光学仪器的原理与测量方法
《光学测量技术》课件_光学测量试验
2. 五棱镜法 理想的五棱镜有如下特点:在五棱镜的入射光轴截面内， 不同方向入射的光线经五棱镜后，其出射光束相对入射光束 折转 90° 。五棱镜法即是利用了这一特点来对平行光管进 行调校的。调校原理如实验图 1.2 所示。
实验图 1.2 五棱镜法调校平行光管的原理图
实验图 1.2 五棱镜法调校平行光管的原理图
实验图 2.1 V 棱镜法测折射率原理图
待测试样应磨出两个互成 90° 的平面，置于 V 形缺口 内，为使两者的表面很好地贴合，其间加入少量的与试样折 射率大致相同的折射浸液。
单色平行光垂直 AB 面射入，经 V 棱镜和试样，最后 从 CD 面射出，若待测试样折射率 n 与 n V 相同，则入射的 单色平行光将不发生任何偏折地从 CD 面射出，此时仪器的 度盘有一零位读数。若 n ≠ n V ，出射光线相对于入射光线 将有偏角 θ 。显然 θ 角的大小、正负与n 有关。测量出 θ 角， 则待测试样在测量条件下对某一波长的折射率为
到待测试样对各单色光的折射率， 并求得色散值。
四、 测量误差分析 折射率的测量标准偏差为
式中: σn V 为 V 棱镜的折射率 n V 的标准偏差; σ θ 为偏折角 θ 的测量标准偏差。
式(7 )中的微商可由式( 6 )求得
偏折角 θ 的测量标准偏差包括下述三个因素:对准望远 镜的单次对准标准偏差 σ 1 、度盘刻线的标准偏差 σ 2 以及
二、 实验内容及所用器具 (1)用钢珠式环形球径仪分别测量凸、凹球面的曲率半 径。 (2)用 3C 型自准球径仪分别测量凸、凹球面的曲率半径。 (3)所用器具:钢珠式环形球径仪， 3C 型自准球径仪， 平晶，待测凸、凹球面光学零件。
三、 实验原理及方法 1. 环形球径仪测量曲率半径的原理和方法 1 )环形球径仪的测量原理 钢珠式环形球径仪测量曲率半径是通过测量球面某一特 定弦所对应的矢高，间接测得该球面的曲率半径的。由实验 图 3.1 ( a )、( b )所示的几何关系可得
凸透镜测焦距的方法
凸透镜测焦距的方法凸透镜是光学仪器中常用的一种，具有聚光作用，可以将光束汇聚到一个点上。
测量凸透镜焦距的方法有很多种，下面介绍其中两种常用的方法：一、光屈法1. 实验原理凸透镜的焦距是指光线垂直于透镜主轴所成的折射光线都汇聚于一点，这点就是透镜的焦点。
所以在光线垂直于透镜主轴的条件下，可以通过移动屏幕和透镜的位置，使得屏幕上的像清晰锐利，测得透镜到屏幕的距离即为焦距。
2. 实验步骤（1）在透镜两侧的光路上分别放置光源和屏幕。
（2）用白纸遮住屏幕左侧，使光线只从透镜右侧射入，并调整高度，保证光线经过光源后垂直射向透镜。
（3）在屏幕右侧，离透镜很近的位置放置一个小的物体（如钉子）作为物点。
（4）移动屏幕的位置，找到一个屏幕上的清晰的像，将透镜沿主轴向左或向右移动，使屏幕上的像清晰锐利，记录下透镜到屏幕的距离，并测量透镜的厚度D。
3. 实验注意事项（1）光源和屏幕要固定在同一个平面上。
（2）尽量保证光线垂直于透镜主轴。
（3）通过调整屏幕位置，使得像越小越清晰。
（4）测量时要记录下不同位置的数据以计算平均值。
二、自由空间法凸透镜的焦距是指从透镜凸面到透镜焦点的距离，可以通过一束平行光线穿过透镜后在一点汇聚来测定。
假设入射光线平行于透镜主轴，经过透镜后汇聚于主轴上某点，该点在焦点之上。
设入射光线与主轴的交点为A，透镜某点为B，汇聚光点为C，焦点为F，垂直主轴的距离为h，AB=BC=D，AC=焦距f，则有如下关系式：h/f = D/2f即焦距f等于透镜到点B的距离。
（1）用白纸挡住光源的边缘，调节光源反射到透镜上的光线，使其平行于透镜主轴。
（2）调节透镜和屏幕位置，使透镜中心和物体、屏幕在同一直线上，且透镜与光源之间的距离大于透镜的焦距。
（3）在屏幕上找到一个清晰的像，测量透镜到屏幕的距离L。
（5）透镜的焦距f可以通过公式计算得到：f = (D^2 - Ll)/4D其中，D为透镜的厚度。
（2）凸透镜的中心和物体、屏幕在同一直线上。
光学干涉仪原理
光学干涉仪原理光学干涉仪是一种用于测量光波干涉现象的仪器，通过干涉现象可精确测量物体的形状、薄膜的厚度以及表面质量等。
本文将介绍光学干涉仪的原理及其基本构造。
一、原理介绍光学干涉仪的工作原理基于光波的干涉现象。
当两束光波相遇时，会出现相长干涉和相消干涉。
相长干涉产生的干涉条纹明暗变化规律与光波的波长、两束光的相位差相关，从而可以推导出被测物体的相关参数。
二、干涉仪的基本构造光学干涉仪的基本构造包括光源、分束器、干涉装置和检测器等组成部分。
1. 光源：光源是光学干涉仪的起始源头，通常使用激光器或白光。
2. 分束器：分束器将来自光源的光束分成两束，一束经过参考路径，另一束经过待测路径。
分束器可以由半透明镜或光栅等组成。
3. 干涉装置：干涉装置包括参考路径和待测路径。
参考路径上的光波与待测路径上的光波相遇后产生干涉现象。
常用的干涉装置有弗朗索龙干涉仪和迈克尔逊干涉仪等。
4. 检测器：检测器用于检测干涉现象，一般采用光电二极管或光电探测器等。
三、具体测量原理不同类型的光学干涉仪采用不同的测量原理，下面将以迈克尔逊干涉仪为例进行具体说明。
迈克尔逊干涉仪由光源、分束器、干涉装置和检测器组成。
原理是利用分束器将来自光源的平行光束分成两束，一束经过参考路径的反射后与待测路径经过反射得到的光束相遇，形成干涉现象。
当两束光波相遇时，由于两束光波经过不同的路径，会存在相位差。
相位差与光波的波长以及路径差相关。
如果两束光波到达检测器时相长干涉，则形成明纹；如果相消干涉，则形成暗纹。
通过检测干涉条纹的明暗变化规律，可以计算出被测物体的形状或者薄膜的厚度。
在迈克尔逊干涉仪中，通过改变待测路径的光程差（即路径差的变化），可以得到一系列干涉条纹图案。
根据干涉条纹的变化规律，可以推导出待测物体的参数。
四、应用领域光学干涉仪广泛应用于各个领域，包括物理学、天文学、工程学以及生物医学等。
1. 物理学领域：用于测量光源的相干性、光波的波长以及光的干涉衍射现象等。
光学尺的工作原理
光学尺的工作原理光学尺是一种用于测量长度或位置的光学测量仪器，其工作原理主要基于光的干涉现象。
光学尺的主要组成部分包括光源、刻度尺、光电探测器以及信号处理电路等。
光学尺的工作原理可以简单概括为：光源发出的光经过刻度尺的刻线后，被光电探测器接收并转换成电信号，经过信号处理电路处理后，最终得到与被测长度或位置相关的输出信号。
光学尺的光源通常采用激光二极管或LED等光源。
激光二极管的优点是光束较为集中，能够提供稳定的光源，而LED的优点则是使用寿命长。
光源发出的光经过透镜聚焦后，照射到刻度尺上。
刻度尺是光学尺的重要组成部分，其上通常有平行排列的刻线，刻线之间的间距非常小，一般在微米或纳米级别。
刻度尺的刻线可以是光栅、光柱或者光点等形式，每个刻线都代表一个固定的长度或位置。
当光经过刻度尺的刻线时，会发生光的干涉现象。
干涉现象是指光波的叠加效应，当两束光波在相遇时，互相干涉形成明暗交替的干涉条纹。
干涉条纹的间距与光波的波长以及刻度尺上刻线的间距有关。
接下来，光经过刻度尺后，被光电探测器接收并转换成电信号。
光电探测器通常采用光电二极管或光电三极管等光敏元件。
当光照射到光电探测器上时，光敏元件内的电荷会产生变化，从而产生电流或电压信号。
光电信号经过光电探测器后，需要经过信号处理电路进行放大、滤波和数字转换等处理。
信号处理电路可以将光电信号转换为与被测长度或位置相关的数字信号，以便后续的数据处理和显示。
通过对输出信号的分析和处理，可以得到与被测长度或位置相关的测量结果。
光学尺通常具有高精度、快速响应和非接触式测量等优点，广泛应用于机械制造、半导体加工、光学仪器等领域。
光学尺的工作原理基于光的干涉现象，通过光源、刻度尺、光电探测器和信号处理电路等组成部分，将光信号转换为与被测长度或位置相关的输出信号。
光学尺具有高精度、快速响应和非接触式测量等特点，在工业生产和科学研究中具有重要的应用价值。
光的干涉、衍射和偏振实验测量及其在光学仪器中的应用
实验目的：验证光的干涉现象 实验原理：利用两束相干光波的叠加产生干涉图样 实验器材：分束器、干涉仪、激光器等 实验步骤：调整干涉仪，使两束光波相遇产生干涉图样，观察并记录实验结果
实验目的：研究光的偏振现象，了解偏振光的特点和应用
实验原理：通过偏振片和检偏器的组合，观察光的干涉和衍射现象，了解光的偏振状态
干涉仪器的种类： 双缝干涉仪、薄 膜干涉仪等
干涉仪器的应用： 测量长度、厚度、 折射率等物理量
干涉图样的形成： 通过干涉现象产生 明暗相间的条纹
干涉仪器的特点： 精度高、测量准 确、稳定性好
偏振镜：用于消除眩光和反射光，提高图像清晰度 偏振分束器：将一束光分成两束偏振方向不同的光 偏振控制器：用于调整光的偏振状态，实现光的方向控制 偏振检测器：用于检测光的偏振状态，常用于物理实验和光学测量中
实验结果：通过实验，可以观察到光的干涉和衍射现象，了解光的偏振状态，为光学仪器中的应用提 供基础。
环境因素：温度、 湿度、气压等环境 因素对实验结果的 影响
光源稳定性：光源 的波动或不稳定会 导致干涉条纹的移 动或变形
光学元件的误差：反 射镜、分束器等光学 元件的误差会对干涉 条纹的形状和位置产 生影响
实验步骤： a. 准备实验器材：偏振片、检偏器、光源、屏幕等 b. 将偏振片和检偏器组合在一起，调 整角度 c. 打开光源，观察干涉和衍射现象 d. 记录实验结果，分析偏振光的特点和应用
● a. 准备实验器材：偏振片、检偏器、光源、屏幕等 ● b. 将偏振片和检偏器组合在一起，调整角度 ● c. 打开光源，观察干涉和衍射现象 ● d. 记录实验结果，分析偏振光的特点和应用
致误差
误差来源：仪器误差、环境因素、人为误差 减小误差方法：提高仪器精度、改善实验环境、规范操作流程 误差分析的意义：提高实验结果的可靠性和准确性 减小误差的方法：多次测量求平均值、改进实验方法
立式光学计实验
• 七、思考题 • 1、为什么要在被测工件的三个截面和两个方向上 进行测量？ • 2、为什么需要用验收极限来判断工件的合格性？ • 3、通过本实验，你在哪些方面有提高？ 仪器保养：使用精密仪器应注意保持清洁，不用时宜 用罩子套上防尘。 使用完毕后必须在工作台、测量头以及其他金属表面， 用航空汽油清洗、拭干，再涂上无酸凡士林。 光学计管内部构造比较复杂精密，不宜随意拆卸，出 现故障应送专业部门修理。 工件、量块、工作台和光学镜头避免用手指碰触，以 免生锈。
图3-8
内径百分表(定位护桥式）
1-测量头 2-可换测头 3-主体 4-表架 5-传动杆 6-弹簧 7-量表 8-杠杆 9-定位装置 10-螺母
图3-9 杠杆百分表
1-齿轮 2-扭簧 3-表针 4-扇形齿轮 5-杠杆测头 6-表夹头
三、计量器具的选择
• 综合考虑加工和检验的经济性 • 1、与工件的外形、位置、尺寸的大小及经济参数特性相 适应。 • 2、考虑工件的尺寸公差，保证测量精度要求，又符合经 济性要求。 • 例3-2 轴类工件,试确定验收极限和选择计量器具。 • 解：（1）确定安全裕度A • 工件公差 T=0.039mm, 公差等级为 IT8, A=1/10T,A=0.0039. • （2）确定验收极限 • 内缩（遵守包容原则） • 上验收极限=最大极限尺寸-A=49.9711mm. • 下验极限=最小极限尺寸+A=49.9399mm. • （3）选择计量器具 • 选用分度值为0.005mm的比较仪符合1挡要求。
测量最大长度180mm； 测量范围±0.1 mm 分划板分度值1μ m； 总放大倍数x 1000
三、测量原理 立式光学计（又称为立式光 学比较仪）是一种精度较高 且结构简单的常用光学仪器。 在仪器上以量块作长度基准， 用比较测量法测量工件的外 形尺寸。右图为仪器的外形 图。仪器由底座1、 立柱2 、 调节螺母3、支臂4、支臂锁 紧螺钉5、光学计管6、凸轮 微调手柄7、锁紧螺钉8、测 头提升杠杆9、测头10和工 作台11等部件组成。
迈克尔逊干涉仪实验原理
迈克尔逊干涉仪实验原理迈克尔逊干涉仪是一种利用干涉现象测量光波长、长度和折射率的仪器。
它由美国物理学家迈克尔逊于1881年发明，是一种非常重要的光学仪器，被广泛应用于科学研究和工程实践中。
干涉仪的原理是利用光的干涉现象来测量光的性质和测量被测物体的长度，是一种非常精密的测量仪器。
迈克尔逊干涉仪的实验原理主要是基于干涉现象。
当两束光波相遇时，它们会发生干涉现象，即相位差引起的光强的变化。
迈克尔逊干涉仪利用分束镜将一束光分成两束光，经过两条不同的光路，再经过合束镜合成一束光，使得两束光发生干涉。
当两束光的光程差为整数倍的波长时，它们将相干叠加，产生明纹；当光程差为半波长的奇数倍时，它们将发生相消干涉，产生暗纹。
通过观察干涉条纹的位置和数量，可以推导出光的波长、被测物体的长度以及折射率等物理量。
在迈克尔逊干涉仪实验中，需要注意的是保证光源的稳定性和一致性。
光源的稳定性直接影响到实验结果的准确性，因此需要选择稳定的光源，如激光。
同时，光路的稳定性也是非常重要的，需要保证光路的长度和光学元件的位置保持稳定，避免外界因素对实验结果的影响。
除了测量光的波长和长度，迈克尔逊干涉仪还可以用于测量折射率。
当被测物体的折射率发生变化时，光的光程也会发生变化，从而导致干涉条纹的位置发生移动。
通过测量干涉条纹的移动量，可以推导出被测物体的折射率。
这种方法被广泛应用于实验室中测量各种材料的折射率，对材料的研究和应用具有重要意义。
总之，迈克尔逊干涉仪是一种非常重要的光学仪器，它利用光的干涉现象来测量光的波长、长度和折射率，具有非常广泛的应用价值。
在实际应用中，需要注意保证光源和光路的稳定性，以获得准确的实验结果。
迈克尔逊干涉仪的实验原理和方法对于光学研究和工程应用具有重要意义，对于推动光学领域的发展具有重要作用。
第4章光学仪器的基本原理(第1讲)
为f ’： 1 1 1 f ' 2(m)
f ' s' s
光焦度 ： 1 0.5(D)
f'
50度的近视眼镜。
§4.1 人的眼睛
第四章 光学仪器的基本原理
2、远视眼的矫正
方法：使放在明视距离处的物体经 凸透镜成像在被矫正眼的近点上。
例子 某人的近点为50cm。应戴 的凸透镜的焦距f ’ 为：
放大本领 、聚光本领、分辨本领
§4.1 人的眼睛
一、人眼的构造
1、从前到后，角膜前 房虹膜（中心为瞳 孔）晶状体玻璃 体视网膜。
2、眼睛有视觉暂留作用， 时间一般为简化眼模型
人眼可视为只有一个折射球面的简化眼。曲率半径为 5.7 mm；眼折射率为4/3；光焦度为58.48 m-1;物方焦距为17.1 mm；像方焦距为22.8 mm。
§4.1 人的眼睛
第四章 光学仪器的基本原理
三、非正常眼的矫正
睫状肌完全放松时，眼睛看清楚的最远点，称远点；肌 肉最紧张时看清的最近点，称近点。
远点为无穷远处，近点则为25 cm。
1、近视眼的矫正
方法：戴凹透镜，使无穷远处的
物体经凹透镜发散成一虚像在有限
远处，从而看清远物
例子 如某人近视眼的远点在2m，则应戴凹透镜，其焦距
1 1 1 f ' 50(cm) f ' s' s
光焦度： 1 2(D) 即200度的远视眼镜。
f'
3、散光眼
散光眼轴上的物点将成为两条像线，矫正的方法是戴一 柱状透镜，使其与眼的像散作用相反而相互抵消。
§4.1 人的眼睛
第四章 光学仪器的基本原理
第四章 光学仪器的基本原理
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光学仪器的原理与测量方法
光学仪器是利用光学原理和技术来进行测量、观测和探测的设备，
广泛应用于科研、制造、医疗及通信等领域。
本文将从原理和测量方
法两个方面介绍光学仪器的相关知识。
一、光学仪器的原理
1. 光的传播方式：光在真空中传播速度为光速，经过不同介质会发
生折射、反射、散射等现象。
光学仪器利用光的传播方式来实现测量
和观测的目的。
2. 光的干涉与衍射：干涉是指两束光波的叠加产生明暗条纹的现象，衍射是指光通过孔径或物体边缘时发生的弯曲或偏折现象。
干涉与衍
射现象的利用使得光学仪器可以测量光的波长、距离等参数。
3. 光的吸收与发射：光与物质相互作用时，会发生吸收与发射。
利
用光的吸收与发射特性，光学仪器可以实现物质成分的分析和检测。
4. 光的偏振：光的偏振是指光波中电场振动方向的特点。
光学仪器
利用光的偏振性质，可以实现对偏振光的测量和调整。
5. 光的相干性：光的相干性是指光波间相位关系的统计特性。
利用
光的相干性，光学仪器可以提高图像的清晰度和分辨率。
二、光学仪器的测量方法
1. 光强测量：光强测量是指对光波的强度进行定量测量。
常见的光
强测量方法有光电池测量、光功率计测量等。
光电池测量利用光电效
应将光信号转化为电信号，通过测量电流或电压来间接计量光强。
光
功率计测量则基于光辐射效应，通过测量光在单位时间内通过的能量
来获得光强。
2. 光谱测量：光谱测量是对光的频率或波长进行测量的方法。
光谱
仪是光学仪器中常用的光谱测量装置，可以将光信号分解为不同频率
或波长的成分，从而获得光谱图像。
光谱测量广泛应用于物质成分的
分析、光源标定等领域。
3. 光相位测量：光相位测量是指对光波的相位进行测量的方法。
通
过光的干涉现象，可以实现光波的相位测量。
常见的光相位测量方法
有干涉仪测量、迈克尔逊干涉仪测量等。
光相位测量在光学工程中具
有重要的应用，如光学薄膜厚度测量、光学表面形貌测量等。
4. 光学显微镜：光学显微镜是一种通过光学放大来观察微小物体的
仪器。
它利用光的折射、透射、吸收等原理，通过物镜、目镜等光学
组件对样品进行放大和成像。
光学显微镜广泛应用于生物学、材料学
等领域。
5. 激光测量：激光测量是利用激光的特性进行测量的方法。
激光具
有高亮度、纳秒脉冲宽度等特点，可实现高精度的测量。
常见的激光
测量方法有激光干涉仪测量、激光干涉测距等。
激光测量在工业制造、地质测量等领域有着广泛的应用。
综上所述，光学仪器凭借其原理和测量方法的多样性，成为现代科
学技术发展中不可或缺的工具。
通过对光学仪器的研究和应用，我们
可以深入理解光的性质，实现对光学信号的准确测量和分析，推动光学技术的不断发展和创新。