工程光学实验指导书

北方民族大学教学进度计划表名称总时数讲课实验上机习题课程设计周学时考试/考查机动计划时数6454104考试2本课程教学目的与要求：木课程讲述工程光学的基础理论和实践中常用的光学系统。

学生应掌握光的电磁理论的基础知识和光学系统的集合系统的分析和计算。

掌握实验的基本技能和基本使用和操作技能。

必读书籍和参考书籍：一、教材：自编的《工程光学》实验指导书二、参考书：1石顺祥等著.物理光学与应用光学.西安：西安电子科技大学出版社,20002梁栓廷著.物理光学.北京：机械工业出版社,19873郁道银等著.工程光学.北京：机械工业出版社版,2007所需教学设备：多媒体任课教师签名：____________________系（教研室）主任签名：____________主管教学院长（主任）签名：_______________ 院（部）签~^7T.早2012年1月8日教务处制《工程光学》课程实验教学大纲课程编号：01100260课程名称：工程光学课程类型：专业必修课（测控技术与仪器）课程属性：课内实验课程总学时：64 （测控技术与仪器专业）课程总学分：4.0 （测控技术与仪器专业）实验学时：10 （测控技术与仪器专业）实验学分：0.5开设学期：第6学期（测控技术与仪器专业）适用专业：测控技术与仪器一、实验教学目标与基本要求通过本课程的实验，使学生能够掌握工程光学的基本理论知识和所涉及的装置仪器的使用、测试技能，使学生在将来的科研实践中，具有解决光学理论及分析问题的能力及分析和综合实验结果以及撰写实验报告的能力。

掌握实验的基本原理，了解所涉及的常用装置、仪器的正确使用方法。

使学生能正确进行相应的仪器操作和使用、准确判断实验现象和结果的合理性，同时具有处理测量数据的能力。

二、本实验课程的基本理论与实验技术知识本实验课程是《工程光学》理论课程的配套课程，需要学生利用理论课涉及的几何光学基本定律与成像概念、理想光学系统、平面与平面系统、光束限制、典型光学系统、光的干涉、衍射及、偏振等知识完成相关的实验项目。

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f 、'f 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y ,经被测透镜成的像为'y ,平行光管物镜和被测透镜焦距分别为'0f 和'f ,由图一可看出它们的关系如下： 0f y tg -=ω '''f y tg -=ω∵'ωω= ∴''0f y f y -=- 即yy f f ''0'∙-= 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'F l的测量。

工程光学实验指导书厦门工学院电子信息工程系2014.9目录实验一Tracepro基本功能学习及反光杯建模 (3)实验二聚光镜的建立 (6)实验三导光管建立 (8)实验四液晶背光模组建立 (15)实验一Tracepro基本功能学习及反光杯建模一、实验目的1. 熟悉tracepro基本功能。

2. 熟悉建模及表面属性、材料定义方法。

二、球形反光碗设计球形反光碗是使用耐热玻璃（例如：PYREX）压制成型，其内部经高光洁度抛光处理并涂镀反光膜，可将投影灯的后部光能有效地反射至前方，提高投影灯光能利用率。

球形反光碗实物图形如下：球形反光碗设计步骤：1．打开TracePro3.24→新建名为球形反光碗的文件，或使用CtrL+N2．点击→，选择Conic类型，形状为球形（Spherical）,厚度（Thickness）输入4mm，反光碗高(length)为18mm,孔大小为0,半径(radius)为33mm, 起点坐标值和旋转坐标值保持默认，输入结果为图1.1图框所示：图1.14．点击Insert，使用工具栏图标区缩小图形后，点击下拉菜单View →Render进行渲染以后，反光碗实体模型如图1.2：图1.25．使用工具栏图标区箭头工具，在图形区完全选中反光碗，或点中导航选项卡中“模型树”Object 1，单击鼠标右键，在弹出下拉菜单中选择进行材料属性设置，在材料目录（Catalog）中选择IR,克斯（PYREX）耐热玻璃，运用（Apply）此属性，吸收、透过和折射率将显示如图1.3：注：PYREX相关知识：PYREX玻璃是美国康宁玻璃公司(CORNING)研究人员薛利文(Sullivan)1915年发明的，并取得发明专利。

这种玻璃在美国叫“派莱克斯”(PYREX)玻璃，PYREX是美国康宁公司产品的一个商标。

派莱克斯玻璃专利失效以后，这种玻璃被各国广泛采用。

70多年来，很多专家学者都想研究一种新的玻璃，超过派莱克斯玻璃的性能，都没有成功。

哈尔滨理工大学实验指导书课程名称：工程光学基础学院：测控技术与通信工程学院系部专业：测控技术及仪器１实验一：放大镜、显微镜和望远镜光路并搭及视角放大率的测量实验类型：综合型适用专业：测控技术及仪器一、实验目的：通过光路拼搭，将理想光学系统平面成像、实际光组的光束限制等理论结合起来，形成的综合实验，掌握放大镜、显微镜和望远镜的工作原理及光路特点，并通过视角放大率估测，加深对视角放大率的理解。

二、实验内容：分别拼搭放大镜、显微镜和望远镜的光路及视角放大率的估测。

三、实验用设备仪器及材料：简易光具座、光源、透镜、像屏、玻璃刻线板等。

四、实验方法及步骤：1、放大镜：（1）、玻璃刻线板和正透镜放好，移动正透镜，使玻璃刻线板放在距正透镜一倍焦距以内靠近焦点处，则正透镜起放大镜作用，可观察到玻璃刻线板的放大正立的虚像。

（2）、测量视角放大率：在刻线板旁再放上另一块刻线相同的玻璃刻线板并使它距人眼250mm，两眼同时观察，右眼通过放大镜观察放大的像g1’,左眼直接观察另一刻线板g2，若放大像g1’的n个刻线值正好与g2上的m个刻线值相当，则放大镜的视角放大率就是 m / n。

（3）、理论放大镜的视角放大率为250 / f放。

2、显微镜：（1）、将刻线板g1,正透镜L1 放置在光具座上，刻线板g1放在L1的一倍焦距到两倍焦距之间的地方,使g1成一个放大倒立的实像g1’。

然后将正透镜L2 放置好,并使g1’在L2 的物方一倍焦距以内,放大镜L2使g1’再放大到g1”。

这样就构成了一个显微镜。

(2)、测量视角放大率：显微镜的视角放大率与放大镜的测量方法相同。

右眼通过显微镜观察放大的像g1”左眼直接观察另一刻线板g2，若放大像g1”的n个刻线值正好与g2上的m个刻线值相当，则显微镜的视角放大率就是m / n。

２(3)、根据公式得到显微镜理论的视角放大率为：△ / f1 * 250 / f2’３、望远镜：(1)、开普勒式望远镜：用长焦距的正透镜L1和短焦距的正透镜L2构成，当L1的像方焦点和L2的物方焦点重合时就组成开普勒式望远镜。

《现代光学CAD技术》实验指导书指导老师：汪胜辉湖南文理物电学院单透镜的设计(A Singlet)一、实验目的：（1）熟悉光学设计软件Zemax操作界面；（2）将知道如何键入光学系统的波长（wavelength)、镜头数据(Lens Data)、光线像差(Ray Aberration)、fan，光程差（OPD)，点列图（spot diagrams )等等。

（3）确定厚度求解方法（thickness solve)和变量（variables)，执行简单光学设计优化。

二、实验环境：（1）、硬件环境：普通PC机（2）、软件环境：ZEMAX软件平台三、实验内容：设计一个相对孔径F/4单镜片，在光轴上可见光谱范围内使用，其焦距（focal length）为100mm，全视场2ω为8º用冕牌BK7来作镜片。

四、实验步骤：首先，运行ZEMAX。

ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE)，可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适应你自己的喜好。

LDE有多行和多列组成，类似于电子表格，曲率半径(radius)、厚度(thickness)、玻璃(class)和半径口径(Aperture)等列使用最多，其他的则在特定类型的光学系统中才会用到。

LDE中的小格会以“反白”方式高亮显示，即以与其它格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。

这个反白条表示的是光标，可以用鼠标在格子上点击来操作。

然后，系统参数设置。

开始，输入系统波长，这个不一定先完成，只不过现在我们选定了这一步。

在主屏幕菜单条上，选择“系统(system)”菜单下的“波长（Wavelength)”。

屏幕中间会弹出一个“波长（Wavelength Data)”对话框。

ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供选择。

用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个输入波长使总数成为三。

现在，第一个“波长”行中输入486，这是氢F谱线的波长，单位为微米。

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f 、'f 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y ,经被测透镜成的像为'y ,平行光管物镜和被测透镜焦距分别为'0f 和'f ,由图一可看出它们的关系如下： 0f y tg -=ω '''f y tg -=ω∵'ωω= ∴''0f y f y -=- 即yy f f ''0'∙-= 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'F l的测量。

实验一物镜焦距、截距的测定一、实验目的掌握用定焦距平行光管法测量光学系统焦距、截距的方法二、实验内容掌握测量方法，做好测量前的准备工作，测量给定的照相物镜、望远物镜和显微物镜的象方焦距和截距、物方焦距和截距。

三、实验原理测量焦距的方法很多，其中的定焦距平行光管法、（即放大率法）测量范围大，测量精度高，相对误差一般在1％以下，是目前常用的方法，其测量原理如图1－1。

图1－1焦距截距的测定原理图其中O 是平行光管物镜，L 是被测透镜，y0 是位于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像在无限远处，再经过被测透镜L 后，在它的焦平面上得到y0 的像y`。

这种方法的原理就是通过测量像y`的大小，然后计算出被测透镜的焦距。

从图1－1 看出下面两个关系式，用作图成像的方法很容易得出：w=w`（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f0`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像，如果能测量出此像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f`。

利用本公式及方法，可以测量正负透镜、望远物镜、照相物镜、放映物镜，各种目镜的焦距。

应当注意要正确选择测量显微镜的物镜，使之与被测光学系统相匹配。

如测负焦距系统使要选择长工作距的显微物镜。

这是因显微物镜的倍率不同，故（1－1）式变化如下（1－2）式中：β――――――测量显微镜放大倍数四、实验设备焦距仪、待测物镜（照相物镜、照相物镜、显微物镜）焦距仪结构示意如图1－2，它包括一个平行光管、一个透镜夹持器、一个带有目镜的读数显微镜和把它们连在一起的一根带有长度刻尺的导轨组成。

图1－2焦距仪结构示意图1.平行光管、2.透镜夹持器、3.测微目镜组成1．平行光管本实验采用的平行光管物镜的焦距为550mm。

工程光学实验指导书目录实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧实验二物镜焦距截距的测量实验三光的干涉实验实验四光学物镜参数测试设计性实验实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧一. 引言不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成，因此掌握一些常用的光学元器件的结构和性能，特点和使用方法，对安排试验光路系统时正确的选择光学元器件，正确的使用光学元器件有重要的作用二．实验目的掌握光学专业基本元件的功能；调整光路，主要包括共轴调节、调平行光和针孔滤波。

三．基本原理(一)、光学实验仪器概述:主要含：激光光源，光学元件，观察屏或信息记录介质1. 激光光源;激光器即Laser(L ight Amplification by stimulated emission of radiation)，原意是利用受激辐射实现光的放大．然而实际上的激光器,一般不是放大器,而是振荡器,即利用受激辐射实现光的振荡,或产生相干光。

.960年,梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器.现在被广泛用于各个行业激光的特性:(1)高度的相干性(2)光束按高斯分布激光器的分类:(1)气体激光器——He-Ne激光器,Ar离子激光器(2)液体激光器——染料激光器(3)固体激光器———半导体激光器,红宝石激光器本套实验方案的选择的激光器是气体型He-Ne内腔式激光器,波长为632.8nm的红光，功率2mW。

个别实验中还会用到白光点光源。

2、用于光学实验的元件一般包括：防震平台、分束镜、扩束镜、准直镜、反射镜、成像透镜、傅立叶变换透镜、多自由度微调器、可变光栏、观察屏等部件。

如果是全息实验还需要快门、干版架、自动曝光和显定影定时器、记录干版等。

（本实验方案中，扩束镜采用针孔空间滤波器，准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜均采用双凸透镜）⑴防震平台光学实验需要一个稳定的工作平台。

特别是对于全息图制作实验，由于是参考波和物光波干涉条纹的记录，如果在曝光过程中因为振动导致两光波有变化，就要影响干涉条纹的调制度。

实验仪器简介1、仪器结构及测量原理光具座结构如图1 — 1所示，它由平行光管（1）、透镜夹持器（2）、测量 显微镜（3）及带有刻度尺的导轨（4）组成（1）平行光管常用的平行光管物镜焦距有 550mm 、1000mm 和2000mm 等。

在平行光管 物镜物方焦平面上有一可更换的分划板，分划板经平行光管成像为一无限远物 体，作为测量标记。

常用的分划板有图 1—2所示的用于测量焦距用的玻罗板， 图1—3所示的检测光学系统分辨率的鉴别率板和检验成像质量的星点板等。

2\ 22- M 25图1 — 3分辨率板（2）测量显微镜测量显微镜是用来测量经被测物镜所成的像 （或物体）大小的。

它由物镜和 测微目镜组成，物镜是可以更换的（根据被测物的大小可以更换不同放大倍率的 物镜）。

测微目镜是用来读取测量数值的，其结构如图 1—4所示。

光具座1 2图1 — 1光具座结构示意图图1— 2玻罗板图1—4测微目镜结构图测微目镜由目镜（1）、固定分划板（2）、活动分划板（3）和测微读数鼓轮（4）四部分组成。

测量原理是：读数鼓轮每旋转一圈（即测微螺杆移动一个螺距）活动分划板上刻线移动量为固定分划板刻线的一个格。

测量时，首先旋转读数鼓轮使活动分划板上十字叉丝瞄准被测物体起始位置，由活动分划板双刻线在固定分划板刻线位置读取毫米数（整数），再从读数鼓轮读取小数，然后再次旋转读数鼓轮使活动分划板上十字叉丝瞄准被测物体终止位置，继续读取数据，两次读数之差即为被测物体大小。

2、仪器技术指标（1）550mn光具座①平行光管物镜名义焦距？’= 550 mm通光口径 D = 55 mm相对孔径1:10②平行光管物镜物方焦平面上分划板玻罗板刻线间距：1、2、4、10、20mm星点板十字线分划板鉴别率板U号、川号③测量显微镜物镜：1倍测微目镜：分划板格值1mm测微鼓轮格值0.01 mm（2）GJZ —1型光具座①平行光管物镜名义焦距？’= 1000 mm 实测焦距？’= 997.47 mm 通光口径 D = 100 mm相对孔径1:10②平行光管物镜物方焦平面上分划板玻罗板刻线间距：1、2、4、10、20mm星点板星点直径：0.005 mm、0.008 mm、0.01 mm十字线分划板 刻度范围±20， 格值 鉴别率板1 、2、3、 4、 5号③测量显微镜物 镜：1 倍 NA = 0.0752.5倍NA = 0.0810 倍NA = 0.25 测微目镜： 分划板格值 1mm测微鼓轮格值被测物镜最大口径 被测物镜焦距范围 （3）CXW —1 型光具座 ①平行光管物镜 名义焦距 通光口径 相对孔径复消色差）? = 2000 mm D = 150 mm 1:13.3实测焦距=1973.9 mm1mm 0.01 mm±40° 25 mm测微鼓轮格值 0.01 mm②平行光管物镜物方焦平面上分划板玻罗板 刻线间距： 1、2、4、10、20、40mm星点板 星点直径： 0.005 mm 、0.008 mm 、0.01 mm十字线分划板 刻度范围 ±20， 格值鉴别率板1 、2、3、 4、 5号③测量显微镜物 镜：0.25倍 NA = 0.015 0.5倍 NA = 0.031 倍 NA = 0.0752.5倍 NA = 0.0810 倍NA = 0.25测微目镜： 分划板格值 测微鼓轮格值 测量显微镜偏摆角度 测量显微镜横向移动量测量显微镜高度升降范围±5 mm 被测物镜最大口径 ① 130 mm 被测物镜焦距范围±1200 mm3、仪器调整与操作（ 1 ）根据测量项目选择平行光管物镜物方焦平面上分划板。

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，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)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、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 ①② ③ ④ ； 取一负透镜使物体位于① ② ③ ④ 。

分别记录物体经透镜所成像的大小、正倒及位置。

‴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。