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1、精选优质文档-倾情为你奉上应用光学实验指导书刘冬梅、王文生等主编长春理工大学光电工程学院2005年目 录实验一透镜焦距的测量实验二望远系统特性参数的测量实验三显微系统特性参数的测量实验四几何象差的现象及规律实验五立体判释仪实验六自组显微镜实验七自组望远镜实验八验证透镜成像及光线传播规律的实验实验九色度学实验实验十激光光学系统（演示型实验） 实验十一傅立叶光学系统（演示型实验） 实验一 透镜焦距的测量一、实验目的1、 掌握放大倍率法测量焦距的原理、和步骤；2、 熟悉焦距仪的基本结构并掌握焦距的测量技术。二、实验内容测量正透镜的焦距，并给出正确的测量结果三、实验仪器550型焦距仪（或光具座）及相应
2、附件，待测的正透镜四、放大倍率法测焦距的原理放大倍率法测量正透镜焦距的原理如图11所示。将待测物镜置于平行光管物镜之前，并在平行光管物镜焦面处放置彼罗板。彼罗板上刻有若干已知间距的刻线对（根据不同的彼罗板其刻线对数也稍有不同，线对从中心往外数依次为）。任取一刻线对作为物，设其间距为，则经待测透镜成像后在待测透镜焦面上成象为，如测量显微镜测量则测得的象为：（式中为显微物镜的放大率），则待测物镜的焦距可由下式求得： （11）式中为平行光管物镜焦距。五、测量方法1、首先将已知刻线对的彼罗板放置于平行光管的物镜焦平面上，并用测量显微镜对该彼罗板的线对进行调焦，直至视场中出现清晰的像，选择彼罗板的其中一
3、对刻线作为物，测量出物的像的大小，则得到测量显微镜的物镜放大率：。2、将待测物镜放置于透镜夹持器中，并调整透镜、平行光管及测量显微镜三者光轴共轴。图 113、微调显微镜，使刻线象清晰无视差的成在测微目镜的分划板上，再次测量象的大小。4、将代入到公式（11）中，即可求出待测透镜的焦距。此种测量透镜焦距的方法测量误差较小，精度较高，当待测透镜象质较好且测量显微镜的实际利用的数值孔径不太小时，可达 。六、测量薄透镜焦距的一般方法介绍1、远物法测焦距：位于无限远处物体发出的光经待测透镜进行成像，其像由接收屏接收，则待测透镜到接收屏之间的距离即为透镜焦距。此种测量方法原理十分简单，测量也极为方便，但误差
4、较大。且实验过程中也可以用物距来模拟无限远的物体。此种测量方法的相对测量误差为：。2、 通过分别测量物距及像距来求取透镜焦距：该方法可在简易光具座上实现。首先采用远物法粗测被测透镜的焦距大小，然后在光具座上依次放置物平面（物为一个带有透明箭头的黑屏）及接收屏，且使二者间距大致为4倍的焦距。将待测透镜嵌入透镜夹持器上，并将夹持器置于两屏之间，则当以光源照明物体时，物体将经透镜进行成像，沿导轨前后移动透镜，直至在接收屏上能够看到清晰的像，读取物平面到透镜的距离（导轨上有刻划线）即为物距，则像距为，故焦距可按下式计算： （12）当采用此种方法进行测量时，其焦距相对测量误差约为。3、 两次成像法测量焦
5、距用微分求极值法或根据光线的可逆性可以证明：当物、像间距略大于时，前后移动透镜的位置必然能够得到两个位置，在此两个位置处都能够在接收屏上接收到实像（如图12所示），若透镜的两次成像的位置间距为，则待测透镜的焦距为： （13）该法的相对测量误差约为。图 12值得注意的是以上几种方法仅适用于正透镜的测量，如果待测透镜为负透镜，则需要借助正透镜与负透镜组成一透镜组来加以测量。七、思考：1、如何确保平行光管、待测物镜与测量显微镜三者共轴？3、 当精密测焦距时，对平行光管及测量显微镜有哪些要求？实验二 望远系统特性参数的测量一、实验目的通过对望远系统特性参数的实际测量，进一步掌握望远系统的基本成像原理，
6、同时加深对其各参数的理解。二、实验内容实际测量望远系统的出瞳及出瞳距的大小。三、实验仪器平行光管、待测望远系统（经纬仪或水平仪）、倍率计等。四、测量原理对于望远系统来而言，物镜框就是孔径光阑，也为入瞳；物镜框经后面的目镜所成的像即为望远系统的出瞳，出瞳到望远系统目镜最后一面的顶点的距离就是出瞳距离，如图21所示。图 21利用倍率计可以简单而比较精确的测量出出瞳直径及出瞳距。倍率计的结构原理如图22所示，其光学系统是一个低倍的显微镜，物镜的放大率是1倍，目镜是倍，分划板上刻有用来测量出瞳像直径的标尺，其刻划范围为。此外，显微镜可以在外筒内前后移动，在显微镜筒上有一根长度标尺，刻划范围为，格值为（
7、在外筒上有一窗口可见到此标尺）。当显微镜在外筒内移动时，标尺可指示出它的位置，以方便的测量出出瞳距。图 22五、测量步骤（一）望远系统出瞳直径的测量1、测量前将被测望远系统的目镜视度调整到零，使仪器处于正常工作状态。2、将平行光管、被测望远系统、倍率计如图23依次放置，并调整三者共轴等高。 图233、通过倍率计观察望远系统物镜框所成之像，并对出瞳亮斑调焦，从而使被测系统的出瞳在倍率计分划板中心部位上成清晰的像，此时从倍率计分划板上的刻线值即可正确地读出被测系统的出瞳直径的大小。（二）望远系统出瞳距离的测量1、当倍率计调焦在出瞳面上时，从倍率计外筒窗口上也可以读得一个读数，此读数即为沿轴方向的出
8、瞳面的位置。2、然后，沿倍率计外筒拉动显微镜，将它调焦在被测系统目镜的最后一个表面顶点上，此时再次记下外筒窗口上的读数。两次读数之差就是被测系统的出瞳距。六、思考1、 如何测量望远镜的入瞳及入瞳距？2、 为什么大多数望远系统的孔径光阑都是位于物镜上？实验三 显微系统特性参数的测量一、实验目的通过对显微系统特性参数的实际测量，进一步掌握显微系统的基本成像原理，同时加深对其各参数的理解。二、实验内容实际测量显微系统的线视场、放大倍率及数值孔径的大小。三、实验仪器待测显微镜、测微目镜、标准刻尺、半反半透镜、照明光源、标准柱等。四、测量原理(一) 显微镜线视场的检测显微镜的原理示意如下图31所示：图3
9、1从图中可见，显微镜由物镜及目镜构成，被观测的物体经显微镜的物镜放大后其像再经目镜放大以供人眼观察，其成像过程是一个二次成像过程。对于显微镜而言，分划板是其视场光阑，显微镜的线视场主要取决于视场光阑的大小，且显微镜的视觉放大率越大，它的物空间的线视场越小。若在显微镜承物台上放置一标准玻璃刻尺，并以光源照明，令显微镜对标准玻璃刻尺进行调焦，使人眼通过显微镜看清其像，则显微镜中所能看到的最大刻线范围即为显微镜的线视场。(二) 显微镜放大率的测量其测量原理如图32所示：图 32使待检显微镜对承物台上的标准玻璃刻尺1调焦，在垂直光轴方向于明视距离处安放另一刻尺2，并用光源同时照明两个刻尺。此时人眼可同
10、时看清两刻尺的像，并将二者消视差，在视场中读取刻尺1的像与刻尺2齐合的读数M及N，则采用下式即可求得显微镜的视觉放大率： （31）式中分别为刻尺1及刻尺2的格值。除了此种测量方法外，还可以采用前置镜法直接测量或分别测量构成此显微镜的物镜的垂轴放大率及目镜的视觉放大率。在此就不一一介绍了。（三）显微镜物镜数值孔径的测量显微镜的数值孔径是显微镜一个非常重要的参数，其大小直接决定了显微系统的分辨能力及象面照度。数值孔径的表示形式如下所示： （32）式中为显微物镜物方介质折射率；为显微物镜物方半孔径角。当显微镜的数值孔值不大时可采用下面的方法进行测量，其测量原理如图33所示：将已知高度为的标准柱放在刻
11、尺上，使待测显微镜以标准柱的上端面中心进行调焦，取下标准柱及显微镜目镜，用眼直接读取视场所见的刻尺分划的格数，则有： （33）根据式（33）即可求出物方孔径角的大小，再利用式（32）即可求出被测量显微镜的数值孔径。 图33 在显微镜的批量生产检测时，可依据此检测原理做成专用的数值孔径仪检测，以提高检测效率。五、测量步骤（一）显微系统线视场的测量1、将标准刻尺放置在被测量显微镜的承物台上，固定好位置，并用光源照明刻尺。2、旋转显微镜的转动圆盘选择一个放大率比较小的物镜（如果物镜的放大倍率选择过大则看不到刻尺的像），同时通过拔插的方式选择一个适合的目镜，转动旋钮令显微镜对刻尺进行调焦，直至看到刻尺
12、的清晰的像，若通过调整只能看见刻尺的模糊的像，则还需旋转目镜进行相应的视度调节。3、 此时读出通过显微镜目镜所能看到的最大的刻尺范围，此数值即为待测显微镜的线视场的大小。由于在此成像过程中所用的物为已知刻值的刻尺，所以通过直接读取格值的方式就能够测量出线视场的大小，十分方便快捷。（二）显微系统放大倍率的测量1、将标准刻尺1放置在被测量显微镜的承物台上，固定好位置，并用光源照明刻尺。2、在选择了适当的物镜及目镜的基础上，对标准刻尺1进行调焦，直至看清标准刻尺1的像。3、在垂直于显微镜的光轴方向上再放置一个刻尺2（此刻尺的格值可以与刻尺1相同也可不同，根据具体情况而定），并使此刻尺位于明视距离处。
13、同时将一个半反半透镜放置于待测目镜之上。此时让照明光源同时照明两个刻尺，当人眼通过半反半透镜进行观察时就能够同时看到两个刻尺的像：其中刻尺1通过显微镜成像、放大后经半反半透镜的透射进入人眼，而刻尺2则仅经过半反半透镜的反射后进入人眼，在此过程中没有经过放大。4、将两像进行调整并消视差，此时分别读取所见视场中刻尺1的格值数N及同一视场中刻尺2的格值数M，并利用式（31）即可求出被测显微镜的放大倍率。（三）显微镜数值孔径的测量1、首先将标准刻尺放置在被测量显微镜的承物台上，固定好位置，然后将已知高度的标准小圆柱放置于标准刻尺上，并用光源照明。2、然后调整显微镜令显微镜对此小圆柱的上端面进行调焦，直
14、至在目镜中看到小圆柱上端面的清晰的像。3、先取下目镜，再移走小圆柱，直接通过人眼来观察标准刻尺经显微物镜所成之像，上下移动人眼的位置，直至能够看见刻尺的清晰的像。数出所见视场中的刻尺的格值，并代入公式（33）、（32）中，即可求出该被测显微镜的数值孔径。六、思考1、如用小孔光阑代替标准圆柱，就如何检测显微镜的数值孔径？2、对于显微镜而言，其物方线视场的大小与哪些因素有关？4、 对于低倍显微镜，其最大视场由哪种光阑限制？该光阑一般放在哪里？实验四 几何象差的现象及规律一、实验目的掌握各种几何象差产生的条件及其基本规律，观察各种象差现象。实际测量显微系统的线视场、放大倍率及数值孔径的大小。二、实验仪器焦距仪、待观测望远镜、被观测物镜、简易光具座及相应附件等。三、测量原理(三) 显微镜线视场的检测四、实验原理光学系统所成实际象与理想像
