就十分不利。3像散僅有像散的星點(diǎn)圖的特征是：焦前、焦后都呈現(xiàn)橢圓形星點(diǎn)圖，但其長(zhǎng)軸互相垂直。像散很小時(shí)，中央亮斑還是圓形的，在子午和弧失焦線處，第一暗環(huán)皆成長(zhǎng)方形，但彼此垂直；在兩焦線間總能找到第一暗環(huán)成正方形的像面位置；這是有像散時(shí)的焦面位置。造成光學(xué)系統(tǒng)出現(xiàn)軸上像散的主要原因有兩個(gè)，一是光學(xué)面有較大的偏心，二是光學(xué)面變形。如果星點(diǎn)像的主要特征表現(xiàn)為像散，慧差并不明顯，這時(shí)的像

14、散往往主要由光學(xué)面變形產(chǎn)生。如果像散和慧差都明顯，則主要是光學(xué)面有較大偏心造成。因?yàn)樾×科臅r(shí)首先在星點(diǎn)圖中出現(xiàn)慧差，偏心加大，慧差增加，像散更快地增加，致使兩種像差在星點(diǎn)像中都明顯呈現(xiàn)。4其他疵病在光學(xué)玻璃熔煉中、光學(xué)零件加工和裝配中產(chǎn)生各種工藝疵病時(shí)，星點(diǎn)像都將呈現(xiàn)與之相應(yīng)的特征。這些特征往往反映在星點(diǎn)圖的形狀變化而不是光能分布的變化上，因而能以很高的靈敏度發(fā)現(xiàn)這些疵病。如果某種疵病引起星點(diǎn)像的變化很不明顯，說(shuō)明它對(duì)像質(zhì)的影響不大。例如玻璃退火時(shí)殘留的應(yīng)力，即使應(yīng)力較大，從星點(diǎn)像中還不易發(fā)覺。但它對(duì)光學(xué)面面形和加工工藝形的影響卻是很大的。因此，最好用應(yīng)力儀檢查這種疵病。五實(shí)驗(yàn)結(jié)果（部分）

15、圖 2 -2球差 圖2 -3慧差 實(shí)驗(yàn)三 典型系統(tǒng)組合及特性參數(shù)測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^(guò)對(duì)望遠(yuǎn)系統(tǒng)等特性參數(shù)的實(shí)際測(cè)量，進(jìn)一步掌握望遠(yuǎn)系統(tǒng)的基本成像原理，同時(shí)加深對(duì)其各參數(shù)的理解。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇透鏡，組合成望遠(yuǎn)系統(tǒng)；2、實(shí)際測(cè)量望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出瞳及出瞳距的大小，以及各參數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)儀器平行光管、待測(cè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)（經(jīng)緯儀或水平儀）、倍率計(jì)、組合用透鏡等。 圖3-1 望遠(yuǎn)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量?jī)x器 圖32望遠(yuǎn)系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量原理四、測(cè)量原理對(duì)于望遠(yuǎn)系統(tǒng)來(lái)而言，物鏡框就是孔徑光闌，也為入瞳；物鏡框經(jīng)后面的目鏡所成的像即為望遠(yuǎn)系統(tǒng)的出瞳D，出瞳到望遠(yuǎn)系統(tǒng)目鏡最后一面的頂點(diǎn)的距離就是出瞳距離。利用倍率計(jì)可以簡(jiǎn)單

16、而比較精確的測(cè)量出出瞳直徑及出瞳距。結(jié)構(gòu)原理如圖32 所示，倍率計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)低倍的顯微鏡，物鏡的放大率是1 倍，目鏡是0.5倍，分劃板上刻有用來(lái)測(cè)量出瞳像直徑的標(biāo)尺，其刻劃范圍為。此外，顯微鏡可以在外筒內(nèi)前后移動(dòng)，在顯微鏡筒上有一根長(zhǎng)度標(biāo)尺，刻劃范圍為，格值為（在外筒上有一窗口可見到此標(biāo)尺）。當(dāng)顯微鏡在外筒內(nèi)移動(dòng)時(shí)，標(biāo)尺可指示出它的位置，以方便的測(cè)量出出瞳距。五、測(cè)量步驟實(shí)驗(yàn)前完成系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)：畫出系統(tǒng)光路圖；根據(jù)給出的透鏡焦距，用組合公式計(jì)算所選光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)，并寫出計(jì)算過(guò)程；根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，選擇最佳組合方案（在滿足要求的前提下，機(jī)械筒長(zhǎng)盡量短）。（一）望遠(yuǎn)系統(tǒng)出瞳直徑D的測(cè)量1、測(cè)量前將被測(cè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)的目鏡視度調(diào)整到零，使儀器處于正常工作狀態(tài)。2、將平行光管、被測(cè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)、倍率計(jì)如圖32 依次放置，并調(diào)整三者共軸等高。3、通過(guò)倍率計(jì)觀察望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡框所成之像，并對(duì)出瞳亮斑調(diào)焦，從而使被測(cè)系統(tǒng)的出瞳在倍率計(jì)分劃板中心部位上成清晰的像，此時(shí)從倍率計(jì)分劃板上的刻線值即可正確地讀出被測(cè)系統(tǒng)的出瞳直徑的大小。（二）望遠(yuǎn)系統(tǒng)出瞳距離的測(cè)量1、當(dāng)倍率計(jì)調(diào)焦在出瞳面上時(shí)，從倍率計(jì)外筒