应光实验指导书

《应用光学》

实验指导书

光电系光信息工程实验中心

2017年4月

前言

实验是帮助我们加深理解几何光学中的基本现象、概念和基本光学原理与定律的一种手段，通过实验让我们学习和掌握有关的光学仪器、实验装置的原理、结构、使用方法和实验技巧，提高我们用实验方法研究光学现象和解决实际光学问题的能力。

我们要求同学们实事求是，以科学态度对待每一个实验，实验前做好预习，实验时认真观察各种现象，仔细记录数据，实验结束后及时做好实验报告，对每个思考题都要仔细分析和认真回答。每个同学必须独立完成实验报告，报告内容包括：实验题目、目的：实验原理简述；实验装置；实验步骤（包括：调整、现象、观察和分析）；数据处理；解答思考题。

初次进入光学实验室，要求同学们必须遵守实验室的规则。实验室规则如下：

1．光学仪器是比较精密的仪器，取放仪器时，思想要集中，动作要轻、慢。没有了解清楚仪器的使用方法之前，不要乱拧螺丝，乱碰仪器或随便接通电源。

2．大部分光学元件用玻璃制成，光学面经过精细抛光，使用时要轻拿轻放，元件相互间不要碰撞，挤压，更要避免摔坏；暂时不用的元件，要放回原处，不要随意乱放，以免损坏。

3．人的手指带有汗渍油脂类分泌物，用手触摸光学面，光学面会被污染，影响透光性和其他光学性质。所以，任何时候都不能用手去触摸光学面，只能拿元件的磨砂面。正确的姿势如图：

拿透镜的正确姿势拿平面镜的正确姿势拿棱镜的正确姿势

4．光学面若落有灰尘，应先用干净、柔软的脱脂毛刷轻轻掸除，或用“橡皮球”吹除，严禁用嘴吹，一般不能随意擦拭光学表面，必要时可用脱脂棉球蘸上酒精、乙醚混合液轻轻擦拭，切忌用布直接擦试。

实验一光组的成像特性 (4)

一、透镜成像特性 (4)

二、光组组合实验 (5)

三、平面系统成像特性 (7)

四、激光平面演示实验（选做） (10)

实验二光组的焦距与节点测量 (12)

一、焦距测量 (12)

（一）放大率法 (12)

（二）精密侧角法（选做） (15)

（三）附加接筒法 (16)

二、光组的基点和节点测量（选做） (18)

实验三光学材料与样品的参数测量 (22)

一、V棱镜法（选做） (22)

二、全反射法（选做） (23)

三、最小偏向角法 (23)

四、反射棱镜角度误差的测量（选做） (28)

实验四典型光学系统实验............................................................................ 错误!未定义书签。

一、望远镜特性的测定............................................................................ 错误!未定义书签。

二、显微镜视场及显微物镜放大率的测定............................................ 错误!未定义书签。

三、显微物镜数值孔径的测定................................................................ 错误!未定义书签。实验五光学系统的像差实验........................................................................ 错误!未定义书签。

一、像差的计算机模拟............................................................................ 错误!未定义书签。

二、星点检验............................................................................................ 错误!未定义书签。

(一)无穷远显微镜的星点检测............................................................ 错误!未定义书签。

(二)用平行光管进行星点检测............................................................ 错误!未定义书签。

三、刀口阴影法（选做）........................................................................ 错误!未定义书签。实验六照相系统成像质量检测.................................................................... 错误!未定义书签。

实验一 光组的成像特性

一、透镜成像特性

1．实验目的：

验证物像位置关系，深入了解透镜成像特性。 2．实验原理：

l 和l '分别表示物像距，f '为光组的焦距，则当光组处于空气中时，有：

f l l '

=

-'1

11 可知，对于具有一定焦距的光组，其像的位置随物体位置的变化而变化，而其相应的横向放大率可表示如下：

l

l y y '='=

β 3．实验仪器及设备

照明系统、物体、透镜架、透镜、成像屏、平面反射镜。 4．实验内容与步骤

正透镜成像特性：物体位于 ①-∞～2f ；②2f ～f ；③f ～ 0； ④0～+∞； 负透镜成像特性：物体位于 ①-∞～0 ； ②0～f ； ③f ～2f ；④2f ～+∞； 分别记录物体经正、负透镜的成像情况（虚实、正倒、放大/缩小、成像区间），并在实验报告上画出相应的光路图。

二、光组组合实验

1．实验目的：

掌握望远镜、显微镜、复合透镜的组合方法。 2．实验器材

照明系统1套、物体（自行设计）、正透镜6个、负透镜2个、反射镜1个、投影屏1个。

图1.1 实验装置图

3、自准直法

取一焦距为200mm 的正透镜，放在带物体的光源前方（用黑纸自己制作物体），再在透镜的出射面放置平面反射镜，此时可看到物体旁有一反射像，然后改变透镜和物体之间距离直至反射像清晰，并且物像大小相等，此时物体已位于透镜的前焦面上，平行光出射。 4、实验内容及步骤

1）正、负透镜的组合。按薄透镜成像公式计算mm f 200='和mm f 100-='的两块透镜，在正前负后放置时，何时组合焦距为正，何时组合焦距为负。找到成实像的位置，量出两透镜的间距。在保持两个透镜间距不变的情况下交换两个透镜的前后位置，观察成像情况，并记录。

2）观察两个mm f 200='的正透镜组合焦距随间隔的变化规律，并分析记录。 3）用桌上的透镜，组合4倍的开普勒望远镜，mm f e 50='；在组成的开普勒望远镜系统前、后各放一块已知焦距的透镜，然后分析各位置的成像情况。

4）组合5倍的伽利略望远镜，mm f e 40-='

。

下面的步骤5）可在典型光学系统实验（实验四）前进行。

5）搭建放大倍率为15倍的显微镜，且'50e f mm =，物镜的共轭距为180mm ，并在实验报告中写出计算步骤及画出相应的光路图。

三、平面系统成像特性

平面系统由平面光学零件组成，在光学系统中起到转折光轴、转像、倒像、扫描等作用。平面光学零件是工作面为平面的零件，包括平面镜、平行平板、反射棱镜和折射棱镜等。

1．实验目的

观察光线在棱镜中传播的情况，并了解各种棱镜的成像特性，熟悉各种棱镜的结构。

2．实验装置

图1.2 实验装置图图1.3 实验装置结构图图1.3中激光束先从氦氖激光器1中水平出射，经平面镜2反射后转折90度，再经柱面镜3扩束，成为一扇形光束。经介质膜分光镜反射后，又成水平方向扇形光束与演示屏5垂直相交，从而在演示屏上显示出光束的径迹，在度盘孔内插下各种光学零件后，就可以做各种光学实验。

演示仪由激光器、扩束镜、分束器、演示屏、附件夹持架和其他附件组成。激光管和电源都安装在底座内，演示屏、扩束器和附件夹持架装在底座上，分束器装在演示屏的左侧，夹持架装在演示屏的右侧，在演示屏的中间还有一个度盘，它可以转动，中间有一只圆孔，用来插放各种光学零件或组件。

3．实验原理

1)利用氦氖激光器发出的红色细光束，经柱面扩束镜后为一扇形平面光束，直接射向平行平板或各种棱镜上，就能直观地观察到光束在各面上的折反射情况。

2)稍稍退出柱面扩束器，在底座上放置装有圆扩束器的支架及装有指标的支架，并把被测棱镜置于右侧的夹持器上，对着出射光线的方向能观察到各种棱

镜的转像情况。

4．实验步骤

1)打开激光器；

2)分别把各棱镜放置在转盘中央，观察光线在棱镜中的径迹并记录。

斜方棱镜二次反射直角棱镜

一次反射直角棱镜直角屋脊棱镜

施密特棱镜施密特屋脊棱镜

五角棱镜五角屋脊棱镜

达夫棱镜

普罗Ⅰ型普罗Ⅱ型

四、激光平面演示实验（选做）

1．实验目的

观察光线在棱镜和透镜组中的径迹，验证光学四大基本定律。

2．实验装置

图1.4 实验装置图

图1.4中，五束独立的激光从激光盒中平行出射，在其后放置各种透镜和棱镜，观察光线的径迹，倘若光束太宽，也可以加入金属挡光板，获取所需要的光束。

3．实验步骤

1）接通电源，打开激光器开关，使激光盒射出红色激光束，注意，肉眼不能直视激光束；

2）在实验室现有的条件下，设计一条光路，拍照记录，并在实验报告中说明该光路的作用；

例如：视力矫正的模拟光路

思考题

1．透镜在共轭距一定的条件下，两个物体位置之间有什么关系？

2．实验过程中如何形成虚物？

3．试说明如何确定透镜组的节点位置？

4．试画出开普勒望远镜的光路图，并说明如何使光学间隔调整为零？

5．试画出显微镜的光路图，如何调整？

6．试分别画出有限焦距物镜与望远镜组合时的光路图，交换前后位置有何现象？

7．分离正负透镜的组合，在间隔一定条件下，交换前后位置有何现象？为什么？试分别画出光路图。

实验二光组的焦距与节点测量

实验目的

1．正确选用测量光组焦距的方法，掌握正确的数据处理及精度分析的方法；

3、了解透镜组的基点的一般特性，学习测定透镜组节点的方法。

一、焦距测量

（一）放大率法

1．原理

玻罗板：刻有5组间隔不同的平行线，间距分别为1mm、2mm、4mm、10mm和20mm。

图2.1 实验装置图

1—光源；2—玻罗板；3—平行光管物镜；4—被测物镜；5—目镜

图2.2 实验光路图

这种方法是通过测量像y ′的大小，计算出被测透镜的焦距。由图2.2可知，平行光管的焦距和被测物镜的焦距之比等于位于焦面上的物像大小之比，即

y f y f ''=-'平平

式中，平

f '——平行光管物镜的焦距； 平y ——位于平行光管物镜前焦面的玻罗板上某一对刻线的间距；

y '—— 由目镜所测得的玻罗板刻线像的间距。

则被测透镜的焦距

平

平

f y y f ''

-

=' 为使被测的像放大后再进行读数，有时用带测微目镜的读数显微镜进行读数，其光路图如图2.3及图2.4。

图2.3 用测微目镜测定正透镜焦距光路图

图2.4 用测微目镜测定负透镜焦距光路图

用带有测微目镜的读数显微镜进行读数时其公式为：

β

平平y f y f '''-

=' 式中，β——读数显微镜的显微物镜放大率；

y ''——被显微镜放大的的玻罗刻板刻线像间距。

2．测量装置及步骤

测量是在光具座上进行的，具体测量步骤如下：

1）被测透镜安放在透镜夹持器上，调整夹持器使被测透镜与平行光管光轴大致重合。

2）调节目镜视度，使其看清十字叉丝；

3）松开透镜夹持器的固定螺钉，前后移动透镜座使分划板的像位于显微镜的工作距离上，使读数显微镜看到平行光管玻罗板成像在读距分划板上，然后旋紧固定螺钉；

4）调节显微镜座，使平行光管玻罗板的像和读距分划板一样清晰。 5）转动测微鼓轮，读出一组间隔距离的像的大小，算出被测物镜的焦距。 3. 实验数据及结果处理

f '平

=550mm ， y 平：玻罗刻板上刻线间距 单位：mm

4．思考题

1）如何选用玻罗板上一对刻线的间距，它的大小有何影响？

2）如何选用读数显微镜的倍率？为什么测量负透镜时要采用1倍或小于1倍的物镜？测微目镜的倍率对测量有无影响？

3） 如何粗略地估计出被检透镜与显微镜物镜间的距离？

4） 试说明透镜的朝向与光源的波长对测量结果有无影响？ 5） 如何用放大率法测量焦距？试用公式表示之。

（二）精密侧角法（选做）

1．原理

由图2.6中的几何关系可得：

f

y tgw '=

tgw

y f =

'

图2.5 精密测角仪

图2.6 精密测角法光路图

本方法的原理是利用精密测角仪（如图2.5 经纬仪，测角仪等）精确地测量处于物镜焦面上的分划板刻线张角2w 的大小，并予先准确地测出分划线的间距

2y，通过上式算出被测物镜的焦距f 。本方法适合测长焦距的透镜。

2．测量方法

1）将分划板的刻线面精确地校正到被测物镜的焦面上（可采用平行光管调校消视差方法），调整好测角仪，并对分划板的刻线像进行调焦，使测角仪的分划线与分划板的刻线像清晰无视差地呈现在视场内。

2）绕测角仪主轴转动望远镜，使望远镱的十字分划线与分划板的A线重合，记下度盘的第一次角度读数。

3）继续转动望远镜，使望远镜的十字分划线与分划板的B线重合，记下度盘的第二次角度读数，两次度盘读数之差，即为所谓的2w值。根据以上公式，即可求出被测物镜的焦距。

（三）附加接筒法

1．原理

本方法主要用来测量短焦距光组，原理如图2.7所示。

图2.7附加接筒法光路图

利用带测微目镜的显微镜，在两种像距的情况下，测得被测物镜的垂轴放大率，由此求得被测物镜的焦距。

1

2ββ-=

'e

f

e 为被测物镜与显微镜筒之间所加接筒的长度，它等于两像距之差。

2．测量方法

1）将格值为0.01mm 的玻璃尺，放在显微镜的载物台上，装上目镜、被测物镜；

2）将镜筒锁紧在某一刻度值A 1上，并对玻璃尺进行调焦，直至从目镜中观察到清晰的玻璃尺的刻线像；

3）用测微目镜取代目镜，微调物距，获得清晰像面，再测出格值为0.01mm 的玻璃尺1y 间隔的像距1y '，即可求出1

1

1y y '=

β。 4）改变镜筒高度，使镜筒锁紧在另一刻度值A 2，再次进行调焦，又测得格值为0.01mm 玻璃尺上2y 间隔的像2y '，并求出2

2

2y y '=β，这样根据公式即可求出被测显微物镜的焦距。

二、光组的基点和节点测量（选做）

1．原理

每个厚透镜及共轴球面透镜组都有六个基点。即两个焦点F 、F ＇；两个主点H 、H ＇；两个节点J 、J ＇。 1）主面和主点

若将物体垂直于系统的光轴，放置在第一主点H 处，则必成一个与物体同样大小的正立的像于第二主点H ＇处，即主点是横向放大率β＝＋１的一对共轭点。过主点垂直于光轴的平面，分别称为第一和第二主面，如图1中的MH 和M ＇H ＇。

2）节点和节面

节点是角放大率γ=+1的一对共轭点。入射光线（或其延长线）通过第一节点J 时，出射光线（或其延长线）必通过第二节点J ＇，并于J 的入射光线平行（如图2.8）。过节点垂直于主光轴的平面分别称为第一和第二节面。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2.8 透镜组光路示意图

3）焦点、焦面

平行于系统主轴的平行光束，经系统折射后与主轴的交点F ＇称为像方焦点；过F ＇垂直于主轴的平面称为像方焦面。第二主点H ＇到像方焦点F ＇的距离，称为系统的像方焦距f ＇,此外，还有物方焦点F 及焦面和焦距f .

图2.9 测量基点示意图

综上所述，薄透镜的两主点和节点与透镜的光心重合，而共轴球面系统两主点和节点的位置，将随各组合透镜或折射面的焦距和系统的空间特性而异。实际使用透镜组时，多数场合透镜组两边都是空气，物方和像方媒质的折射率相等，此时节点和主点重合。

本实验以两个薄透镜组合为例，主要讨论如何测定透镜组的节点（主点）。 1）方法一：利用放大率法测量焦距的同时确定焦面及主面的位置。当物方和像方媒质相同时，主点和节点重合，J ＇F ＇＝H ＇F ＇＝f '，因此F ＇的位置确定了，J ＇的位置也就确定了。

因此，我们可以通过放大率法测得f '的数值，同时，因为是平行光入射到透镜组上，所以像A ＇B ＇的位置就是F ＇的位置。F ＇的位置既然确定，而J ＇F ＇＝f '，因此J ＇的位置也就确定了。把L.S.的入射方向和出射方向互相颠倒，即可测定F 和J 的位置。

2）方法二：根据光线过节点方向不变的性质寻求实际光学镜头的节点。如图2.10所示，当光学系统绕过相仿节点J ＇且垂直于光轴的轴线正反旋转一角度时，像方焦平面上无穷远物体的像是不会动的。实验寻找节点位置时，将被测镜头装于节点架上，使得镜头可作沿轴移动和垂轴转动。当镜头沿节点架轴线移动到某一位置，且在正反向转动节点架而未见焦面上的无穷远物体的像在横向有所移动时，转轴轴线与光轴的交点即为像方节点。

图2.10 会转轴通过透镜组节点的示意图

2．测量装置

节点测量常采用节点器（也叫节点镜头）进行，实验所用的一种节点器的基本结构如图2.11所示。

F ’

J

J ’