工程光学(1)实验讲义-SZU

1、工程光学（1）实验讲义光电工程学院实验一 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，主要包括共轴调节和调平行光。三、基本原理(一)、光学实验仪器概述:光学实验仪器主要含：激光光源，光学元件，观察屏或信息记录介质1激光光源标有安培表和电压表激光器即Laser(Light Amplification by stimulated emission of

2、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。.图1-1 激光器示意图（HeNe激光）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、多自由度微调器、3观

3、察屏等部件。（1）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。通常要求该光波的振动变化小于十分之一波长。影响稳定性的因素有震动、空气流和热变化等。震动的主要影响来自地基的震动，如果记录系统部件的机构有松动就会把震动放大，所以必须对工作台采取减震措施。专用全息气浮工作台是最好的减震台。简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫（用汽车、飞机轮子的内胎）和重10002000kg的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。如果不用隔离罩，记录全息图时室内不要通风，工作人员不要大声讲话和距

4、工作台远一些。（2）光学元件分束镜： 分束镜是光学实验系统的一个重要元件，它的作用是将激光束分为两束，在干涉仪系统组装的实验中可产生两束有一定夹角的相干波，在全息制作实验中可产生参考光和物体的物光光波。分束镜一般是在玻璃板上镀干涉膜。干涉膜有两种：多层介质膜和金属膜。分光比可以连续变化或分段变化。扩束器（扩束镜）： 因激光束的发散角很小，需要用一个扩束镜以加大光束的发散角。通常可用20倍、40倍的显微物镜或焦距很短的单片正透镜或负透镜。本实验方案中，扩束镜采用40倍的显微物镜。凸透镜：准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜之功能均可使用不同内径和焦距的凸透镜来实现。为了提高光的透射率，透镜面要镀增透

5、膜。在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏的透镜（因为它们会使观察或记录图像产生噪声）。反射镜： 当光入射到普通反射镜的玻璃基版上时，要先经过折射再反射，反射光的损失很大。同时玻璃片基的两面会因多次反射引入杂散光。所以光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。其它： 还有一些辅助元件：如多自由度微调器，可三维控制镜架或者滤波器的位置和方向；可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑、观察屏用来观测成像质量和成像大小等。 (二)、共轴调节：光学实验中经常要遇到用一个或多个透镜成像，为了获得较好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。另外，为了最大限度利用激光扩

6、束后的面光源，所有透镜的主轴都需要大致通过光斑中心，才能获得清晰的像。共轴调节使物、屏的中心处在透镜光轴上，并使各光学元件共轴，达到共轴能保证近轴光线的条件成立。一般分为两步进行，第一步粗调，即用眼睛观察，使物、屏与透镜中心大致在一条直线上；粗调方法如下：通过前后移动白屏的方法先使激光光束与台面平行，再将透明物、扩束镜、双凸透镜依次摆好，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，再让光斑、物、镜的几何中心处在一条直线上，这样便使镜的主光轴与平台面平行且共轴，光斑也最大限度得到利用。第二步细调，即移动透镜，当两次成像中心重合即达到共轴，若不重合，须视情况，针对性地调节各光学元件，直至两次成像的中

7、心重合。如果系统有两个以上的透镜，先加入一个透镜调节共轴，然后再依次加入透镜，使每次所加透镜都与原系统共轴。反射镜的调节方法类似。(三)、调节平行光：（1）调整扩束镜，准直镜共轴。激光器扩束镜准直镜图1-2 共轴调节示意图（2）粗调，把准直镜放到一定位置使扩束镜处于准直镜的前焦面上，然后在准直镜后放一挡板，不断前后纵向移动挡板，观察挡板上圆形光斑的到大小是不是发生变化，如果发生变化，就再前后移动准直镜的位置，再前后移动挡板，观察圆形光斑的大小，如果变化，重复以上工作，直到光斑大小不发生变化位置，完成粗调。在调节中要注意光斑变化的和准直镜移动方向的关系，从而很快达到粗调的效果激光器扩束镜准直镜挡

8、板图1-3 平行光路粗调示意图（3）细调1，如有条件，可以选用平晶进行细调。把平晶放到准直镜后，使光线反射到挡板上，可以观察到干涉条纹。准直镜挡板平晶激光扩束镜图1-4 细调产生干涉条纹图激光扩束镜准直镜平晶挡板（条纹变化，使之越来越少）微移动图1-5 平行光示意图（4）细调2，左右微移动准直镜，观察挡板条纹的变化，找出规律，并使条纹的数目减少，最后在挡板上只剩下，一条或半条条纹，这时从准直镜出来的光线就是平行光。 四、仪器用具1. 氦氖激光器8. 燕尾式平移台2. 激光夹持器9. 分划板3. 显微物镜10. 透镜/反射镜支架 （40.0）4. 物镜接圈11. 干板架5. 开口透镜/反射镜支架

9、（20.0）12. 毛玻璃6. 一维调节滑块13. 平行平晶7. K9平凸透镜（40.0, f150.0）导轨，滑块，支杆，调节支座，磁力表座五、实验步骤（1）参照图1-6，沿导轨装妥各器件（先不安装扩束显微物镜和准直平凸透镜部分），并调至共轴。图1-6 激光平行光路调试装配示意图（2）首先将分划板中心通孔高度定为光轴高度，将分划板移至贴近激光器的位置，调节激光器高度，使激光束通过分划板中心圆孔。再将分划板移至较远处，调节激光夹持器，使激光束再次通过分划板中心圆孔（近端调高低，远端调俯仰）。重复二三次高低和俯仰调节，使激光束在合适的高度保证基本水平。（3）在系统中加入扩束物镜和准直透镜，适当调

10、节激光束和扩束镜，准直透镜共轴，且准直透镜在扩束镜的前焦面上。前后移动分划板，观测分划板上的圆斑大小是否变化。若变化，则前后移动准直透镜，直到前后移动分划板，板上的圆斑大小不发生变化，完成平行光粗调。（4）将分划板替换为平行平晶，将毛玻璃放在在平行平晶反射光路上，前后移动准直透镜，使得毛玻璃上可以观察到干涉条纹。（5）细微调节平移台丝杆，观察干涉条纹变化，使得条纹数逐渐减少到一条或半条条纹，完成细调。实验二 平行光管实验一、引言平行光管是一种长焦距、大口径，并具有良好像值的仪器，与前置镜或测量显微镜组合使用，既可用于观察、瞄准无穷远目标，又可作光学部件，光学系统的光学常数测定以及成像质量的评定

11、和检测。二、实验目的（1）了解平行光管的结构及工作原理（2）掌握平行光管的调整方法（3）学会用平行光管测量薄透镜的焦距。三、基本原理根据几何光学原理,无限远处的物体经过透镜后将成像在焦平面上;反之,从透镜焦平面上发出的光线经透镜后将成为一束平行光。如果将一个物体放在透镜的焦平面上,那么它将成像在无限远处。图2-1 为平行光管的结构原理图。它由物镜及置于物镜焦平面上的分划板,光源以及为使分划板被均匀照亮而设置的毛玻璃组成。由于分划板置于物镜的焦平面上,因此,当光源照亮分划板后,分划板上每一点发出的光经过透镜后,都成为一束平行光。又由于分划板上有根据需要而刻成的分划线或图案,这些刻线或图案将成像在

12、无限远处。这样,对观察者来说,分划板又相当于一个无限远距离的目标。图2-1 平行光管的结构原理图根据平行光管要求的不同,分划板可刻有各种各样的图案。图2-2 是几种常见的分划板图案形式。图2-2（a）是刻有十字线的分划板,常用于仪器光轴的校正;图2-2 (b) 是带角度分划的分划板,常用在角度测量上;图2-2 (c) 是中心有一个小孔的分划板,又被称为星点板;图2-2 (d) 是鉴别率板,它用于检验光学系统的成像质量。鉴别率板的图样有许多种,这里只是其中的一种;图2-2 (e) 是带有几组一定间隔线条的分划板,通常又称它为玻罗板,它用在测量透镜焦距的平行光管上。图2-2 分划板的几种形式 平行

13、光管测量凸透镜焦距 用平行光管法测量凸透镜焦距的光路图如图2-3所示,由光路图2-3中容易看出:xf玻罗板平行光管物镜待测透镜图2-3 平行光管法测量凸透镜焦距光路图 平行光管射出的是平行光，且通过透镜光心的光线不改变方向，因此 （6-1）其中为平行光管物镜焦距，为玻罗板上选择的线对的长度，为用显微目镜读出的玻罗板上线对像的距离。用这种方法测量凸透镜焦距比较简单，关键是要保证各光学元件要等高共轴，平行光管出射平行光。四、仪器用具1. 平行光管 玻罗板两长划线间距 2. 反射镜3. 二维调节透镜/反射镜支架4. 待测透镜（40.0, f150.0）5. 测微目镜（10X，带分划板） 6. 开口式

14、二维调节透镜/反射镜支架导轨，滑块，支杆，调节支座等五、实验步骤（1）把平行光管实验系统按照图2-4所示放好。图2-4 平行光管实验装配图（2）打开平行光管外盖，观察平行光管内部结构，了解基本原理（3）调节放在平行光管前的反射镜（反射镜上有调节水平螺丝和垂直螺丝），使平行光管射出的光线重新返回平行光管。这时能通过显微目镜看到分划板上有一个反射回来的像。前后移动分划板，直到目镜里清楚地观察到十字叉丝的像。表明分划板已经调整在物镜的焦平面上了。（4）平行光管调整后，拿下平面镜，将被测凸透镜组置于平行光管的前方，在凸透镜的前方放上测微目镜，调节平行光管、被测凸透镜和测微目镜，使它们在同一光轴上，尽量

15、让测微目镜拉近到实验人员方便观察的位置。（5）前后移动凸透镜，使被测凸透镜在平行光管中的玻罗板成像于测微目镜的标尺和叉丝上，表明凸透镜的焦平面与测微目镜的焦平面重合。（6）用测微目镜测出玻罗板像中=0.533毫米两刻线间距的测量值，读出平行光管的焦距实测值（仪器说明书中给定），重复五次，将各数据填入自拟表中。（7）计算出凸透镜的焦距，取平均值。六、思考题1、不同波长的光源对所测焦距有何影响？实验三 望远系统的搭建和参数测量一、引言望远镜是帮助人们看清远处物体以便观察、瞄准与测量的一种助视仪器，通过本实验使学生更加了解望远镜原理，自己搭建望远镜，测量相关参数。二、实验目的（1）学习了解望远镜的构

16、造及原理；（2）学习测定望远镜放大倍数的方法；（3）理解分辨本领的含义。三、基本原理望远镜是如何把远处的景物移到我们眼前来的呢？这靠的是组成望远镜的两块透镜。望远镜的前面有一块直径大、焦距长的凸透镜，名叫物镜；后面的一块透镜直径小焦距短，叫目镜。物镜把来自远处景物的光线，在它的后面汇聚成倒立的缩小了的实像，相当于把远处景物一下子移近到成像的地方。而这景物的倒像又恰好落在目镜的前焦点处，这样对着目镜望去，就好象拿放大镜看东西一样，可以看到一个放大了许多倍的虚像。这样，很远很远的景物，在望远镜里看来就仿佛近在眼前一样。常见望远镜可简单分为伽利略望远镜，开普勒望远镜等。伽利略发明的望远镜在人类认识自

17、然的历史中占有重要地位。它由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成。其优点是结构简单，能直接成正像。但自从开普勒望远镜发明后此种结构已不被专业级的望远镜采用，而多被玩具级的望远镜采用，所以又被称做观剧镜。 开普勒望远镜：原理由两个凸透镜构成。由于两者之间有一个实像，可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。图3-1 开普勒望远镜光路示意图 为能观察到远处的物体，物镜用较长焦距的凸透镜，目镜用较短焦距的凸透镜。远处射来光线（视为平行光），经过物镜后，会聚在它的后焦点外离焦点很近的地

18、方，成一倒立、缩小的实像。目镜的前焦点和物镜的后焦点是重合的。所以物镜的像作为目镜的物体，从目镜可看到远处物体的倒立虚像，由于增大了视角，故提高了分辨能力，见图3-1。当观测无限远处的物体时，物镜的焦平面和目镜的焦平面重合，物体通过物镜成像在它的后焦面上，同时也处于目镜的前焦面上，因而通过目镜观察时成像于无限远，此时望远镜的放大率为： （4-1）由此可见，望远镜的放大率等于物镜和目镜焦距之比。若要提高望远镜的放大率，可增大物镜的焦距或减小目镜的焦距。当用望远镜观测近处物体时，其成像的光路图可用图3-2来表示。图中、和、分别为透镜和成像时的物距和像距，是物镜和目镜焦点之间的距离，即光学间隔（在实

19、用望远镜中是一个不为零的小数量）。由图3-2可得图3-2 观察近处物体时望远镜的光路图故观察近处物体时望远镜的放大率为 （4-2）在满足近轴光线和薄透镜条件前提下，利用透镜成像公式，可得为了把放大的虚像与物体直接比较，必须使和处于同一平面内，即要求。同时引入望远镜镜筒长度，并利用和两个表达式，得 （4-3） 在测出、和后，由式（4-3）可算出望远镜的放大率。显然当物距时，因式(4-3)中括号内的量接近于1，式（4-3）变回式（4-1）。望远镜的分辨本领用它的最小分辨角来表示。由光的衍射理论知：式中，为照明光波的波长，D为望远镜物镜的孔径，角度的单位是弧度。即两个物体如果对望远镜的张角小于（理论

20、）值。则望远镜将无法分辨它们是两个物体（两个物体重叠成一个像）。四. 仪器用具1. 标尺2. 干板架3. 磁力表座4. 物镜（40.0，f 150.0；40.0，f 200.0）5. 一维调节滑块6. 一维调节滑块7. 目镜（20.0，f 30.0；20.0，f -40.0）导轨，滑块，支杆，调节支座等五. 实验内容 （1）按照图3-3组装成开普勒望远镜（物镜选择f150，目镜选择f30），调整光学元件同轴等高。图3-3 望远镜系统装配示意图 （2）将标尺安放在距离望远镜物镜大于1米处，用一只眼睛直接观察标尺，同时用另外一只眼睛通过望远镜的目镜看标尺的像，并对准标尺上两个红色标记间的区间，长度

21、为L。经适应性练习，获得被望远镜放大的和直观的标尺的叠加像。（3）测出红色标记内标尺的长度，则其放大率为（4）量出望远镜的镜筒长度和物距，按照公式（4-3）计算其放大率，并与实验观察出来的放大率进行比较。 （5）替换物镜（f200）和目镜（f-40），搭建伽利略望远镜，重复（2）（3）（4）步。（6）由波长和物镜孔径，理论计算望远镜的的最小分辨角。六、思考题1、望远镜的放大率与哪些因素有关？2、评价天文望远镜时常提起物镜口径有多大，而不提它有多大倍数，这是什么道理？实验四 显微镜搭建与光学系统分辨率检测一、引言显微镜主要是用来帮助人眼观察近处的微小物体，显微镜与放大镜的区别是二级放大。通过本实验使学生更了解显微镜的原理，自己搭建显微镜，测量相关参数。二、实验目的（1）学习显微镜的原理及使用显微镜观察微小物体的方法；（2）学习测定显微镜放大倍数的方法；（3）测量显微镜的分辨本领。三、基本原理最简单的显微镜是由两个凸透镜构成。其中，物镜的焦距很短，目镜的焦距较长。它的光路如图4-1所示。图中的Lo为物镜（焦点在和），其焦距为；Le为目镜，其焦距为。将长度为y1的被观测物体AB放在Lo的焦距外且接近焦点Fo处，物体通过物镜成一放大倒立实像(其长度为y2)，此实像在目镜的焦点以内，经过目镜放大，结果在明视距离D上得到一