浙江大学应用光学实验报告

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本科实验报告

课程名称：应用光学实验

姓名：龚晨晟

学部：信息学部系：光电信息工程学系专业：信息工程（光电系）学号：3100100986

指导教师：岑兆丰

2012年5 月11 日

实验报告

课程名称： 应用光学实验 指导老师 岑兆丰 成绩：

实验名称：典型光学系统实验

实验类型： 设计

同组学生姓名： 乐海滨,王祎乐 一、实验目的和要求（必填）

二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理

六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

一、实验目的和要求

深入理解显微镜系统、望远镜系统光学特性及基本公式； 掌握显微镜系统、望远镜系统光学特性的测量原理和方法。

二、实验内容和原理

(1)望远镜特性的测定

测定望远镜的入瞳直径D 、出瞳直径D ’和出瞳距；测定望远镜的视觉放大率Γ；测定望远镜的物方视场角，像方视场角；测定望远镜的最小分辨

角φ。

对于望远镜系统来说，任意位置物体的放大率是常数，此值由物镜焦距和目镜焦距确定，其视觉放大率可表示为

(2) 显微镜视场及显微物镜放大率的测定 显微物镜的放大率是指横向放大率

式中 y ——标准玻璃刻尺上一对刻线的距离（物）（格值0.01mm ）；

y ′——由测微目镜所刻得的像高。

(3)显微物镜数值孔径的测定 显微物镜的数值孔径为,其中n 为物方介质的折射率，u 为物方半孔径角。若在空气中n=1,则

。

数值孔径通常用数值孔径计来测定，数值孔径计的结构如图5示，其主要元

件是一块不太厚的玻璃半圆柱体，沿直径方向的侧面是与上表面成45度角的斜面，从侧面入射的光线在斜面上全反射，上表面上有两组刻度沿圆周排列。其外圈刻度为数值孔径（即角度的正弦值），内圈刻度为相应的角度值，以度为单位。半圆柱体上表面的圆心附近φ8mm范围内镀铝，铝面上有透光狭缝（3），底座（1）上装有一金属框（4），它可绕圆柱轴线转动，金属框的侧面装有一片乳白玻璃（6），上面刻有叉丝，可以通过狭缝（3）看到十字线的反射像。推动手柄（7），金属框（4）便带着叉丝一起围绕孔径计的圆柱面移动，金属框的上表面装有一块刻有指示线的玻璃（5），指示线在随着叉丝一起运动时通过两组刻度值，所以两组刻度都能反映叉丝的位置。

数值孔径计的45°用以转折光路，若把数值孔径计的光路图拉直则如图6示，狭缝（3）置于被测显微物镜的物面位置，经物镜成像在目镜的物方焦点上，狭缝（3）前面的十字线（6）经物镜后成像在显微镜像方焦面后不远的地方，去掉目镜，人眼位于狭缝的（3）的像面附近，便能看到一个明亮的圆，此即被测物镜的出瞳，出瞳对像面中心的张角为像方孔径角，入瞳对物面中心的张角为物方孔径角。

四、操作方法和实验步骤

一、望远镜特性的测定

1、D、D’、Γ和的测定

图1是望远镜参数的测定装置。

调整步骤：

①将被测望远镜（由物镜L1和目镜L2组成）和数显读数显微镜（由物镜L3和目镜L4组成）固定于光学导轨上；

②前后移动望远镜，改变其与读数显微镜的间距，直至通过读数显微镜能看到一个边缘清晰且完整的圆斑；

③转动测微鼓轮，使其在水平方向移动，当视场里的十字线竖丝切于亮斑两端时，由数显读数装置读取两种状态时的示数，二者之差即为出瞳直径D’；

④出瞳距的测量：记下出瞳在读数显微镜里成像清晰时读数显微镜在光轴方向的位置A1，再微调数显读数显微镜，直至看清玻璃表面的细微结构，记下此时读数显微镜的位置A2； A1`A2之差即为出瞳距的值。

2) 2w的测定

完成上述实验后，取下读数显微镜，调整并使望远镜和广角平行光管共轴。通过过望远镜观察广角平行光管焦平面上的分划板，所看到的刻度数就是被测望

远镜的物方视场范围。广角平行光管（黑），焦距，分划板格值1mm，由图2可见，只要读取视场范围内的刻度数，就很易计算出2W，并可由以上公式求出2W′；广角平行光管（灰），分划板上有两条刻线，其格值分别为5’和3.6’，所读取的视场范围即是视场角。

3) 最小分辨角φ的测定

将被测望远镜移到高分辨率的平行光管前（焦距550mm），其光路图仍如图2所示，只是其焦平面用标准鉴别率板代替分划板，人眼通过被测望远镜观察，如能将鉴别率板上某一组的四个方向线条同时看清楚，而线条更密更细的更高一组看不清了，则这一组就是望远镜能分辨的最高组数了。根据所用的鉴别率板号数（3号鉴别率板），可在有关手册（置于实验装置旁）查到刻线组的线条宽度d值，并由下式求出被测望远镜的最小分辨角

本实验所用望远镜是内调焦式物镜，倍数较大，较小故出瞳距也较小。

二、显微镜视场及显微物镜放大率的测定

如图3所示，调整好照明灯和显微镜聚光系统之间的相互位置，以满足显微镜使用时所需要符合的柯拉照明条件，在显微镜载物台上放置一把分划值已知的标准玻璃刻尺（有盖玻片的一面朝向显微镜物镜）。通过调节手轮上下移动镜筒进行调焦，直到看到刻尺像最清晰为止，取下目镜，换上测微目镜（其结构如图4所示）。测微目镜除了在焦面上装有一固定的毫米刻尺分划板外，还有一块刻有平分丝和十字线的活动分划板，在精密丝杆的推动下，后者可沿推动的方向移动，移动值可以从固定刻尺上以及测微鼓轮上的刻度读出（前者最小分划值为1mm，后者格值为0.01mm）。此时若刻尺像的清晰度发生变化，可直接改变抽筒位置重新获得清晰的像。

任意选定刻尺上两条刻线（相隔距离尽可能大些），转动测微鼓轮选定一条刻线a （即置此刻线于平分线的中央），记下此时的，然后再对准第二条刻线

b 又得读数，二者读数之差即为两刻线像的间隔大小，物镜的横向放大率为：

在测定显微物镜的放大率的同时，还可以测出显微镜视场的大小。为此，只需要重新换上目镜，并直接从目镜视场中读出所能见到的最大刻尺长度，此即为显微镜的物方线视场值。

三、显微物镜数值孔径的测定

1) 把数值孔径计放置在显微镜的载物台上，刻度分划线向上，利用调焦手轮上下移动镜筒对准镀铝面上狭缝（3）进行调焦，移动孔径计使狭缝大致落在视场中央。

2) 若被测物镜是低倍的（NA<0.4），测量过程较简单，即取下目镜，换上一个小孔光阑（图7），以便使人眼观测时，保持在固定位置上。通过小孔光阑便能看到一明亮的圆斑，此即被测物镜的出瞳。推动数值孔径计的手柄（7），使叉丝像出现在亮斑上，并使叉丝交点正好与圆的左（右）侧相切（如图8），并由指示线按外圈刻度读数NA1，再转动手柄，使叉丝移动至亮斑的另一边缘并与其相切，得另一读数NA2，两次读数的平均值就是被测物镜的实际数值孔径。

3) 若被测的是高倍物镜，因叉丝经物镜所成的像很小而不易看见，为此，需要用辅助物镜。测量时首先按步骤 a 做，然后拨出抽筒，在抽筒上与目镜相对的一端装上辅助物镜（孔径计附件，见图七），再把抽筒插进镜筒（注意在拨出或推入抽筒时，不得使被测物镜的调节位置变动），插上目镜后，辅助物镜与目镜组成一个辅助低倍显微镜，将辅助显微镜在主镜筒内移动，直到看清楚在被测物镜出瞳附近十字线像，然后按照上述方法进行测量。

五、实验数据记录和处理(注：单位mm)

一、望远镜特性的测定

二、显微镜视场及显微物镜放大率的测定

显微镜视场L的测量

格值 0.01mm

格数 44

视场 L=0.44mm

三、显微物镜数值孔径的测定

六、实验结果与分析

由望远镜的成像特性可知，望远镜视觉放大率为角放大率，即望远镜的像方视场角得到增大。在实验中，组员的视觉差异表现得比较明显，尤其是在测量分辨率时，组员读取的最小分辨间隔有较大的差异。在研究显微镜特性的实验中，准确调焦找到分划板的刻线异常困难。测量数值孔径实验中，因为光源的原因，难以看到叉丝的中心，这对实验带来了一定的误差。

七、思考题及讨论、心得

1．改变被测望远镜和广角平行光管的相对位置，测量结果会改变吗？为什么？测量结果不会改变，因为平行光管出射平行光，不随相对距离而变化，改变平行光管的相对位置不会造成入射望远镜的光线的变化，因此测量结果不改变。2．设广角平行光管的视场为30度，能否用来测量实验中被测望远镜的像方视场

角？

不能，因为被测望远镜的视场受到其视场光阑的限制，其视场角远小于平行光管

的视场角。若以此为入射光，则由计算望远镜像方视场角的最大值远超真实视场范围。

3．如何调节被测望远镜和广角平行光管的同轴性？

若望远镜为内调焦式望远镜，可以用自准直法调节其与平行光管共轴。而实验室中望远镜可以先调节望远镜与平行光管在同一高度，然后调节望远镜，使能够通过望远镜观察平行光管中的刻度中心读数，前后移动望远镜使视场中心不变即可。

4．为什么数值孔径计上的刻度间隔与孔径计玻璃有关？

因为数值孔径,其中n为物方介质的折射率，u为物方半孔径角。孔径计的玻璃影响了像方介质折射率，影响了孔径计偏角。