工程光学实验指导书

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图 1-2 焦距仪结构示意图
1、平行光管
2、透镜夹持器 3、测微目镜 4、导轨
1. 平行光管
常用的平行光管物镜的焦距有 550mm、1200mm 和 2000mm
等。位于物镜物方焦平面上可更换地分划板的形式很多，其中用
于测量焦距的分划板称为玻罗板，图 1-3 所示的是 550mm 焦距议 所用的玻罗板，板上刻有五组间隔 y0 不同的平行线，它们间距分 别为 1、2、4、10 和 20mm。
工程光学实验指导书
燕山大学电气工程学院仪器科学与工程系
2007 年 9 月
目录
1． 光学实验守则 2． 实验报告要求 3． 试验一 物镜焦距的测定 4． 实验二 望远系统参数的测定 5． 实验三 光学系统成像质量的测量 6． 实验四 用麦克尔逊干涉仪测量纳光的波长
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光学实验守则
1． 请准时进入实验室。保持室内卫生。与实验无关的位物品不 准带入实验室。
（1）在检测时对选择显微镜系统应注意什么要求或什么原 则？
（2）试推倒目视分辨率的计算公式（3-1）。
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分辨率板号
单元号码
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
表 3-1 分辨率板基本参数表
2号
条纹宽度 1 毫米内条
2．出瞳 D' 的测量： 出瞳 D' 的大小用测量显微镜或倍率计进行测量。首先将待测 望远镜调焦于无限远处，再将待测望远镜安置在光距座上，接通 平行光管电源，作为无穷远光源照亮望远镜的外框，则在望远镜 目镜后可看到一亮斑，即为出瞳 D' ，用测量显微镜或倍率计测出 D' 的大小。 3．出瞳距 P' 的测量： 在用测量显微镜测出瞳 D' 的大小时，记下测量显微镜在光具 座导轨上的位置 A。再移动显微镜直到能看清楚望远镜后表面（此 时能看到目镜后表面上有许多灰头），记下显微镜在导轨上的位置 B，则两位之差即为出瞳距 P' ，则 P' =A-B 四、实验步骤 （1）将被测望远镜正确安装在光具座上。 （2）调整好测量显微镜、被测望远镜和平行光管同轴。 （3）利用测量显微镜，分别测出被测望远镜的入射光瞳 D， 出射光瞳 D' 及出射光瞳距 P' 。分别测量三次，取平均值。
同时调到也能看到平行光管玻螺板的象。
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5. 用测微目镜对选定的一组刻线读数。首先对准该组刻线左 边一条（右边也可），读的一个数。再对准右边一条，读的一个数。 两个读数之差即为该组刻线经被测物镜所成象之大小。重复三遍， 取平均值。将测得的数代入公式（1-1）计算出被测透镜焦距 f ' 。
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实验二 望远系统参数的测量
平行光管物镜
被测物镜
2ω
2ω '
L'F
− fc
f'
图1-1 测正透镜焦距的原理图
图 1-1 是测量原理图。其中 0 是平行光管的物镜，L 是被测 透镜， y0 是位在平行光管物镜焦平面上的一对刻线的间隔距离。 y0 经过平行光管物镜后成象在无限远处，再经过被测透镜 L 后， 在它的焦平面上得到 y0 的象 y' 。这种方法的原理就是通过测量象 y' 的大小，然后计算出被测透镜的焦距的。
光学系统分辨率的测量就是依据以上原理。做成各种形式分 辨率板作为目标物放在物平面位置。人眼通过放大镜或显微镜观 察或在被测物镜象平面上的分辨率板的象，以刚能分辨开两线之 间的最小距离 6（毫米）的倒数为被测物镜的目视分辨率。两种 常用的分辨率板的图样如图 3-2 所示，本实验用图 3-2 中的 a 为 透射式分辨率板。 四、实验步骤
的原理。 （2）观察各种干涉条纹（等倾条纹、等厚条纹），通过实验
巩固和加深对干涉理论的认识。 （3）学会测量光波波长（以纳光为例）的方法。
二、实验用的仪器 麦克尔逊干涉仪、钠光灯
三、 实验原理 麦克逊干涉仪利用分振幅法产生双光束干涉，如图 1 所示：
（1）调整光路，使平行光管、被测物镜和显微镜三者光轴基 本同轴。在平行光管焦平面上放上分辨率板。并把平行光管调焦 无穷远规正值处，接通电源。用手使装于物镜夹持器中的被测物 镜使夹持器的水平轴旋转。观察平行光经物镜所成象点的运动情
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况，如象点不动。则表示被测物镜光轴与平行光管的光轴重合（此 装置已保证夹持器的水平轴与平行光管的光轴重合）。
是平行光管物镜的焦距，是已知的， y0 是位于平行光管物镜焦平 面处的分划板上的一对刻线的间隔距离，它的大小也是事先已知 的。 y' 是这对刻线 y0 经过被测透镜后所成的象，如果能测量出此 象 y' 的大小，那么就很容易用公式（1-1）计算出被测透镜的焦距 f0' 。 四、仪器描述
测量焦距用的仪器如图 1-2 所示。
图 1-3 玻罗板 2. 带测微目镜的读数显微镜
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读数显微镜是用来测量待测物镜所成象的象高 y' 的，它由物 镜和测微目镜组成，物镜放大倍率可以更换，一般有 0.5、1、2.5 和 5 倍等。测微目镜的结构如图 1-4 所示，是由目镜、固定分划 板、活动分划板和螺旋测微读数装置四部分组成。测微丝杆转一 圈，活动分划板上刻线移动量为固定分划板刻线的一格。通常测 微螺旋的螺距 S 是 0.25~1mm，读数鼓轮一圈等分为 100 格 ，格 值为 S/100。固定分划板上由若干等分刻线，其格值与螺距相等。 活动分划板上刻有瞄准用的双刻线和叉丝线。测量时，由测微丝 杆推动活冬分划板，使双刻线和叉丝线对准所选的起始刻线，从 固定分划板上读毫米数，再从读数鼓轮上读取微小读数。然后将 双刻线和叉丝线对准最终刻线，依法读数。两次读数之差即为起 始到终刻线的间距。
班级： 姓名：
学号： 年月日
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实验一 物镜焦距的测定
一、实验目的
焦距是光学透镜及光学系统的最基本的特性参数之一。其实
际焦距值与理论计算值存在一定的偏差。为了控制其精度，就必 须对零件或系统进行具有一定精度的测量。本实验就是使同学们 掌握用定焦距平行光管法测量光学系统焦距的方法。
二、试验用的仪器
光具座、准直管（F550 平行光管） 三、测量原理
（3）观察放在平行光管焦平面上的分辨率版图案，已能分辨 开四个方向线条最密的一个单元为分辨极限，读出该单元号码， 即可从附表中（讲义中附表）查出每毫米条纹数 N 0 ，利用下式即
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可求物镜的目视分辨率。
N目= N 0 （
f
，
平）
f,
f 平，—平行光管物镜焦距（mm）
f—被测物镜焦距（mm） 四、思考题：
7.07
70.7
6.67
74.9
6.30
79.4
5.95
84.1
5.61
89.1
5.30
94.4
5.00
100
3号
条纹宽度 1 毫米内条
（μm）
纹数
40.0
12.5
37.8
13.2
源自文库
35.6
14.0
33.6
14.9
31.7
15.7
30.0
16.6
28.3
17.7
26.7
18.7
25.2
19.8
23.8
5． 不得随意动用与本次试验无关的仪器。 6． 绝对禁止用手指和不洁物品触摸或擦拭光学零件表面。 7． 损坏仪器者要按学校规定赔偿。 8． 实验完毕，请整理好仪器设备及室内卫生。经老师检查后方
能离开实验室。
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实验报告要求
1． 实验内容：实验目的和老师提出的要求。 2． 实验仪器：所使用的仪器和光学物镜。 3． 实验原理：绘制实验光路图及公式。 4． 实验数据：试验时所测原始数据。 5． 实验方法和步骤论述。 6． 实验结果分析。 7． 思考题回答。 8． 对本实验提出改进意见。
从图 1-1 种可看出有下面两个关系式：
y0 = tgω 2 f0′
y' 2f '
= tgω '
用作图成象的方法很容易得出：ω = ω ' ，因此可以得出：
y0 = y' 2 f0′ 2 f '
即： f ' = f ′ y' y0
（1-1）
这就是用定焦距平行光管法测定焦距所用的公式。其中，
f
' 0
5
21.0
22.4
22.3
21.2
23.6
20.0
25.0
18.9
26.5
17.8
28.1
16.8
29.7
15.9
31.5
15.0
33.4
14.1
35.4
13.3
37.5
12.6
39.7
11.9
42.0
11.2
44.5
10.6
47.2
10.0
50.0
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实验四 用麦克尔逊干涉仪测量纳光的波长
一、 实验目的 （1）通过对麦克尔逊干涉仪的调整和使用，掌握双光束干涉
（μm）
纹数
20.0
25.0
18.9
26.8
17.8
28.0
16.8
29.7
15.9
31.5
15.0
33.4
14.1
35.4
13.3
37.5
12.6
39.7
11.9
42.0
11.2
44.5
10.6
47.2
10.0
50.0
9.44
53.0
8.91
56.1
8.41
59.5
7.94
63.0
7.49
66.7
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（4） 记录实验数据并进行数据处理。
五、 望远系统放大率的测量：
望远系统放大率即为可见放大率或者称为视角放大率。由几
何光学可知用 r 表示视角放大率有如下关系：
tgω ' r=
=
D
=
f 物′
tgω D' f目
（2-2）
物镜（孔径光阑）
视场光阑
ω1'
目镜 出射光瞳
D
D'
f1
− f2
图 2-1
式中：ω —望远镜物方视场角 ω ' —望远镜象方视场角
一、实验目的 1．掌握望远系统的入瞳、出瞳及出瞳距的测量方法。 2．掌握望远系统放大率的测量方法
二、实验用的仪器 望远镜、光具座、测量显微镜、平行光管
三、望远镜入瞳 D、出瞳 D' 及出瞳距 P' 的测量 1．入瞳 D 的测量： 测量入瞳直径 D，对于简单望远镜来说，孔径光阑和入射光
瞳就是物镜镜距，其直径 D 可用量规或长尺直接测出，也可采用 测量显微镜进行测量，测量时注意要对镜框直径的两端逐个调焦， 显微镜的横向移动量，就是入射光瞳的直径 D。
（2）测量物方视场角 ω
和象方视场角ω ' 利用公式
tgω ' E=
而
tgω
求出望远镜的视角放大率。测量装置原理如图 2-1 所示。
2、 思考题：
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（1） 你怎样证明望远镜物镜镜框内径就是入射光瞳 D? （2） 还有什么方法测量望远系统的放大率。举例说明？
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实验三 光学系统成象质量的测量
一、实验目的 掌握定量测量光学系统象质的一种方法分辨率法。
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图 1-4 测微目镜结构图 1.目镜 2.固定分划板 3.活动分划板 4.螺旋测微读数装置
五、实验步骤 1. 将平行光管（1）接通电源。 2. 将被测的光学透镜夹在透镜夹持器（2）上。 3. 调整平行光管、被测透镜、测量显微镜基本同轴。 4. 测量显微镜，使之在视场中能清楚地看到目镜分划板的象
2． 要认真预习实验内容，按老师的要求做好实验预习报告，无 预习者不得做实验。实验后按要求、按时完成实验报告。
3． 实验时首先检查所用仪器设备是否齐全完好。了解仪器正确 使用方法。不了解仪器的结构和操作方法时不得动用仪器设 备。
4． 接通电源时，应注意电源电压，要真确选用仪器所需的相应 变压器。防止损坏仪器及触电的危险。
二、实验用的仪器 光具座、平行光管、测量显微镜、分辨率板、照相物镜、望
远物镜。 三、实验原理
分辨率长期以来都作为评定光学系统成象质量的标志，它能 给出数量的大小，一般应用比较广泛，评定象质为必测项目之一。
由于光本质上是电磁波。所以一个发光物点经过光学系统成 象。即使是理想的光学系统，由于光的衍射，所成的象已不再是 一个点而是一个衍射象。如果有两个发光物点，则经过光学系统 后形成两个上述这样的亮斑。根据实验证明，当两个衍射象靠近 到其中一个中央亮斑的中心和另一个衍射象的第一个暗环相重合 时，正是刚好能分辨出两个象的时候如图 3-1 所示。此时最暗和 最亮照度之比为 0.74:1，把光学系统能够区分或分辨非常靠近的 物体细节的能力称为光学系统的分辨率。
1 2 3 45
1
6
11
16
21 图 3-1
53 37
31 26
21 18
15 12
10 9
7 6
图 3-2、两种常用分辨率图案
（2）沿光轴方向移动显微镜，直到看到清晰的图案象。通常 用一张白纸沿光轴前后移动，眼睛直接观察纸上的光斑。光亮斑 最小而边缘清晰时，白纸的位置就是图案象的大概位置。移动显 微镜，使其物平面大致在这个位置上，即可找到清晰的图案象。
D—望远镜的入瞳直径 D' —望远镜的出瞳直径
望远镜光路图
f 物，—望远镜的物镜焦距
f目，—望远镜的目镜焦距 根据以上公式。只要任意测得对应的一组数据即能计算出望
远系统的放大率 P 值。
1、 实验方法：
（1）测量入瞳和出瞳由公式（2-2）可知视角放大率等于入
瞳和出瞳之比。本法，前面望远镜的 D 和出瞳 D' 测量方法相同。