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1、实验一 放大率法测量焦距和截距Measurement Of Focus And Intercept 一、 实验目的:1通过对透镜的焦距和截距测量熟悉焦距仪的测量原理及测量方法，掌握基本的实验技能。 2了解焦距仪的结构及平行光臂的使用，学会螺旋丝杠式测微目镜读数方法。 3掌握校正显微镜放大率的方法。二、 实验要求： 基本理论：理想光学系统的共线成像理论。基本知识：了解焦距仪的结构，平行光管的使用，理想光学系统焦点、焦平面、主平面、焦 距和截距的概念。基本技能：学会在焦距仪上进行同轴等高调节。 学会使用螺旋丝杠式测微目镜及读数方法。三、 实验内容及测量原理：焦距和截距是光学系统重要的特性参数，就几
2、何光学来说，焦距是光学系统的特征值。只要知道焦距和焦点的位置，就能完全确定任何位置上的物体经过该光学系统所成像的位置、大小、正倒和虚实。 1焦距的测量原理： 光学系统的主点到焦点的距离称为焦距。物方焦距、像方焦距分别用、表示。放大率法测量焦距是利用平行光管物镜焦面上分化板的一对刻线在被测透镜焦面上成像的比例关系，求出被测透镜焦距的大小。如平行光管分化板上一对刻线间距为,经被测透镜成的像为,平行光管物镜和被测透镜焦距分别为和,由图一可看出它们的关系如下： 即 式中f0、y为已知，f与y成正比。这样只要测出y,即可求出被测透镜焦距。 图一 2焦距的测量： 光学系统的最后一个表面顶点到像方焦点的距离
3、为后焦距，用lp表示。很显然，对 于一个光学系统知道了焦距和截距的大小，就可确定焦点和主点的位置。 图二 在测量截距的同时，可以进行透镜截距的测量。图二表示了测量原理，其中y 是位于被测透镜焦平面上的平行光管分化板刻线的像。测量焦距的时候，测量显微镜是 调焦在像y上的，也就是被测透镜的焦平面一定位在测量显微镜的工作距离L上。此时， 利用在导轨上的长度刻尺可以得到测量显微镜位置的一个读数。然后慢慢移动测量显 微镜镜座，直到被测透镜的后表面在测量显微镜的工作距离上，这时通过测量显微镜 能清楚地观察到被测透镜的这个表面。此时在刻度尺上又可以得到测量显微镜位置的 一个读数。两次位置的读数差值，即测量显
4、微镜移动的距离就是被测透镜的截距。四、 测量仪器：测量使用的仪器为焦距仪。这种仪器由平行光管，透镜夹持器，带有测微目镜的测量显微镜以及将它们连在一起的一根长导轨所组成。利用带有测微目镜的测量显微镜可以准确地测出在被测透镜焦平面上所成的刻线像的间隔。通常在各种光具上都能进行测量。平行光管文件焦距为f0=550mm。测量焦距时用的平行光管分化板形状如图三所示，它上面刻有五组间隔不同的平行线，这五对平行线的间隔距离分别为1、2、4、10、20毫米。仪器的导轨长度为1.5米，它上面附有一根刻度尺，价格为1毫米利用它可以指示出测量显微镜的所在位置。这一点对测量截距是有用的。测量显微镜的目镜有两种可以更换
5、，其倍率分别为1X，0.5X，其工作距离分别为135毫米和600毫米。工作距离较长的0.5X物镜，适用于测量焦距较长的负透镜。 图三 图四 图五 测量显微镜上带有螺旋式测微目镜，其固定分化板如图四所示，刻度范围8毫米，每格间距为1毫米用于测量焦距时读整数部分。其活动分化板如图五，上面刻有交叉十字线及一对平行线，当测微目镜读数鼓轮旋转时，活动分化板刻线移动。读数鼓轮上有100格等分刻线，读数鼓轮旋转一圈，活动分化板移动1毫米，所以读数鼓轮上的一格相对固定分化刻线移动0.01毫米。这样利用测微目镜就可以准确地测量出平行光管分化板上的刻线组经过被测透镜所成的象再经过显微物镜所成像的大小。五、 测量方
6、法：1 将被测量透镜安装在透镜夹持器上。2 调节测微目镜深度，使看到的显微镜分化板的刻线清楚。3 调节测微显微镜和透镜夹持器，使它们和平行光管三者的光轴大致一致。此时平行光管分化板在被测透镜焦平面上形成一个像。调节测量显微镜，在测微目镜分化板上看到这个像，并且使这个像在视场中上下、左右适中。4 微调测量显微镜，调至使在视场里能无视差地看到平行光管分化板刻线的象为止。5 以上调好后，用测微目镜测出此像的大小，将活动分化板的叉线首先对准所选定的那组刻线的左边一条，可以看到一读数，然后转动测微手轮，使活动分化板的叉线再对准该组刻线的右边一条，又可以得到一读数，两个读数之差即为测微目镜对刻组刻线经显微
7、物镜所成像的读数值，记为D，显然、其中 为显微镜的放大率。（注：此处、y、y都取绝对值）代入公式： 令常数 则： 从测量中得到D、查下表找出对应的C值，由公式即可计算得到被测调节的焦距。 常数C 1 2 4 10 20 -1X 550 275 137.5 55 27.5 -0.5X 1100 550 275 110 556 移动测量显微镜测量截距。7 将测量数据与计算结果填入表中：测量正透镜： 左竖线 右竖线DC 第一次 第二次 第三次 测量负透镜： 左竖线 右竖线DC 第一次 第二次 第三次 六、 测量中应注意几点：1 被测透镜应尽可能地在与使用情况的状态下进行测量。因为一个光学系统只要对特
8、定的工作位置校正了像差的。如果位置放反了，则由于像差较大而得不到清晰的像。2 选择平行光管分化板上刻线时，使刻线间距小于平行光管、被测透镜的有效视场范围，否则轴外像差将影响测量结果。3 在测量负透镜时，所选用的显微镜的工作距离要大于被测透镜焦距。4 转动测微目镜时，切勿使活动分化板刻线移出视场，以免损坏。5 调节测量显微镜时要注意不要使显微镜移动过头，致使测量显微镜由导轨滑落。七、 思考题：注意事项3中，为什么要选用工作距离大于被测负透镜焦距的显微物镜？实验二 象差实验一、 实验目的：演示观察各种象差现象，了解各种象差产生的条件。二、 实验要求：基本理论：象差理论基本知识：象差产生的条件基本技
9、能：利用实验设备较准确地表演各种象差现象。三、 实验装置：简易光具座及其附件（透镜、光阑、演示板、象屏、滤色片等）。四、 实验内容和实验方法：实验光学系统中，只要平面发射镜在理论上具有理想光学系统的性质。其它光学系统都不能以一定宽度的光束对一定大小的物体成完善象，即物体上任一点发出的光束通过光学系统后不能会聚为一点，而形成一弥散斑，或者使象不能严格地表现出原物形状，这就是象差。各种象差都和光学系统的结构及物体位置和大小有关。 1.球差： 由轴上一点发出的光线，孔径角不同,通过光学系统后有不同的象方截距，这就是球差现象。球差是轴上点唯一的单色象差,球差在数值上是轴上点发出不同孔径光线的象方截距L
10、与近轴光截距1之差即： 球差是沿光轴方向量度的,是一种轴向象差。 图一 观察方法：实验装置按图一排列。灯泡内的灯丝作为观察的物体,其中的光阑是有5个小孔的演示板。首先改变光阑及透镜的位置,使得经过5个小孔的光束都能经过透镜。（使象略小于物体）然后遮挡住光阑上中间的三个小孔,些时可观察到两束边光,移动象屏找到灯丝经边光所成的象,把灯丝象调清晰后,记下其位置L。然后再遮住两边小孔,使经过中间三个小孔的光束进入透镜,此时可看到象屏上不再是一个清晰的象,移动象屏把象调清晰,记下此时象面位置1,即为近轴光象面位置,L和1两值之差便是对此透镜粗测的球差值。 2.慧差： 慧差是一种轴外象差,是由于光束通过光
11、学系统折射后,不同孔径光线的会聚点相对光束轴的偏离不同而产生。由于靠近主光线部分会聚的光能量较集中其余光线偏离主光线较远,光能量较为扩散形成慧星形象点。 观察方法：实验装置按图二排列,其中透镜和象屏按图中虚线位置。首先调节聚光镜、物和光阑,使之同轴,并使光线充满作为物的小孔和光阑。移动象屏找到小孔的象,并调至清晰。然后按照图中实线所示位置,使透镜及象屏偏转一角度,便可观察到在象屏上有慧星形状的慧差出现。慧星的头便是主光线的象点,它光能量最集中,因而最亮。注意偏转透镜后不应再移动其它部分的装置。 图二 3.象散： 光学系统对轴外点成象产生象散,是由于轴外点发出的光束通过光学系统后,形成的光束所对
12、应的波面已非球面波,它在两个主截面中的曲率不同,所以分别有子午象点和弧矢象点,子午细光束形成子午象点,为一垂直于子午面的短线（也称焦线）,弧矢细光束形成弧矢象点,为一垂直弧矢面的短线（也称焦线）。两条短线之间的距离即为象散值。 图三 观察方法：按照图三排列，同慧差步骤,先按虚线找象点,再偏移光轴,此时可观察到象屏上有椭圆出现,移动象屏,可观察到象由垂直于子午面的短线即子午焦线变为一长轴垂直于子午面的椭圆,继续移动象屏,椭圆长轴变成在子午面内,最后形成一子午面内短线即弧关焦线,记下两焦线的位置,便可粗略计算象散大小。注意此时不应再动透镜和光阑,只前后移动象屏即可。 4.畸变： 光学系统产生畸变的原因是一对共轭物、象平面上,放大率随观场而改变,不再是常数,因 此使成像发生变形。畸变分枕形畸变（即为正畸变）和桶形畸变（即为负畸变）。 观察方法： （1）枕形畸变： 按图四排列,先不放入小孔,使物在象屏上成象,并使象略大于物,调清网格象后,把小孔光
