工程光学实验报告

⼯程光学实验报告
⼯程光学实验报告
最⼩偏向⾓法测棱镜折射率
1.测量原理
从⼏何光学可知，棱镜的玻璃折射率n与棱镜顶⾓A及最⼩偏向⾓之间有如下的关系：
在不同波长的单⾊光照明下，在分光仪上测得A和，即可利⽤上式求得
不同波长的玻璃折射率。

2.实验仪器设备
①分光仪：利⽤光的反射、折射、衍射和⼲涉原理进⾏⾓度测量的仪器。

它主要由下列⼏个部分组成：⾃准直望远镜，平⾏光管，载物台，度盘和游标盘。

望远镜通过⽀臂与度盘固定在⼀起，组成仪器的照准部。

它与游标盘和棱镜台可分别绕度盘的垂直轴旋转，转过的⾓度由游标盘和度盘读出（游标精度为1’，度盘每格值为30’），每次读数要在对径⽅向上⼆个游标上读数，然后取其平均值，这样可消除度盘的偏⼼误差，且要在度盘的三个不同位置上读数，以消除度盘的刻度误差，轴的晃动误差等，仪器上各运动部分备有锁紧、微动和调整装置的螺钉。

②光源：
a.⽤钠光灯作照明光源测量D光折射率，钠光谱线λ=0.6328µ。

b.⾃准直望远镜照明光源为6.3伏⽩炽灯及变压器。

3.实验步骤
第⼀步：调整：
①接上光源b；
②⽬镜调焦；
③望远镜调焦，⽤⾃准直法将⽬镜分划板正确地调焦在物镜焦⾯上，即使望远镜物镜对⽆穷远调焦；
a.粗调望远镜光轴，使其位置适中（通过上、下、左、右调节螺钉）；
b.棱镜台上放⼀平⾏平板玻璃，⼯作⾯正对望远镜，观察⽬镜分划板上
⼗字丝与反射回来的像是否同时清晰，若不同时清晰，则移动⽬镜镜管，直⾄同时清晰为⽬。

④使望远镜瞄准轴与度盘轴相互垂直；
当⽤平⾏平板使望远镜调焦⽆穷远时，则锁紧螺钉6，使棱镜台与游标盘连在⼀起，通过⽬镜观察分划板上⼗字丝和其反射像⽔平线是否精确对称，若不对称则⽤半修法校正（即不对称量由望远镜和棱镜台各负责校正⼀半），它可通过调整螺钉达到，然后将棱镜台连同游标盘带平⾏平板转过去180
度，再重复上述步骤校正偏差，通过反复进⾏，逐次趋近，直到平⾏平板⽆论哪⼀个⾯正对望远镜，⼗字线和反射回来的像都对称为⽌，这说明望远镜瞄准轴与度盘旋转轴已垂直，以后的⼯作过程中，不允许再调节望远镜的调节螺旋。

⑤调整平⾏光管光源，使望远镜同轴
a.关掉光源b，打开光源a。

b.平⾏光管调焦：使狭缝像正确地形成在平⾏光管物镜焦⾯上（前⾯移
动狭缝，使望远镜分划板上看到狭缝的清晰像）。

为了便于瞄准，狭缝像的宽度应由调整螺钉9调节到约为分划板上⼗字丝宽度的3倍。

c.以望远镜分划板为基准，调整螺钉，使狭缝像处在视场中⼼，与⼗字
线重合。

⑥调整棱镜棱边与仪器主轴平⾏
关掉钠光灯，接上望远镜灯源，使被测棱镜的折射棱与度盘转轴平⾏，这是校正的最后⼀步，⼜能⽤调整螺钉分别对棱镜的两⼯作⾯进⾏调整，使两⼯作⾯在望远镜的⾃准直像与⽬镜⼗字线呈对称，为了便于调整应把棱镜置于与螺钉对称的位置。

第⼆步：棱镜顶⾓α的测量
棱镜放在承物台上，⽤⾃准直法分别使棱镜的两个折射⾯与⾃准直望远镜的光轴垂直，两次度盘读数之差值，即为棱镜顶⾓的互补⾓值，即
的测量
第三步：最⼩偏向⾓
关掉望远镜光源，打开钠光灯光源，⽤望远镜测定经棱镜折射的狭缝像，当棱镜随着棱镜台转动（游标盘与棱镜台⽤螺钉6固定在⼀起转动）时，在望远镜视场的狭缝像相对⼗字线移动，因望远镜视场有限，为了能始终看到狭缝像，每当狭缝像移动到视场边缘时，望远镜也作相应的转动。

当棱镜发⼀定⽅向转过⼀定⾓度时，会出现⼀个新的现象，即原来沿⼀定⽅向移动的狭缝像此时突然停⽌，若再转动棱镜台则狭缝像沿与原⽅向相反的⽅向移动。

在狭缝像突然停⽌时刻的棱镜位置，即为光束经棱镜后最⼩偏向折射的位置，此时从度盘上⽤游标读取读数B1。

转动承物台棱镜，以顶⾓A的另⼀⾯对向平⾏平板，⽤相同⽅法测定出最⼩偏向⾓位置，读取游标读数B2，两次读数之差即为最⼩偏向⾓
值的2倍，即
这样就提⾼了测量精度。

平⾯系统成像特性
1.实验装置
从氦氖激光器射出的⽔平激光束，经平⾯镜反射后折转90度垂直向上，再经柱⾯镜扩束，成为⼀扇形光束经介质膜分束器中的介质膜分光镜反射后，⼜成⽔平⽅⾯扇形光束与演⽰屏垂直相交，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。

演⽰仪主要由激光器、扩束器、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⾥，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只度盘6，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。

2.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。

3.实验步骤
①接上220V电源，然后顺时针⽅向旋转开关到第⼀档，在正常情况下，激
光管发射出红⾊激光束，若由于电压过低，激光管不能启辉，可转动开关到第⼆档，再不⾏可⽤第三档。

②调整扩束器，扩束器可在座内前后移动，以使扩展后的光束基本上落在分
光镜上，并在演⽰屏需要的部位得到最明亮的光线径迹，如果不需要扩束，只需把扩束器稍稍退出。

③调整分束器，这是⽤来将光线分束的装置，根据需要将光线分成⼆束、三
束、四束或五束。

这时就要使⽤不同⾯数的介质膜分光镜。

为了使分束后的各条光线亮度均匀，每块介质膜分光镜的反射率是⼀样的。

分光镜可以绕⽔平轴线转动，因此可以在演⽰屏上得到各种不同位置的光线途径，也可以根据需要使分束后的光线成为平⾏光线、会聚光束或发散光束。

在调整时，应先拧松固紧镙钉，然后转动分光镜到需要位置，然后再拧紧固紧螺钉。

整个分束器座可绕两顶尖螺钉⼦的轴线转动，以调节分光镜和演⽰屏之间的倾⾓，从⽽可调节演⽰屏上光线的长度和亮度。

调节时，只需转动分束器座上的调节螺钉即可，整个分束器座可沿演⽰屏上的槽作上下移动以适应各种需要。

转动分束器的上、下两只顶尖螺钉上的锁紧螺母松开、退出，然后转动上下两只顶尖螺钉，⼀只退，⼀只进，注意不要将螺钉顶得过紧，以免损坏零件。

④分别把各光学组件插⼊度盘中间的圆孔，组件可相对于度盘转动，以固定
在适当位置。

度盘可连同光学组件⼀起转动。

实验物镜焦距、截距的测定
⼀、实验⽬的
掌握⽤定焦距平⾏光管法测量光学系统焦距、截距的⽅法
⼆、实验内容
掌握测量⽅法，做好测量前的准备⼯作，测量给定的照相物镜、望远物镜和显微物镜的象⽅焦距和截距、物⽅焦距和截距。

三、实验原理
测量焦距的⽅法很多，其中的定焦距平⾏光管法、（即放⼤率法）测量范围⼤，测量精度⾼，相对误差⼀般在1％以下，是⽬前常⽤的⽅法，其测量原理如图1－1
图1－1
是位于平⾏光管物镜焦平⾯上的其中O是平⾏光管物镜，L是被测透镜，y
经过平⾏光管物镜后成像在⽆限远处，再经过被测透镜⼀对刻线的间隔距离。

y
的像y`。

这种⽅法的原理就是通过测量像y`的⼤L后，在它的焦平⾯上得到y
⼩，然后计算出被测透镜的焦距。

从图1－1看出下⾯两个关系式：
⽤作图成像的⽅法很容易得出： w = w`，因此可以得到即：
（1－1）
这就是⽤定焦距平⾏光管法测定焦距所⽤的公式，其中f0` 是平⾏光管物镜的焦距，是已知的。

Y0是位于平⾏光管物镜焦平⾯处的分划板上的⼀对刻线的间隔距离，它的⼤⼩也是事先已知的。

Y`是这对刻线y0经过被测透镜后所成的像，如果能测量出此像y`的⼤⼩，那么就很容易⽤公式（1－1）计算出被测透镜的焦距f `。

利⽤本公式及⽅法，可以测量正负透镜、望远物镜、照相物镜、放映物镜，各种⽬镜的焦距。

应当注意要正确选择测量显微镜的物镜，使之与被测光学系统相匹配。

如测负焦距系统使要选择长⼯作距的显微物镜。

这是因显微物镜的倍率不同，故（1－1）式变化如下
（1－2）
式中：β――――――测量显微镜放⼤倍数
四、实验设备
焦距仪、待测物镜（照相物镜、照相物镜、显微物镜）
图1－2 焦距仪结构⽰意图图1－3 玻罗板1.平⾏光管 2.透镜夹持器 3.测微⽬镜
测量焦距⽤的焦距仪如图1－2所⽰，它包括⼀个平⾏光管、⼀个透镜夹持器、⼀个带有⽬镜的读数显微镜和把它们连在⼀起的⼀根带有长度刻尺的导轨组成1．平⾏光管
常⽤的平⾏光管物镜的焦距有550mm、1000mm和2000mm等。

位于物镜物⽅焦平⾯上可更换的分划板的形式很多、其中⽤于测量焦距的分划板称为玻罗板，图1－3所⽰的是550mm焦距仪所⽤的玻罗板，板上刻有5组间隔不同的平⾏线，它们的间距分别为1、2、4、10和20mm。

焦距为1m时（997.47mm平⾏光管上玻璃板的间隔为5、10、20mm）。

2．带测微⽬镜的读数显微镜
读数显微镜是⽤来测量待测物镜所成像⾼y`的，它由物镜和测微物镜组成，物镜放⼤倍率可以更换，⼀般有0.5、1、2.5和5倍等。

测微⽬镜的结构如图1－
4所⽰，是由⽬镜、固定分划板、活动分划板和螺旋测微读数装置四部分组成。

测微丝杠转⼀圈，活动分划板上刻线移动量为固定分划板刻线的⼀格。

通常测微螺旋的螺距S是0.25～1mm，读数⿎轮⼀圈等分为100格，格值为S/100。

固定分划板上有若⼲等分刻线，其格值与螺距相符。

活动分划板上刻有瞄准⽤的双刻线和叉丝线。

测量时由测微丝杠推动活动分划板，使双刻线和叉丝线对准所选的起始刻线，从固定分划板上读毫⽶数，再从读数⿎轮上读取微⼩读数，然后将双刻线和叉丝线对准最终刻线，依法读数，两次读数之差即为起始到终点的刻线距离。

图1－4
1.⽬镜
2.固定分划板
3.活动分划板
4.螺旋测微读数装置
五、实验步骤
1．将平⾏光管（1）接通电源，注意选⽤低压变压器。

2．将被测的光学透镜夹在透镜夹持器（2）上。

3．选择好测量显微镜的倍率并装在显微镜上。

4．调整平⾏管、被测件、测量显微镜基本同轴。

5．调节测量显微镜，使之在视场中能清楚地看到⽬镜分划板的像，同时调到也能看到平⾏光管玻罗板上的像。

6．⽤测微⽬镜对选定的⼀组刻线读数，⾸先对准该刻线左边⼀条（右边也可），读得⼀个数，再对准另⼀条，读得⼀个数，两个读数之差即为该组刻线经被测物镜所成像之⼤⼩，重复读三遍，取平均值。

7．将测得的数代⼊公式（1—1）计算出被测光学透镜焦距f’来。

8．截距测量：截距是被测物镜后表⾯到该物镜所成像⾯间的距离。

在测焦距的同时，利⽤光具座导轨上长刻度尺测出被测物镜的截距。

图1－5 截距测量⽰意图
在测焦距时，测量显微镜是调焦在被测物镜镜⾯y’上的，这时显微镜处在光具座长刻度尺某⼀位置上记下读数，再将显微镜慢慢地向前移动，直到在显微镜能观察到被测物镜后表⾯的灰尘为⽌，这时显微镜已处在光具座上⼀位置上，也记下读数，⼆次读数之差值，即为显微镜移动的距离S’F,也是被测物镜的后截距S”F，同样将物镜反转180゜，可测出其前截距，测试如图1－5所⽰。

六、思考题
1．不同波长的光源对所测焦距有何影响？
2．请划出所测的物⽅：焦点、焦⾯、主点、主⾯；像⽅：焦点、焦⾯、主点、主⾯来。