工程光学实验指导书解析

前言

本课程的实验环节其设计思想是与课堂教学相结合，除了进一步巩固和深化学生基础知识之外，以更开放、更灵活的方式培养学生动手能力、合作精神和对工程技术问题的思考方式，形成开放式创新思维。

通过实验，进一步加深对几何光学的基本现象、概念、原理与定律的理解，了解和熟悉有关光学仪器及装置的结构、原理及使用，掌握基本的实验方法和技能，学会用实验的方法分析一些光学现象。

实验是工程光学课程体系的重要一环。实验环节的目标是：使学生能够比较牢固地建立研究意识、工程意识、分工合作的工作方式，培养独立自主地分析和解决问题的能力。本实验教学环节采用模块化实验组合，学生可以小组为单位进行实验，力求培养学生的自主学习与创新能力和团队协作精神。

基本要求：

要求实验前做好预习，理解每个实验的原理、步骤；实验时正确操作仪器，认真观察各种实验现象，仔细记录、分析数据；实验结束后及时做好实验报告。

主要内容：

模块一光组的成像特性 (2)

模块二光组的焦距测量 (6)

模块三典型光学系统设计及特性测量 (8)

附录 (11)

思考题 (16)

模块一光组的成像特性

实验目的

1.验证物像位置关系，深入了解透镜成像特性。

2.掌握望远镜、显微镜、复合透镜的组合方法。

3.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。※透镜成像特性

1. 实验仪器及设备

指标、透镜架、透镜、成像屏、光具座、照明系统。

图1 透镜成像特性实验装置

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：

（1）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：

（2）

3.实验内容与步骤

取一正透镜使物体（指标）位于①②③④；取一负透镜使物体位于①②③④。分别记录物体经透镜所成像的大小、正倒及位置。

※光组组合

1. 实验仪器及设备

六只正透镜、二只负透镜、光具座、一只平行光管、平面反射镜、投影屏。在平行光管物镜的物方焦平面上置一块带指标的分划板，分划板通过物镜成像于无穷远，即可在实验室条件下提供“无穷远物体”。

图2 光组组合实验装置

2.实验内容

①组合4倍的开普勒望远镜，目镜焦距50mm。

②组合4倍的伽利略望远镜，目镜焦距-50mm。

③组合一显微镜，放大倍率为15倍，目镜焦距为50mm，物镜的共轭距为180mm。

④有限焦距物镜与望远镜的组合（开普勒望远镜）。

⑤二块正、负透镜在间距不变的条件下交换它们的前后位置，分别构成二组组合物镜(）。

⑥观察二个正透镜的组合焦距随间隔的变化规律。

3.实验步骤

①用一块焦距为200mm的正透镜，放在十字物体前，取一块平面反射镜置于透镜前，这时在十字物体旁有一反射像，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，这说明物体已位于透镜的焦平面上，射出平行光，这就在实验室条件下提供了“无穷远物体”，这种方法叫自准直法。

②组合4倍的开普勒望远镜，先计算出当时物镜的焦距，然后用自准直法使

物镜的像方焦点和目镜的物方焦点相重合，即为开氏望远镜。

③有限焦距物镜与望远镜的组合（开普勒望远镜），在以上组成的开普勒望远镜系统前、后放一块已知焦距的透镜，然后分析放在前后位置的不同情况。

④组合4倍的伽利略望远镜，先计算出当时物镜的焦距，用一任何焦距的正透镜放在平行光管前，先在光屏上成一清晰的像，然后将组合的伽利略望远镜系统放在平行光管和透镜之间，并改变系统之间距，直至在光屏上又出现清晰像，此时即为伽利略望远镜。

⑤分离正、负透镜的组合。计算一下的两块透镜，在相距多少间距时组合的焦距为正，才能成实像，或用实验方法改变二透镜之间距，直至在光屏上成像，然后记下此时二透镜的间距，再交换二组组合物镜的前后位置，使间距不变，观察这时有何现象。

⑥取二个任意焦距的正透镜，然后观察二个正透镜的组合焦距随间隔的变化规律。

⑦组合放大率为15倍的显微镜系统。由目镜焦距为50mm，先计算出目镜的放大率，再算出物镜的放大率，然后考虑当共轭距为180mm时应选用多少焦距的透镜作为物镜，先在物体前放置光屏，使其间距为180mm，再在其间放置作为物镜的透镜，移动透镜，使在光屏上成一清晰像，然后在光屏前放置透镜作为目镜，用自准直法将物镜的像成在目镜的焦平面上，取下光屏用眼睛直接观察物体，此时已组成15倍显微镜系统。

※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。

图3 平面系统成像特性实验装置

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。