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1、工程光学实验指导书1前言本课程的实验环节其设计思想是与课堂教学相结合，除了进一步巩固和深化学生基础知识之外，以更开放、更灵活的方式培养学生 动手能力、合作精神和 对工程技术问题的思考方式，形成开放式创新思维。通过实验，进一步加深对几何光学的基本现象、概念、原理与定律的理解，了解和熟悉有关光学仪器及装置的结构、原理及使用，掌握基本的实验方法和技能，学会用实验的方法分析一些光学现象。实验是工程光学课程体系的重要一环。实验环节的目标是：使学生能够比较牢固地建立研究意识、工程意 识、分工合作的工作方式，培养独立自主地分析和解决 问题的能力。本实验教学环节 采用模块化实验组合，学生可以小组为单位进行实验
2、，力求培养学生的自主学习与创新能力和团队协作精神。 基本要求：要求实验前做好预习，理解每个实验的原理、步 骤；实验时正确操作仪器， 认真观察各种实验现象，仔细记录 、分析数据； 实验结束后及时做好实验报告。主要内容：模块一 光组的成像特性 .2模块二 光组的焦距测量 .6模块三 典型光学系统设计及特性测量 .8附录 .11思考题 .16工程光学实验指导书2模块一 光组的成像特性实验目的1.验证物像位置关系，深入了解透镜成像特性。 2.掌握望远镜、显微镜、复合透镜的组合方法。 3.观察光线在棱镜中传播的情况，并了解各种棱镜的成像特性，熟悉各种棱镜的结构。 透镜成像特性1. 实验仪器及设备 指标、
3、透镜架、透镜、成像屏、光具座、照明系统。图 1 透镜成像特性实验装置2. 实验原理 l 和 l分别表示物像距，f为光组的焦距，则当光组处于空气中时，有： （1）可知，对于具有一定焦距的光组，其像的位置随物体位置的变化而变化，而其相应的横向放大率可表示如下： （2）3. 实验内容与步骤 取一正透镜使物体（指标）位于 ； 取一负透镜使物体位于 。分别记录物体经透镜所成像的大小、正倒及位置。 工程光学实验指导书3 光组组合1. 实验仪器及设备 六只正透镜、二只负透镜、光具座、一只平行光管、平面反射镜、投影屏。在平行光管物镜的物方焦平面上置一块带指标的分划板，分划板通过物镜成像于无穷远，即可在实验室条
4、件下提供“无穷远物体” 。图 2 光组组合实验装置2. 实验内容 组合 4 倍的开普勒望远镜，目镜焦距 50mm。 组合 4 倍的伽利略望远镜，目镜焦距-50mm。 组合一显微镜，放大倍率为 15 倍，目镜焦距为 50mm，物镜的共轭距为 180mm。 有限焦距物镜与望远镜的组合（开普勒望远镜） 。 二块正、负透镜在间距不变的条件下交换它们的前后位置，分别构成二组组合物镜(） 。 观察二个正透镜的组合焦距随间隔的变化规律。 3. 实验步骤 用一块焦距为 200mm 的正透镜，放在十字物体前，取一块平面反射镜置于透镜前，这时在十字物体旁有一反射像，然后改变透镜和物体之间距离直至反射像清晰，并且物
5、像大小相等，这说明物体已位于透镜的焦平面上，射出平行光，这就在实验室条件下提供了“无穷远物体” ，这种方法叫自准直法。 组合 4 倍的开普勒望远镜，先计算出当 时物镜的焦距，然后用自准直法使工程光学实验指导书4物镜的像方焦点和目镜的物方焦点相重合，即为开氏望远镜。 有限焦距物镜与望远镜的组合（开普勒望远镜） ，在以上组成的开普勒望远镜系统前、后放一块已知焦距的透镜，然后分析放在前后位置的不同情况。 组合 4 倍的伽利略望远镜，先计算出当 时物镜的焦距，用一任何焦距的正透镜放在平行光管前，先在光屏上成一清晰的像，然后将组合的伽利略望远镜系统放在平行光管和透镜之间，并改变系统之间距，直至在光屏上又
6、出现清晰像，此时即为伽利略望远镜。 分离正、负透镜的组合。计算一下 的两块透镜，在相距多少间距时组合的焦距为正，才能成实像，或用实验方法改变二透镜之间距，直至在光屏上成像，然后记下此时二透镜的间距，再交换二组组合物镜的前后位置，使间距不变，观察这时有何现象。 取二个任意焦距的正透镜，然后观察二个正透镜的组合焦距随间隔的变化规律。 组合放大率为 15 倍的显微镜系统。由目镜焦距为 50mm，先计算出目镜的放大率，再算出物镜的放大率，然后考虑当共轭距为 180mm 时应选用多少焦距的透镜作为物镜，先在物体前放置光屏，使其间距为 180mm，再在其间放置作为物镜的透镜，移动透镜，使在光屏上成一清晰像
7、，然后在光屏前放置透镜作为目镜，用自准直法将物镜的像成在目镜的焦平面上，取下光屏用眼睛直接观察物体，此时已组成 15 倍显微镜系统。 平面系统成像特性1. 实验装置 从氦氖激光器射出的水平激光束，经平面镜反射后折转 90 度垂直向上，再经柱面镜扩束，成为一扇形光束经介质膜分束器中的介质膜分光镜反射后，又成水平方面；扇形光束与演示屏垂直相交，从而在演示屏上显示出光束的径迹，在度盘孔内插下各种光学零件后，就可以做各种光学实验。 演示仪主要由激光器、扩束器、分束器，演示屏，附件夹持架和其他附件组成。 激光管和电源都安装在底座里，演示屏、扩束器和附件夹持架装在底座上，分束器装在演示屏的左侧，夹持架装在
8、演示屏的右侧，在演示屏的中间还有一只度盘 6，它可以转动，中间有一只圆孔，用来插放各种光学零件或组件。工程光学实验指导书5图 3 平面系统成像特性实验装置2. 实验原理 利用氦氖激光器发出的红色细光束，经柱面扩束镜后为一扇形平面光束，直接射向平行平板或各种棱镜上，就能直观地观察到光束在各面上的折反射情况。 稍稍退出柱面扩束器，在底座上放置装有圆扩束器的支架及装有指标的支架，并把被测棱镜置于右侧的夹持器上，对着出射光线的方向能观察到各种棱镜的转像情况。 3. 实验步骤 接上 220V 电源，然后顺时针方向旋转开关到第一档，在正常情况下，激光管发射出红色激光束，若由于电压过低，激光管不能启辉，可转
9、动开关到第二档，再不行可用第三档。 调整扩束器，扩束器可在座内前后移动，以使扩展后的光束基本上落在分光镜上，并在演示屏需要的部位得到最明亮的光线径迹，如果不需要扩束，只需把扩束器稍稍退出。 调整分束器，这是用来将光线分束的装置，根据需要将光线分成二束、三束、四束或五束。这时就要使用不同面数的介质膜分光镜。为了使分束后的各条光线亮度均匀，每块介质膜分光镜的反射率是一样的。分光镜可以绕水平轴线转动，因此可以在演示屏上得到各种不同位置的光线途径，也可以根据需要使分束后的光线成为平行光线、会聚光束或发散光束。在调整时，应先拧松固紧镙钉，然后转动分光镜到需要位置，然后再拧紧固紧螺钉。整个分束器座可绕两顶
10、尖螺钉子的轴线转动，以调节分光镜和演示屏之间的倾角，从而可调节演示屏上光线的长度和亮度。调节时，只需转动分束器座上的调节螺钉即可，整个分束器座可沿演示屏上的槽作上下移动以适应各种需要。转动分束器的上、下两只顶尖螺钉上的锁紧螺母松开、退出，然后转动上下两只顶尖螺钉，一只退，一只进，注意不要将螺钉顶得过紧，以免损坏零件。 分别把各光学组件插入度盘中间的圆孔，组件可相对于度盘转动，以固定在适当位置。度盘可连同光学组件一起转动。工程光学实验指导书6模块二 光组的焦距测量实验目的1. 正确选用测量焦距的方法； 2. 掌握正确的数据处理及精度分析的方法。 放大率法测焦距1. 实验仪器及设备焦距仪及被测透镜
11、、光学系统。焦距仪如图 4，是测量透镜和光学系统的焦距、截距和检测光学系统像差常用仪器。 图 4 550 焦距仪2. 实验原理 放大率法测焦距的原理是通过测量像 y的大小，计算出被测透镜的焦距。由图 5 知，平行光管的焦距和被测物镜的焦距之比等于位于焦面上的物像大小之比，即 （3）式中， 平行光管物镜的焦距； 位于平行光管物镜焦平面的玻罗板上某一对刻线的间隔距离； 由测微目镜所测得的玻罗板某一对刻线像的间距。 则被测物镜的焦距 （4）工程光学实验指导书7为提高测量精度，常用带测微目镜的读数显微镜将像放大后再测量读数，用带有测微目镜的读数显微镜进行读数时其公式为： （5）式中, 读数显微镜的显微
12、物镜放大率； y”被显微镜放大后的玻罗刻板刻线像间距。图 5 焦距仪测量原理3. 测量装置及步骤 测量是在光具座上进行的，测量步骤如下： 将被测透镜安放在透镜夹持器上，调整夹持器使被测透镜与平行光管光轴大致重合。 调节测微目镜视度，使其同时看清十字叉丝和读距分划板。松开透镜夹持器的固定螺旋，前后移动透镜座使分划板的像位于显微镜的工作距离上，使读数显微镜能看到平行光管玻罗板成像在读距分划板上，然后旋紧固定螺旋。 调节显微镜座，使平行光管玻罗板的像和读距分划板一样清晰。 转动测微鼓轮，读出选定的一组间隔距离的像的大小，然后根据以上公式算出被测物镜的焦距。工程光学实验指导书8模块三 典型光学系统设计
13、及特性测量实验目的1. 深入理解望远镜系统光学特性及基本公式； 2. 掌握望远镜系统光学特性的测量原理和方法。 自组望远镜特性测量 1. 测量装置 最简单的望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的凸透镜作为目镜组合而成。远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小的倒立实像，物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合。而目镜起一放大镜的作用，把这个倒立的实像再放大成一个正立的像，如图 6 所示。可由光学平台、带调节架的底座、透镜（焦距不等） 、激光光源、白屏、微尺、毫米尺、带底座的米尺等组成。图 6 简单望远镜光路图2. 实验步骤 把全部器件按图 6 的顺序摆放在平台上，通过激光光源和透镜成像
14、规律将所有元件调至共轴。选取一个焦距大的为物镜（本实验 f=200mm） ，一个焦距小的为目镜（f=75mm ） ，按光路图组装好，并调焦，看到清晰成像。将千分尺调节成 d1=5mm，放在 S1=1000mm 处作为要观察的成像物体。一只眼通过目镜观察千分尺成像，另一只眼直接观察千分尺，比较读出像的长度 d2。求出望远镜测量放大率 M=d2/d1，并与理论值比较。对结果进行误差分析。实验数据处理与分析例实验测量的 d2=19mm ，由望远镜测量放大率：M=d 2/d1=3.8；与理论值比较312 )(StgM=3.4工程光学实验指导书9相对误差还是比较大的，分析其中原因可能主要有：a)望远镜焦距 f、f与实际的 S2 、S3 存在差距；b)由于读 d2 时主要由人眼辨别读出可能存在较大误差。 望远镜特性的测定1. 实验内容 测定望远镜的入瞳直径 D、出瞳直径 D和出瞳距；测定望远镜的视觉放大
