工程光学 实验系统讲义

）粗调－自准直法。沿光束传播方向，前后轴向移动准直透镜，直到从自准直反射镜反射回来的自准直像落在针孔表面，并于针孔重合。或者在准直镜后放一观察屏，如图1－3所示，前后移动，观察准直后光斑的变化，若在一个较大范围内光斑直径几乎无变化，可视为准直成功，完成粗调。在调节中要注意光斑变化和准直镜移动方向的关系，从而很快达到粗调的效果。观察屏激光器观察屏激光器图1-3平行光路粗调示意图3）细调－剪切干涉法。如有条件，可以选用平晶进行细调。在准直镜后，倾斜放置一平行平晶，观察平晶两表面反射光束重叠部分产生的剪切干涉条纹，如图1-4所示，沿光轴前后微移动准直透镜，使条纹渐渐由密变疏，直到条纹最宽或成均匀光，如图1-5所示，这时准直镜处于最佳位置，出射光为平行光。剪切干涉法只能用于相干光束的调整，非相干照明时，可用自准直法调整。平晶准直镜观察屏平晶准直镜观察屏图1-4细调产生干涉条纹图观察屏（条纹变化，使之越来越少）观察屏（条纹变化，使之越来越少）图1-5平行光的检测示意图实验器材氦氖激光器8）燕尾式平移台激光夹持器9）分化板显微物镜10）透镜/反射镜支架（Φ40.0）物镜接圈11）干板架开口透镜/反射镜支架（Φ20.0）12）毛玻璃一维调节滑块13）平行平晶7）K9平凸透镜（Φ40.0,f150.0）14）导轨，滑块，支杆，调节支座，磁力表座等实验内容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，然后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。思考题1）调节平行光时，由近及远移动准直镜产生的光斑如何变化？为什么？2）如何利用平晶检测平行光的质量？

实验二平行光管实验引言平行光管是一种长焦距、大口径，并具有良好像质的仪器，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和检测。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。实验原理3.1平行光管的结构及工作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前焦平面上,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前焦平面上,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。又由于分划板上由根据实验需要而刻成的分划线或图案,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3.2用平行光管测量凸透镜焦距的原理用平行光管法测量凸透镜焦距的光路图，如图2-3所示,从图中可以看出:玻罗板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由于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。实验器材平行光管；2）反射镜；3）二维调节透镜/反射镜支架；4）待测透镜（Φ40.0,f150.0）；5）测微目镜（10X，带分划板）；6）开口式二维调节透镜/反射镜支架；7）导轨，滑块，支杆，调节支座等。实验内容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前焦平面上了；4）平行光管调好后，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=0.553毫米两刻线间距的测量值，重复测量五次，将各数据填入自拟表格中；7）根据平行光管物镜焦距，计算出被测凸透镜的像方焦距，并计算其平均值和均方根误差。思考题1）不同波长的光源对所测透镜焦距有何影响？

实验三望远系统的搭建和参数测量引言望远镜主要是用来帮助人眼看清远处目标以便观察、瞄准与测量的一种助视仪器，其主要作用在于增大被观察物体对人眼的张角，起着视角放大的作用。本实验旨在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。实验目的1）学习了解望远镜的构造及其原理；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。实验原理望远镜可用来观测远处的物体。最简单的望远镜由两块凸透镜组成。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和开普勒望远镜等。伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。它是由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成的，其视觉放大率大于1，形成正立的像，不需加转像系统，但无法安装分划板，应用较少，可应用于观剧，倒置伽利略望远镜可用于门镜。开普勒望远镜是由两个正光焦度的物镜和目镜组成，因此成倒像。为使经系统形成的倒像转变成正立的像，需加入一个透镜或棱镜转像系统。因开普勒望远镜的物镜在其后焦平面上形成一个实像，故可在中间像的位置放置一分划板，用作瞄准或测量。由于开普勒望远镜各种性能优良，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。图3-1开普勒望远镜光路示意图为能观察到远处的物体，开普勒望远镜的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，此时望远镜的视觉放大率为：（3-1）由此可见，望远镜的视觉放大率等于物镜和目镜焦距之比。若要提高望远镜的视觉放大率，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视觉放大率为（3-2）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（3-3）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，按瑞利判断可知：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）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）。实验器材标尺；2）干板架；3）磁力表座；4）物镜（Φ40.0，f150.0；Φ40.0，f200.0）；5）一维调节滑块；6）一维调节滑块；7）目镜（Φ20.0，f30.0；Φ20.0，f-40.0）；8）导轨，滑块，支杆，调节支座等实验内容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，多次重复测量，则其视觉放大率为；4）测量出望远镜的镜筒长度和物距，按照公式（3-3）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，理论计算望远镜的最小分辨角。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，为什么？

实验四显微镜搭建与光学系统分辨率检测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。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。实验原理最简单的显微镜是由物镜和目镜构成。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），其物方焦距为；Le为目镜，其物方焦距为。将高度为y1的被观测物体AB放在Lo的物方焦点外且接近焦点Fo处，物体通过物镜成一放大倒立实像(其高度为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上得到一个放大的虚像（其高度为y3）。虚像对于被观测物AB来说是倒立的。由图4-1可见，显微镜的视觉放大率为BBA1y0oFAeFeFBeL0L2yBA3yBA1y0FoFAeFeFBeL0L2yBA3y1l-l2Dl21lBA1y0FoFAeFeFBeL0L2yBA3yBA1y0FoFAeFeFBeL0L2yBA3y1lDl21l图4-1简单显微镜的光路图（4-1）式中，（因），为目镜的放大率；（因比大得多），为物镜的放大率。为显微物镜焦点到目镜焦点之间的距离，称为物镜和目镜的光学间隔。因此式（5-1）可改写成（4（4-2）由式（4-2）可见，显微镜的放大率等于物镜放大率和目镜视觉放大率的乘积。在、、和D为已知的情形下，可以利用式（4-2）计算出显微镜的视觉放大率。实验器材白光点光源显微目镜（10X，带分划板）光源探头夹持器支杆底座（GCM-5305M）干板架齿轮齿条移动台分辨率板一维