工程光学实验指导书

一、实验目的 1．掌握望远系统的入瞳、出瞳及出瞳距的测量方法。 2．掌握望远系统放大率的测量方法
二、实验用的仪器 望远镜、光具座、测量显微镜、平行光管
三、望远镜入瞳 D、出瞳 D' 及出瞳距 P' 的测量 1．入瞳 D 的测量： 测量入瞳直径 D，对于简单望远镜来说，孔径光阑和入射光
瞳就是物镜镜距，其直径 D 可用量规或长尺直接测出，也可采用 测量显微镜进行测量，测量时注意要对镜框直径的两端逐个调焦， 显微镜的横向移动量，就是入射光瞳的直径 D。
工程光学实验指导书
燕山大学电气工程学院仪器科学与工程系
2007 年 9 月
目录
1． 光学实验守则 2． 实验报告要求 3． 试验一 物镜焦距的测定 4． 实验二 望远系统参数的测定 5． 实验三 光学系统成像质量的测量 6． 实验四 用麦克尔逊干涉仪测量纳光的波长
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光学实验守则
1． 请准时进入实验室。保持室内卫生。与实验无关的位物品不 准带入实验室。
平行光管物镜
被测物镜
2ω
2ω '
L'F
− fc
f'
图1-1 测正透镜焦距的原理图
图 1-1 是测量原理图。其中 0 是平行光管的物镜，L 是被测 透镜， y0 是位在平行光管物镜焦平面上的一对刻线的间隔距离。 y0 经过平行光管物镜后成象在无限远处，再经过被测透镜 L 后， 在它的焦平面上得到 y0 的象 y' 。这种方法的原理就是通过测量象 y' 的大小，然后计算出被测透镜的焦距的。
（1）在检测时对选择显微镜系统应注意什么要求或什么原 则？
（2）试推倒目视分辨率的计算公式（3-1）。
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分辨率板号
单元号码
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
表 3-1 分辨率板基本参数表
2号
条纹宽度 1 毫米内条
（1）调整光路，使平行光管、被测物镜和显微镜三者光轴基 本同轴。在平行光管焦平面上放上分辨率板。并把平行光管调焦 无穷远规正值处，接通电源。用手使装于物镜夹持器中的被测物 镜使夹持器的水平轴旋转。观察平行光经物镜所成象点的运动情
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况，如象点不动。则表示被测物镜光轴与平行光管的光轴重合（此 装置已保证夹持器的水平轴与平行光管的光轴重合）。
D—望远镜的入瞳直径 D' —望远镜的出瞳直径
望远镜光路图
f 物，—望远镜的物镜焦距
f目，—望远镜的目镜焦距 根据以上公式。只要任意测得对应的一组数据即能计算出望
远系统的放大率 P 值。
1、 实验方法：
（1）测量入瞳和出瞳由公式（2-2）可知视角放大率等于入
瞳和出瞳之比。本法，前面望远镜的 D 和出瞳 D' 测量方法相同。
的原理。 （2）观察各种干涉条纹（等倾条纹、等厚条纹），通过实验
巩固和加深对干涉理论的认识。 （3）学会测量光波波长（以纳光为例）的方法。
二、实验用的仪器 麦克尔逊干涉仪、钠光灯
三、 实验原理 麦克逊干涉仪利用分振幅法产生双光束干涉，如图 1 所示：
1
2
3
04
4
图 1-4 测微目镜结构图 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。 2. 将被测的光学透镜夹在透镜夹持器（2）上。 3. 调整平行光管、被测透镜、测量显微镜基本同轴。 4. 测量显微镜，使之在视场中能清楚地看到目镜分划板的象
图 1-3 玻罗板 2. 带测微目镜的读数显微镜
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读数显微镜是用来测量待测物镜所成象的象高 y' 的，它由物 镜和测微目镜组成，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。测微丝杆转一 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。固定分划板上由若干等分刻线，其格值与螺距相等。 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 杆推动活冬分划板，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 始到终刻线的间距。
（2）测量物方视场角 ω
和象方视场角ω ' 利用公式
tgω ' E=
而
tgω
求出望远镜的视角放大率。测量装置原理如图 2-1 所示。
2、 思考题：
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（1） 你怎样证明望远镜物镜镜框内径就是入射光瞳 D? （2） 还有什么方法测量望远系统的放大率。举例说明？
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实验三 光学系统成象质量的测量
一、实验目的 掌握定量测量光学系统象质的一种方法分辨率法。
2． 要认真预习实验内容，按老师的要求做好实验预习报告，无 预习者不得做实验。实验后按要求、按时完成实验报告。
3． 实验时首先检查所用仪器设备是否齐全完好。了解仪器正确 使用方法。不了解仪器的结构和操作方法时不得动用仪器设 备。
4． 接通电源时，应注意电源电压，要真确选用仪器所需的相应 变压器。防止损坏仪器及触电的危险。
二、实验用的仪器 光具座、平行光管、测量显微镜、分辨率板、照相物镜、望
远物镜。 三、实验原理
分辨率长期以来都作为评定光学系统成象质量的标志，它能 给出数量的大小，一般应用比较广泛，评定象质为必测项目之一。
由于光本质上是电磁波。所以一个发光物点经过光学系统成 象。即使是理想的光学系统，由于光的衍射，所成的象已不再是 一个点而是一个衍射象。如果有两个发光物点，则经过光学系统 后形成两个上述这样的亮斑。根据实验证明，当两个衍射象靠近 到其中一个中央亮斑的中心和另一个衍射象的第一个暗环相重合 时，正是刚好能分辨出两个象的时候如图 3-1 所示。此时最暗和 最亮照度之比为 0.74:1，把光学系统能够区分或分辨非常靠近的 物体细节的能力称为光学系统的分辨率。
7.07
70.7
6.67
74.9
6.30
79.4
5.95
84.1
5.61
89.1
5.30
94.4
5.00
100
3号
条纹宽度 1 毫米内条
（μm）
纹数
40.0
12.5
37.8
13.2
35.6
14.0
33.6
14.9
31.7
15.7
30.0
16.6
28.3
17.7
26.7
18.7
25.2
19.8
23.8
从图 1-1 种可看出有下面两个关系式：
y0 = tgω 2 f0′
y' 2f '
= tgω '
用作图成象的方法很容易得出：ω = ω ' ，因此可以得出：
y0 = y' 2 f0′ 2 f '
即： f ' = f ′ y' y0
（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，
f
' 0
5
班级： 姓名：
学号： 年月日
4
实验一 物镜焦距的测定
一、实验目的
焦距是光学透镜及光学系统的最基本的特性参数之一。其实
际焦距值与理论计算值存在一定的偏差。为了控制其精度，就必 须对零件或系统进行具有一定精度的测量。本实验就是使同学们 掌握用定焦距平行光管法测量光学系统焦距的方法。
二、试验用的仪器
光具座、准直管（F550 平行光管） 三、测量原理
光学系统分辨率的测量就是依据以上原理。做成各种形式分 辨率板作为目标物放在物平面位置。人眼通过放大镜或显微镜观 察或在被测物镜象平面上的分辨率板的象，以刚能分辨开两线之 间的最小距离 6（毫米）的倒数为被测物镜的目视分辨率。两种 常用的分辨率板的图样如图 3-2 所示，本实验用图 3-2 中的 a 为 透射式分辨率板。 四、实验步骤
（3）观察放在平行光管焦平面上的分辨率版图案，已能分辨 开四个方向线条最密的一个单元为分辨极限，读出该单元号码， 即可从附表中（讲义中附表）查出每毫米条纹数 N 0 ，利用下式即
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可求物镜的目视分辨率。
N目= N 0 （
f
，
平）
f,
f 平，—平行光管物镜焦距（mm）
f—被测物镜焦距（mm） 四、思考题：
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象，如果能测量出此 象 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 f0' 。 四、仪器描述
测量焦距用的仪器如图 1-2 所示。
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（4） 记录实验数据并进行ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ据处理。
五、 望远系统放大率的测量：
望远系统放大率即为可见放大率或者称为视角放大率。由几
何光学可知用 r 表示视角放大率有如下关系：
tgω ' r=
=
D
=
f 物′
tgω D' f目
（2-2）
物镜（孔径光阑）
视场光阑
ω1'
目镜 出射光瞳
D
D'
f1
− f2
图 2-1
式中：ω —望远镜物方视场角 ω ' —望远镜象方视场角
1 2 3 45
1
6
11
16
21 图 3-1
53 37