应用光学实验

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1、1应用光学实验2实验九 光学玻璃或液体的折射率和色散测量（临界角法）一、实验目的1掌握用阿贝折光仪测量光学玻璃或液体的折射率和色散的原理和方法。2熟悉阿贝折光仪的结构和使用方法。二、实验原理所谓临界角法是将被测试样与已知折射率的折射棱镜紧贴在一起（在试样与折射棱镜之间必须加折射液） ，通过角定与临界光线相对应的出射光线的方向来求得试样折射率的方法。如图 9-1 所示，标准棱镜的折射率为，被测试样的折射率为 ，以掠射方工Lnn进入试样的光线，折射后以全反射临界角进入标准棱镜，并以 角出射。显然，0I0为使临界光线折入标准棱镜中，必须满足。OLn由于光线 与临界光线对应，因此出PR射光线只能分布在

2、光线 的同侧（或者左侧，或者右侧） ，而 就是出射光的边界。PR在用来接收出射光的望远镜视场中，它形成明暗两部分的分界线，瞄准这一分界线，就确定了光线 的方向，就起到了标定 的作用。0可以导出(9-1)002sincosinsi AAnL式中 ， 分别为试样和标准棱镜在测试条件下相对空气的折射率；nL标准棱镜的折射角；A临界光线对应的出射光线与标准棱镜光线出射面的法线之间的夹角。0式中，出射光线在出射面法线之上时取“+”号；反之取“-”号。图 9-1 临界角法测量玻璃折射率的光学原理图1-被测样品 2-折射棱镜3由此看来，已知 、 ，只需测出 便可求得试样的折射率 。ALn0n实际上，为了方便

3、，可对不同的 预先算出 ，并标注在度盘相应位置上。因而，n测量时可直接读取 值。阿贝折光仪就是这样做的。当然，这要求在使用前仔细校准，以保证仪器示值的准确性。三、实验仪器设备根据临界角法测量折射率的原理设计制成的阿贝折光仪能用于测定透明、半透明的液体或固体的折射率和平均色散。2W 型阿贝折光仪的光学系统如图 9-2 所示，仪器外貌如图 9-3 所示。图 9-2 阿贝折光仪的光学系统1、13- 反光镜 2-照明棱镜 3-标准棱镜4-色散棱镜 5-物镜 6、8-场镜7-目镜 9-显微物镜 10-转向棱镜 11-度盘 12-毛玻璃图 9-3 阿贝折光仪外貌1-底座 2-棱镜转动手轮 3-度盘组4-小

4、反光镜 5-支架 6-读数镜筒7-目镜 8-望远镜筒 9-示值调节螺钉10-色散棱镜手轮 11-色散值刻度圈12-棱镜锁紧扳手 13-棱镜组14-温度计座 15-恒温器接头16-保护罩 17-主轴 18 反光镜4仪器的主要结构如下：（1）照明系统 照明系统由反光镜和照明棱镜组成。反光镜反射外来光线（日光、灯光等）以照射照明棱镜，照明棱镜的通光面制成毛玻璃，因此形成漫射光源，作为仪器的照明光源，以便提供沿不同方向射向试样的光线，保证望远镜视场中一半为明，一半为暗。（2）标准棱镜 标准棱镜除了和试样一起给出测量方程式外，还是仪器的定位元件，起着支承试样的作用。（3）色散棱镜 由于照明光源是白光，因

5、此在折射时必然产生色散现象。色散的存在使得望远镜中明暗视场的分界线带色（对不同的波长，光线 的方向不同） ，这就影PR响瞄准精度。为了消除色散现象的影响，在仪器中引入了色散棱镜。它由两个相对转动的棱镜组成，其不同的相对位置状态，可以引入不同的色散值，以抵消试样和标准棱镜所引起的色散作用。色散棱镜的不同位置状态，用色散刻度圈上的 值表示。Z（4）望远镜 望远镜是仪器的瞄准系统，用以确定光线 （图 9-1）的方向，给定 和 。0n（5）示值机构和读数装置 阿贝折光仪用度盘来示值，但度盘上给出的值为 光的D折射率 ，它是仪器的标准量。读数用显微镜。D（6）恒温套 测量液体的折射率时，易于受温度的影响

6、，因此设置了恒温套，以保证测量时试样处于一定的温度。四、实验内容和步骤1仪器校准用已知折射率的标准样品（仪器本身备有的附件）检查仪器的示值是否正确，其方法如下：（1）将标准样品的抛光面涂少许折射液（其折射率应大于标准样品的折射率，小于标准棱镜的折射率。目的是保证样品和标准棱镜有良好的接触，并保证掠射光能折入标准棱镜中） 。贴置在阿贝折光仪的标准棱镜上。（2）引入照明光源（可用反光镜通过照明棱镜或用白纸反射室内光线照明） ，使度样获得照明。（3）转动标准棱镜（通过调整手轮实现） ，使读数用的显微镜视场中的读数为标准样品的折射率值。（4）转动色散棱镜（通过转动消色差手轮实现） ，使瞄准用的望远镜视

7、场中的明暗5视场分界线消色。（5）检查视场中明暗分界线是否通过望远镜分划板上的叉丝交点。若分界线不通过叉丝交点，说明示值不正确，需用方孔调节扳手（仪器附件）转动镜筒上的示值调节螺钉，推动分划板，使叉丝交点位于分界线上。2试样的测量（1）重复上述 1 （1） ，引入试样，但应使折射液的折射率介于试样和标准棱镜的折射率之间。（2）重复上述 1 （2） 、 （4） ，引入照明光源，并消色差。（3）瞄准、读数。用望远镜瞄准视场分界线后，于读数用的显微镜中读取 。由Dn色散刻度圈上读取 值。Z五、测量数据记录和处理（1）记录 、 。Dn（2）用关系式 BAnCF求色散。式中， 、 、 根据测量得值 、

8、由该仪器所带的色散表查得。ABDZ六、思考题1测量前为什么要进行仪器校准？2该方法测量范围受什么限制？3色散棱镜消色原理是什么？它起什么作用？4本仪器为什么用漫射光照明，又为什么用望远镜作为瞄准仪器？第三章 光学零件几何参数测量3-1 球面曲率半径测量球面反射镜和球面透镜的光学参数直接受球面曲率半径的影响，球面曲率半径变化还影响成象系统的象差校正状况。因此，在光学工业中球面曲率半径测量成了常规的检测项目。在生产车间常用玻璃样板作为检测工具。本节的目的在于研究玻璃样板曲率半径的测定方法，必要时用这些方法直接测量透镜的球面曲率半径。6球面曲率半径测量方法多种多样，本节介绍的方法适用于常用曲率半径测

9、量，非接触法还适用于小曲率半径测量。阴影响法是测量大曲率半径的方法之一，这将在实验二十六中介绍。实验十五 用环式球径仪测量球面曲率半径一、实验目的1熟悉环式球径仪的结构原理，掌握该仪器的使用方法。2掌握利用环式球径仪测量球面曲率半径的原理、方法。二、实验原理用环式球径仪测量球面曲率半径的原理是，通过测量某部分球面对应的矢高及弦半径，计算该球面的曲率半径。这种方法属于间接测量法。由图 15-1 的几何关系得到(15-1)2Rxr式中 球面曲率半径；R一部分球面的弦半径；r对应该部分球面的矢高。Rx若测量 、 ，则利用公式r（15-1）可计算球面曲率半径 。R为准确地测量弦半径 值，一r般采用一定

10、尺寸的测量环，环半径是经过精密测量的，作为已知数r据，所以实际测量球面曲率半径时，只要测出矢高 即可。RRx为提高测量精度，在测量环上装有已知半径为 的三个小钢球。测量时使被测球面与三个小钢球接图 15-1 球面曲率半径与矢高7触，如图 15-2 所示。由图中几何关系可得到计算球面曲率半径的公式为(15-2)2Rxr式中 三个钢球r中心决定的圆半径；三个钢球Rx顶点决定的平面到被测球面顶点的距离。式中 前的符号，当被测球面为凹面时取“+” ；为凸面时取“-” 。三、实验仪器设备该方法测量曲率半径用的环式球径仪主要由三个部分组成：1测量环测量环是被测件的定位元件。环式球径仪一般备有七至九个不同

11、值的环，以便测量r不同口径的零件时选用。环上分布三个小钢球，半径小的环制成刃边形式。三个小钢球中心决定的圆半径为小钢球半径 是事先精密测量的，并列入仪器的说明书中。2测量杆测量杆位于测量环的中央，并可以在与三个小钢球中心决定的平面垂直的方向移动。测量杆上装有 030mm 的刻尺，作为测量 值的长度标准器。采用重锤阻尼器使测量Rx杆始终受一向上的力，测量时杆的顶端与放在测量环上的被测件相接触。3读数系统采用读数显微镜读出测量杆上刻尺的刻度，读数显微镜的测微目镜有：阿基米德螺旋式（参看实验八的图 8-5） ；摆动平行平板式。它们的最小格值为 0.001mm，用来细分测量杆上的刻尺。图 15-3 为

12、用阿基米德螺放测微目镜的球径仪光路图。图 15-2 球面曲率半径测量原理图a）被测球面为凸面 b）被测球面为凹面8图 15-3 球径仪光路图1-反光镜 2-滤光镜 3-保护玻璃 4-刻尺 5-平板玻璃 6-显微镜物镜 7-棱镜8-螺旋线分划板 9-固定分划板 10-目镜四、实验内容和步骤（1）调整反射镜使视场中达到满意的亮度。（2）调整目镜使视场中的分划清晰。（3）根据被测件口径选择测量环，使其获得尽量大的 值。将选取好的测量环装Rx在仪器上。（4）确定测量零位。首先放松测量杆的锁紧螺钉，将测量杆上移，控制手轮使测量杆头部不超出测量环，将平晶放在测量环上。测量杆头部轻轻与平晶接触。此时读数并记

13、录。该读数为零位读数，用 表示。1x（5）取下平晶，放上被测零件，使测量杆头部与被测球面接触。记录此时读数为 。2x五、实验数据记录和处理（1）对刻尺刻度值误差的修正 设刻尺在两读数 和 处的修正值分别为 和1x21x（说明书中列表给出刻尺刻度的修正值） ，则矢高 为2x R(15-3)1212xxR（2）由被测件和平晶重量引起的测量环变形所造成的误差的修正 设由平晶和被测9件重量引起的测量环变形分别为 和 ，则矢高变化量为1x2(15-4)1xR式中被测球面为凹面取“+” ，为凸面取“- ”。（3）计算矢高 值 其计算公式为Rx(15-5)12xxR2计算球面曲率半径用式（15-5）计算出

14、值，由仪器说明书查出所用测量环的 、 值，按式（15-Rx r2）计算被测球面的曲率半径。3计算测量误差 R的测量误差由下式计算Rx(15-6)2321xRxxRxR式中 刻尺分划修正后由刻度值误差引起的 值误差，一般1Rx；mxR04.1由测微目镜螺旋分划板螺距误差 引起的 值误差， ，2 sRx/2sxR为显微物镜垂轴放大率；显微镜对准误差。3xR测量半径 的误差为(15-7)22214xRRrRRxx式中 的测量误差，一般 ；rmr0. 的测量误差，一般 。 5104报导测量结果六、思考题1利用环式球径仪如何较简便地测量半径相同的凸凹球面对板？2环式球径仪的测量范围受什么因素限制？3提高

15、测量精度的途径是什么？实验二十 平面光学零件光学不平行度测量（自准直法）一、实验目的1掌握光学测角仪的使用和测量平板玻璃不平行度的原理和方法。2掌握反射棱镜光学不平行度的概念和用光学测角仪测量反射棱镜光学不平行度的方法。二、实验原理光学测角仪是一带有角度分划板的自准直望远镜。图 20-1 是测量平板玻璃不平行度的原理图。图 20-1 光学测角仪测量不平行度a）装置筒图 b）测量原理 c）视场1-自准直目镜 2-分划板 3-自准直望远镜 4-被测平板玻璃 5-半透半反板光 源 经 半 透 半 反 板 5 照 亮 分 划 板 。 来 自 分 划 板 上 一 点 的 光 束 经 自 准 直 望 远 镜 3 的 物 镜后 成 为 平 行 光 束 ， 并 入 射 到 被 测 平 板 玻 璃 上 。 由 前 后 表 面 分 别 反 射 回 来 ， 得 到 两 束 夹 角 为的 平 行 光 ， 如 图 20-1b 所 示 。 最 后 在 自 准 直 望 远 镜 的 视 场 里 见 到 两 组 互 相 分 开 的 分 划 象 ，如 图 20-1c 所 示 。 如 平 板 玻 璃 的 不 平 行 度 为 ， 自 准 直 望 远 镜 视 场 中 对 应 的 角 值 为 ，