应用光学实验报告

1、应用光学实验报告 信息 与通信工程 学院实验报告 ( 操作性实验) 课程名称:应用光学 实验题目:薄透镜焦距测量与光学系统基点测量 指导教师： 班级： 学号： 学生姓名: 一、 实验目得 1、学会调节光学系统共轴。 、掌握薄透镜焦距得常用测定方法。 、研究透镜成像得规律。 、学习测定光具组基点与焦距得方法 二 、仪器用具 、光源(包括 led,毛玻璃等) 2、干板架 3、目标板 4、待测透镜(5、，f75、0mm) 5、反射镜 、二维调节透镜/反射镜支架 7、 白屏 8、 节点器(含两 40 透镜, 200 与 f 50) 三、 基本原理 1、自准直法测焦距 如下图所示,若物体正好处在透镜得前

2、焦面处,那么物体上各点发出得光经过透镜后,变成不同方向得平行光，经透镜后方得反射镜m 把平行光反射回来,反射光经过透镜后，成一倒立得与原物大小相同得实象,像成绩 位于原物平面处。即成像于该透镜得前焦面上。此时物与透镜之间得距离就就是透镜得焦距,它得大小可用刻度尺直接测量出来。 图 1、2 自准直法测会聚透镜焦距原理图 2、 二次成像法测焦距 由透镜两次成像求焦距方法如下: 图 1、3 透镜两次成像原理图 当物体与白屏得距离时,保持其相对位置不变,则会聚透镜置于物体与白屏之间,可以找到两个位置,在白屏上都能瞧到清晰得像.如上图所示,透镜两位置之间得距离得绝对值为，运用物像得共扼对称性质，容易证明

3、： 上式表明:只要测出与,就可以算出.由于就是通过透镜两次成像而求得得，这种方法称为二次成像法或贝塞尔法这种方法中不须考虑透镜本身得厚度,因此用这种方法测出得焦距一般较为准确 、主面与主点 若将物体垂直于系统得光轴,放置在第一主点 处,则必成一个与物体同样大小得正立得像于第二主点 h"处,即主点就是横向放大率 得一对共轭点。过主点垂直于光轴得平面,分别称为第一与第二主面,如图中得 mh 与 m" 。 、节点与节面 节点就是角放大率 =+1 得一对共轭点。入射光线(或其延长线)通过第一节点o l m f) (b a ¢) (a b ¢o l i dl 时,

4、出射光线(或其延长线)必通过第二节点 n,并于 n 得入射光线平行(如图所示)。过节点垂直于主光轴得平面分别称为第一与第二节面。当共轴球面系统处于同一媒质时，两主点分别与两节点重合。 图 1、4 透镜组光路示意图 、焦点、焦面 平行于系统主轴得平行光束,经系统折射后与主轴得交点 f"称为像方焦点；过f垂直于主轴得平面称为像方焦面。第二主点 h"到像方焦点 f得距离，称为系统得像方焦距 f"。此外,还有物方焦点 f 及焦面与焦距 f。 图 1、5 测量基点示意图 综上所述,薄透镜得两主点与节点与透镜得光心重合,而共轴球面系统两主点与节点得位置,将随各组合透镜或折射面

5、得焦距与系统得空间特性而异。实际使用透镜组时,多数场合透镜组两边都就是空气,物方与像方媒质得折射率相等,此时节点与主点重合。 本实验以两个薄透镜组合为例,主要讨论如何测定透镜组得节点(主点)。 设 l 为已知透镜焦距等于得凸透镜,、为代测透镜组,其主点(节点)为、 / ( n 、n / ） ) ,像焦点为。当 ab(高度已知)放在 l 得 前焦点处时,它经过 l以及、将成像 b / 于 l、s、得后焦面上。因为 ao/ a / n / ,ab/ a / b ,b/ n / b ,所以 a / n / b,即 ab: / b / : 所以 m"m" h"n n hf

6、" fi"iq0sppabo pql . .s l) (h n ¢ ¢) (h n) (b f ¢ ¢a¢of -f ¢ 因此我们可以通过测量 / b 得大小,从而得到得数值。因为就是平行光入射到透镜组上,所以像 a / / 得位置就就是 f 得位置。f / 得位置既然确定，而n / / =,因此 得位置也就确定了。把 l、s、得入射方向与出射方向互相颠倒,即可测定与得位置。本实验节点与主点重合,所以与得位置也得到确定 四 、 实验步骤 、 自准直法测焦距 (1)参照下图,沿滑轨装妥各器件,并调至共轴。 物屏图案

7、图 1、6 自准直光路装配图 (2）移动待测透镜，直至在目标板上获得镂空图案得倒立实像; （)调整反射镜,并微调待测透镜,前后移动反射镜,使像始终最清晰且与物等大(充满同一圆面积); (4)分别记下目标板与被测透镜得位置 1 、a 2 ； (5）计算: （6)重复几次实验,计算焦距,取平均值。 2、 二次成像法测焦距 (1)按下图沿导轨布置各器件并调至共轴,再使目标板与白屏之间得距离; 图 1、7 两次成像光路装配图 ()移动待测透镜,使被照亮得目标板(方空)在白屏上成一清晰得放大像,记下待测透镜得位置 a 与目标板与白屏之间得距离 l ; (3)再移动待测透镜,直至在像屏上成一清晰得缩小像，

8、记下待测透镜得位置a 2 ; (4) 计算： ; ; (5)重复几次实验,计算焦距,取平均值。 3、 透镜系统基点测量 (1)按照下图安置各器件，调整各光学元件同轴等高。 图 1、8 透镜基点测量实验系统装配图 (2)调整目标物（方形宽度 h1)与标准透镜(上图中 4 号透镜,直径 50m焦距 7m)之间得距离为一倍焦距,即 75mm。 ()在白屏与标准透镜之间安装节点镜头,移动节点透镜或白屏最终可在白屏上观察到清晰像。量取像得大小 h （4）计算像方焦距 像方主点位置即为从白屏向前测量。 (5)将节点架旋转 180,重复第 3 步，即可获得物方节点位置。 五 、实验数据 1、 自准直法测焦距

9、 表、1 自准直法侧焦距实验数据 /mm 383 360 418 /mm 315 290 350 /mm 68 70 68 /mm 70 2、 二次成像法测焦距 表 1、2 二次成像法测焦距实验数据 /mm 244、6 297、8 359、5 /mm 395、2 402、5 397、1 /mm 458、7 514、1 574、9 /mm 214、1 216、3 215、4 /mm 69、8 71、3 70、1 /mm 70、4 3、 透镜系统基点测量 表 1、3 透镜系统基点测量实验数据 /mm 24 24 24 /mm 21 20 23 /mm -157、5 -160、5 -158、3 白屏

10、位置/mm 575 578 575、5 六 、 实验结论与感悟( 或讨论） 思考题 1、 如何确保平行光管、待测物镜与测量显微镜三者共轴？ 先将平行光管、待测物镜与测量显微镜中心轴调到大致重合,然后调节距离使像屏上得到清晰放大得像，标记像得中心 a，然后将平行光管旋转调节元件使像屏上清晰得像得中心与重合。 2、当精密测焦距时,对平行光管及测量显微镜有哪些要求？ 要求平行光管得像点与显微镜得物点重合。 在实验过程中,要务必保持各光学元件共轴,否则成像效果不理想。通过这次实验加深了我对薄透镜成像原理得理解,也锻炼了动手能力。 信息 与通信工程 学院实验报告 ( 操作性实验) 课程名称:应用光学 实

11、验题目:望远系统得搭建与放大率测量 指导教师: 班级: 学号: 学生姓名: 一、实验目得 (1)学习了解望远镜得构造及原理; (2)学习测定望远镜放大倍数得方法; 二 、仪器用具 1. 标尺 2. 干板架 3. 物镜(5、0, 5、0) 4. 目镜(20、0，f 30、) 三 、 实验内容及原理 望远镜就是如何把远处得景物移到我们眼前来得呢？这靠得就是组成望远镜得两块透镜。望远镜得前面有一块直径大、焦距长得凸透镜,名叫物镜;后面得一块透镜直径小焦距短，叫目镜。物镜把来自远处景物得光线,在它得后面汇聚成倒立得缩小了得实像,相当于把远处景物一下子移近到成像得地方。而这景物成绩 得倒像又恰好落在目镜

12、得前焦点处,这样对着目镜望去,就好象拿放大镜瞧东西一样,可以瞧到一个放大了许多倍得虚像。这样,很远得景物,在望远镜里瞧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。 伽利略发明得望远镜在人类认识自然得历史中占有重要地位。它由一个凹透镜(目镜）与一个凸透镜(物镜)构成。 其优点就是结构简单,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得望远镜采用,而多被玩具级得望远镜采用。 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,可方便得安装分划板,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得望远镜都采用此种结构。但这种结构成像就是

13、倒立得,所以要在中间增加正像系统。 图、1 开普勒望远镜光路示意图 为能观察到远处得物体,物镜用较长焦距得凸透镜,目镜用较短焦距得凸透镜。远处射来光线(视为平行光),经过物镜后，会聚在后焦点很近得地方，成一倒立、缩小得实像。目镜得前焦点与物镜得后焦点就是重合得。所以物镜得像作为目镜得物体,从目镜可瞧到远处物体得倒立虚像,由于增大了视角,故提高了分辨能力。 1 、望远镜得视放大率 当观测无限远处得物体时,物镜得焦平面与目镜得焦平面重合,物体通过物镜成像在它得后焦面上,同时也处于目镜得前焦面上,因而通过目镜观察时成像于无限远,光学仪器所成得像对人眼得张角为 ,物体直接对人眼得张角为 ,则视放大率:

14、 由几何光路可知: 因此,望远镜得视放大率: 由此可见,望远镜得放大率等于物镜与目镜焦距之比。若要提高望远镜得放大率,可增大物镜得焦距或减小目镜得焦距。 2 、物像共面时得视放大率( 实验室研究这种情况) 当望远镜得被观测物位于有限远时，望远镜得视放大率可以通过移动目镜把像推远到与物 y 在一个平面上来测量,如图 2、2。 图、2 测望远镜物象共面时得视放大率 此时: 于就是可以得到望远镜物像共面时得视放大率: 可见,当物距 l1 大于 20 倍物镜焦距时,它与无穷远时得视放大率差别很小。 四、实验 步骤 (1）按照图、3 组装成开普勒望远镜（物镜选择15,目镜选择30），调整光学元件同轴等高

15、。 图、3 望远镜系统装配示意图 ()将标尺安放在离望远镜物镜合适距离处,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得目镜瞧标尺得像,移动目镜,使从目镜中能瞧到望远镜放大得与直观得标尺得叠加像。一边轻轻晃动眼睛，一边缓慢移动目镜位置，使标尺与其像之间基本没有视差。视场中标尺与像如图、4 所示,图中左边就是像，右边就是标尺。 图 2、 物及放大像示意图 (3）测出与标尺像上 n 格(上图中1)所对应得标尺上得 m 格(上图 m=6),则其放大率实验值为，多次测量取平均值。 (4)测定物距 l1(标尺与物镜得距离)以及目镜与标尺得距离,根据望远镜物像共面时得放大率公式计算望远镜放大率得理

16、论值。 (5)数据处理: 表 2、1 原始数据记录 测量序号 1 2 物格数 m 1 1 1 像格数 9 9 、1 9 9、1 视放大率实验值 e(+3)/=、03 (6)比较实验值与计算值,计算相对偏差。 五、 实验结 论与感悟 （或讨论) 思考题 1、 请问伽利略望远镜与开普勒望远镜在结构形式上有什么区别? 伽利略望远镜目镜就是凹透镜,物镜就是凸透镜,而开普勒望远镜两个都就是凸透镜，从而使得伽利略望远镜瞧到得像就是正像，开普勒望远镜瞧到得就是倒像。 2、在系统组合过程中应注意此什么？ 由于望远镜得目镜得物方焦点与物镜得像方焦点重合所以应注意调节两个透镜得距离约为 180mm 左右。 通过自

17、己动手搭建望远镜系统，对望远系统结构有了直观得了解,学习了在实验中测定放大倍数得方法。 信息 与通信工程 学院实验报告 ( 操作性实验） 课程名称:应用光学 实验题目：显微镜搭建与放大率检测 指导教师: 班级: 学号: 学生姓名: 一、实验目得与任务 (1)学习显微镜得原理及使用显微镜观察微小物体得方法； ()学习测定显微镜放大倍数得方法; 二、 实验仪器及器件 1. 目标物:分辨率板 2. 物镜(5mm 75m) 3. 目镜(20m, f0mm) 4. 毫米尺 三、实验内容及原理 、显微镜得基本光学系统 成绩 显微镜得物镜、目镜都就是会聚透镜，位于物镜物方焦点外侧附近得微小物体经物镜放大后先

18、成一放大得实像，此实像再经目镜成像于无穷远处,这两次放大都使得视角增大。为了适于观察近处得物体,显微镜得焦距都很短。 图、 显微镜基本光学系统 2、显微镜得视放大率。 显微镜得视放大率定义为像对人眼得张角得正切与物在明视距离 d 250 处时直接对人眼得张角得正切之比。于就是由三角关系得: 其中,为物镜得线放大率,为目镜得视放大率。从上式可瞧出，显微镜得物镜、目镜焦距越短,光学间隔越大,显微镜得放大倍数越大。 当显微镜成虚像于距目镜为 l 得位置上,而人眼在目镜后焦点处观察时，显微镜得视放大率为: 图 3、2 显微镜成像于有限远时得光路图 中间像并不在目镜得物方焦平面上,。这时视放大率得测量可

19、通过一个与主光轴成 45 度得半透半反镜把标尺成虚像至显微镜得像平面,直接比较测量像长y ,即可得出视放大率: 四、 实验步骤 （）按照如下示意图组装显微镜, 图 3、3 测显微镜视放大率得仪器装配示意图 中目标物为分辨率板，o 物镜参数为50 f75m,le 目镜参数为2 f30mm，p 为半反半透镜、ab 为毫米尺,调整光学元件同轴等高，其中目标物与毫米尺均有 le照明。 （2)比如参考固定物镜与目镜之间距离为24mm,目标板与物镜之间距离为105m,均匀照亮物体分辨率板,在视场中寻找 2 号(黑条纹宽度为 0、5）或 4 号竖条纹(黑条纹宽度 d 为 0、25m) 得清晰像。 (3)调节

20、刻度尺与半反射镜得距离为明视距离 25mm，调节半反射度反射即可在视场中瞧到清晰得刻度尺像,调整两个照明光源使毫米尺与像能同时瞧清楚。 (4)上下左右移动眼睛,寻找到清晰完整得条纹，通过刻度尺测定条纹像宽度, 。根据读出得宽度 d, 与实际宽度 d 即可算出显微镜放大倍数得实验值e。 ()测量物体距离物镜之间得距离(即物距)距 l 1 ,根据物像关系式计算一次像与物镜得 q e 与物镜得线放大率,得出显微镜视放大率得理论值。 (6）数据处理 （根据物镜成像关系可以计算获得) 计算相对偏差。 五、实验数据分析及处理 表 3、 实验数据 测量序号 1 2 条纹宽度 d/mm 0、5 0、5 0、5

21、 条纹像宽 d/m 、2 3、3 3、 ed/d 、8 14、 14、 根据高斯公式 算得=26 根据公式 算得 0、53 ( ) ( )0"" "" " "" "" " " "16.76" "e em eey l f y l f y dymmy d y d y f yb+ +g = = = = g = 六、实验结论与感悟(或讨论) 思考题 1、 为什么说显微镜就是复杂化了得放大镜? 一般得放大镜得玻璃镜就是单片或两片得。而显微镜就是由多组镜片组成, 每组

22、由二片至多片玻璃组成;另外,一般得放大镜只有一次放大，而显微镜就是先通过物镜进行实像放大,然后再通过目镜进行二次虚像放大,从而进行观察。所以显微镜就是复杂得放大镜。 2、若显微镜得出瞳位置与眼瞳不重合,将会出现什么现象？ 会产生渐晕现象,模糊失真。 通过自己动手搭建显微镜系统,对显微镜系统结构有了直观得了解,通过更换焦距较小得物镜与目镜,适当增大两透镜距离可以增大显微镜得视放大率。 信息 与通信工程 学院实验报告 ( 操作性实验) 课程名称:应用光学 实验题目:星点法测量光学系统得单色像差及色差 指导教师: 班级: 学号： 学生姓名: 一、实验目得与任务 正文用小四号宋体字体,、倍行间距 (1

23、)了解平行光管得结构及工作原理 (）掌握平行光管得使用方法 (3)了解色差得产生原理 (4)学会用平行光管测量透镜得色差 (5)掌握星点法测量成像系统单色像差得原理及方法 二、实验仪器及器件 平行光管、led(红、蓝)、被测透镜、cms 相机、电脑、环带光阑、机械调整件等。 三、实验内容及原理 1 1 、 平行光管结构介绍 成绩 根据几何光学原理,无限远处得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得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得焦平面上,那么它将成像在无限远处。 下图为平行光管得结构原理图。它由物镜及置于物镜焦平面上得分划板，光源以及为使分划板被均匀照亮

24、而设置得毛玻璃组成。由于分划板置于物镜得焦平面上,因此,当光源照亮分划板后,分划板上每一点发出得光经过透镜后,都成为一束平行光。又由于分划板上有根据需要而刻成得分划线或图案，这些刻线或图案将成像在无限远处。这样,对观察者来说,分划板又相当于一个无限远距离得目标。 图 5、 平行光管得结构原理图 根据平行光管要求得不同,分划板可刻有各种各样得图案。下图就是几种常见得分划板图案形式。图()就是刻有十字线得分划板,常用于仪器光轴得校正;图(b) 就是带角度分划得分划板,常用在角度测量上;图（c) 就是中心有一个小孔得分划板,又被称为星点板; 图、2 分划板得几种形式 2 2 、 星点法介绍 根据几何

25、光学得观点,光学系统得理想状况就是点物成点像,即物空间一点发出得光能量在像空间也集中在一点上，但由于像差得存在,在实际中式不可能得。评价一个光学系统像质优劣得根据就是物空间一点发出得光能量在像空间得分布情况。在传统得像质评价中，人们先后提出了许多像质评价得方法,其中用得最广泛得有分辨率法、星点法与阴影法（刀口法),此处利用星点法。 光学系统对相干照明物体或自发光物体成像时,可将物光强分布瞧成就是无 数个具有不同强度得独立发光点得集合。每一发光点经过光学系统后,由于衍射与像差以及其她工艺疵病得影响, 在像面处得到得星点像光强分布就是一个弥散光斑,即点扩散函数。在等晕区内,每个光斑都具有完全相似得

26、分布规律，像面光强分布就是所有星点像光强得叠加结果。因此,星点像光强分布规律决定了光学系统成像得清晰程度, 也在一定程度上反映了光学系统对任意物分布得成像质量。上述得点基元观点就是进行星点检验得基本依据。 星点检验法就是通过考察一个点光源经光学系统后在像面及像面前后不同截面上所成衍射像通常称为星点像得形状及光强分布来定性评价光学系统成像质量好坏得一种方法。由光得衍射理论得知， 一个光学系统对一个无限远得点光源成像, 其实质就就是光波在其光瞳面上得衍射结果， 焦面上得衍射像得振幅分布就就是光瞳面上振幅分布函数亦称光瞳函数得傅里叶变换, 光强分布则就是振幅模得平方。对于一个理想得光学系统, 光瞳函

27、数就是一个实函数, 而且就是一个常数, 代表一个理想得平面波或球面波, 因此星点像得光强分布仅仅取决于光瞳得形状。在圆形光瞳得情况下, 理想光学系统焦面内星点像得光强分布就就是圆函数得傅里叶变换得平方即爱里斑光强分布，即 式中,为相对强度(在星点衍射像得中间规定为 1、）,为在像平面上离开星点衍射像中心得径向距离,为一阶贝塞尔函数。 通常，光学系统也可能在有限共轭距内就是无像差得,在此情况下,其中为成像光束得像方半孔径角。 无像差星点衍射像如下图所示,在焦点上，中心圆斑最亮, 外面围绕着一系列亮度迅速减弱得同心圆环。衍射光斑得.亮斑集中了全部能量得 80%以上, 其中第一亮环得最大强度不到.亮

28、斑最大强度 2%得。在焦点前后对称得截面上， 衍射图形完全相同。光学系统得像差或缺陷会引起光瞳函数得变化, 从而使对应得星点像产生变形或改变其光能分布。待检系统得缺陷不同, 星点像得变化情况也不同。故通过将实际星点衍射像与理想星点衍射像进行比较, 可反映出待检系统得缺陷并由此评价像质。 图 5、3 无像差星点衍射像 四、实验步骤 1 1 、色差测量 （1）参考示意图,搭建观测透镜色差得实验装置。 图 5、4 系统光路图 调节 led、环带光阑(可任意选择，但测量色差时整个过程应使用同一环带光阑）、平行光管、被测透镜与 cmos 相机,使它们在同一光轴上。具体操作步骤:先取下星点板，使人眼可以直

29、接瞧到通过平行光管与被测透镜后得会聚光斑。调节 led、被测透镜与 cmos 相机得高度及位置，使平行光管、被测透镜与 cmos 相机靶面共轴,且会聚光斑打在 cms 相机靶面上。 装上得星点板,微调 cms 相机位置,使得 co相机上光斑亮度最强，如图 a 所示。此时选用蓝色（51)光源,调节 cmo相机下方得平移台,使 cm相机向被测透镜方向移动,直到观测到一个会聚得亮点，如图所示,记下此时平移台上螺旋丝杆得读数。此时将光源换为红色（690nm)led,可瞧见视场图案如图 c 所示,相机靶面上呈现一个弥散斑,弥散斑与汇聚点得半径差即就是透镜得倍率色差。 调节平移台，使mos 相机向远离被测镜头方向移动，又可观测到一个会聚得亮点,如图 1-6d 所示，记下此时平移台上螺旋丝杆得读数。 (1） （2) (3) （4） 图 5、5 色差 位置色差 倍率色差 使用红光 led,调整m得位置使其聚焦,如图 1-6d,在不改变其她器件得基础上更换蓝光led,此时在ms上可以瞧到一光环,说明蓝光得聚焦位置不在此处,通过相机测量倍率色差。 点击"停止'使 cm停止采集,用鼠标分别点击光环直径得左右位置可以获得像素坐标(a、b)与(a、c),直径占据得像素值就