平行光管的调整和使用

3—5平行光管的调整和使用几何光学的理论指出：位于正透镜焦平面上的点光源，发出的光经透镜后成为一束平行光。根据这个原理，平行光管把分划板置于物镜的焦平面上，则分划板上每个点投回物镜的光，经物镜后都成为平行光束，即分划板成象在无穷远处，如图3—5—1所示。图3图3—5—1平行光管主要是用来产生平行光束的仪器。它是装校和调整光学仪器的重要工具之一，也是重要的光学量度仪器。配有不同的分划板、测微目镜或读数显微镜系统，则可测定透镜或透镜组的焦距、分辨率及其成像质量。本实验旨在了解平行光管的结构原理；掌握平行光管的调整和使用方法；测定透镜的焦距、分辨率及玻璃基板的平行度。一、[实验仪器]550型平行光管一套、可调式平面反射镜（附件）、分划板一套（附件，其中包括十字叉丝分划板、玻璃、分辨率板、星点板各一块）、读数显微镜、待测透镜及平面玻璃基板各一块。二、[实验原理]实验室中常用的国产CPG-550型平行光管附有高斯目镜和调整式平面反射镜。其光路结构如图3—5—2所示112103456789图3—5—21.可调式反射镜；2.物镜；3.分划板；4.光阑；5.分光板；6.目镜；7.出射光瞳；8.聚光镜；9.光源；10.十字螺钉550型平行光管的主要技术规格及附件如下：1．平行光管：焦距mm（名义值），使用时按实测值。口径mm。相对孔径。2．高斯目镜：焦距mm，放大倍数5.7倍。3．分划板：除了十字叉丝分划板（如图3—5—3（a））外，还有其它形式分划板可以根据测量内容的不同而更换使用。（1）分辨率板：分2号和3号两种。板上有25个单元图案，对于2号板，从第一单元到第25单元，条纹宽度由递减到5，而3号板则由40递减至10（如图3—5—3（b））。分辨率板可用于检验物镜和物镜组件的分辨率。（2）星点板：星点直径为0.05mm，通过光学系统后产生该星点的衍射花样，根据花样的形状可以定性检查系统成像质量的好坏。（3）玻罗板：其结构如图3—5—3（c）所示，是在玻璃基板上用真空镀膜的方法镀有五组线对。各线对间距的名义值分别是1.000mm，2.000mm，4.000mm，10.000mm和（（a）十字分划板12345611162122232425（b）分辨率板（c）玻罗板图3—5—3三、[实验内容与步骤]（一）平行光管的调整为了正确使用平行光管和确保平行光管的出射光束严格平行，必须在使用前对平行光管进行调整。调整的要求是：1．使十字叉丝分划板严格处于物镜的焦平面上。2．使十字叉丝分划板十字中心同平行光管光轴重合。具体调整方法和步骤如下：A.摆放仪器：把平行光管按图3—5—2所示放好。B.从高斯目镜中找到返回光形成的像：（1）调节目镜，使在目镜里能清楚地观察到十字分划板上的十字叉丝。（2）调整平面反射镜，使由平行光管射出来的光线重新返回平行光管。（3）粗略调节分划板座的前后位置，使目镜中能同时清楚地看到十字叉丝（物）和反射回来的光形成的十字叉丝（像），这时分划板已基本调整在物镜的焦平面上了。C.使分划板严格的位于物镜的焦平面上：细心调整平面反射镜的垂直和水平螺旋，使分划板十字叉丝物、像先重合，用眼睛在目镜中改变观察视角，判断两十字叉丝间有无视差。通过细心调节分划板的前后位置，消除视差。此时分划板已严格的处于物镜的焦平面上。D.使用各半调节法，调整分划板中心和平行光管光轴严格重合：（1）松开平行光管座上的十字螺钉（又称止动螺旋），将平行光管线光轴转过，观察分划板叉丝物、像是否重合，若不重合说明分划板中心同光轴还有些偏离。（2）分别调节平面反射镜及分划板中心调节螺旋，两部位各调节一半，使分划板叉丝物、像重合。（3）重复步骤（1）（2），直到转动平行光管时，十字叉丝物、像始终重合为止。至此平行光管调节完毕。（二）测定透镜的焦距如果平行光管已调节好，并使玻罗板位于物镜L的焦平面上，那么，从玻罗板上每一点射出的光，经物镜L后都形成平行光，平行光经过待测透镜Lx后，将在Lx的第二焦平面F′上会聚成象。其光路图如图3—5—5所示。因而，玻罗板上的线对必然成象在F′面上。从图中几何关系可以看出待测透镜的焦距为式中是玻罗板上所选用线对间的实测值，是玻罗板上对应像的间距的实测值，是平行光管物镜第二焦距的实测值。为了保证测量精度，一般待测透镜的焦距应小于平行光管物镜焦距的二分之一。玻罗板玻罗板平行光管物镜L待测透镜LxFˊy-yˊ图3—5—5(3-5-2测定透镜焦距的具体操作步骤如下：1．将调整好的平行光管中的分划板换成玻罗板，使玻罗板位于平行光管物镜的焦平面上。按图3—5—6所示放置好平行光管、待测透镜、读数显微镜，并使之共轴，读数显微镜放置在待测透镜第二焦平面附近。图3图3—5—6平行光管玻罗板待测透镜读数显微镜2．沿光轴前后移动待测透镜，使在读数显微镜中看到清晰的玻罗板的像。3．用读数显微镜测出玻罗板的像上各线对的间距，重复3~5次，取平均值。4．以和玻罗板上线对的实测值、平行光管物镜焦距，代入（3-5-2）式计算出待测透镜的焦距。（三）测定透镜的分辨率（选做）分辨率是光学系统成象质量的综合性指标。按照几何光学的观点来看，任何靠近的两个微小物点，经光学系统后成象在象平面上仍然应该是两个象“点”，事实上这是不可能的，即使光学系统无象差，通过光学系统后波面不受破坏，而根据衍射理论，一个物点的象，不再是个“点”，而是一组衍射花样。一个光学系统能够把这种靠的足够近的两个衍射花样分辨出来的能力称为光学系统的分辨率（或称分辨本领）。图3—5—4准直管分辨率板圆孔光阑读数显微镜光学中，一个透镜的分辨率是用牙能够分辨两组衍射花样的最小角距离图3—5—4准直管分辨率板圆孔光阑读数显微镜如图3—5—4所示若将分辨率板置于平行光管的物镜焦平面上，那么，在待测透镜的第二焦平面附近将得到分辨率板的象，用读数显微镜观察此象。待测透镜的质量越高，观察到的能分辨的单元号码就越高。找出分辨率板上刚能被分辨的单元号码，然后按下式计算透镜可分辨的最小角距离（秒）（3-5-1）式中为相邻两条刻纹的距离；为刻纹宽度（单位为mm），由附表可以查得。为平行光管焦距的实测值。1．如图3—5—4所示安排好仪器，将十字叉丝分划板换用3号分辨率板。2．调节各光学元件使之共轴，并将读数显微镜放置在待测透镜的第二焦平面附近。3．沿光轴前后移动待测透镜，使读数显微镜中能够看到分辨率板的象，并读出分辨率板上刚能分辨的单元号码。4．查阅附表，查出条纹宽度的值。按（3-4-1）式计算出。5．测出透镜的孔径。从计算出，并与（3-5-1）式计算的进行比较。思考题1．平行光管调节的具体要求是什么？怎样根据视差法调节分划板物象共轴？又怎样使十字分划中心与物镜共轴？2．用平行光管测透镜焦距时，精度决定于什么量？3．根据衍射理论有：分辨率（弧度）。式中为透镜孔径，为光波波长，试分析计算值与实验测量值差异的原因。附表：分辨率板号2号3号单元号码每组条纹数条纹宽度（）为名义值时分辨率角值（秒）条纹宽度（）为名义值时分辨率角值（秒）1420.040.02418.937.83417.835.64516.833.65515.931.76515.030.07614.128.38613.326.79612.625.210711.923.81