浙江大学应用光学实验报告

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本科实验报告
课程名称：应用光学实验
*名：***
学部：信息学部系：光电信息工程学系专业：信息工程（光电系）学号：**********
指导教师：***
2012年5 月11 日
实验报告
课程名称： 应用光学实验 指导老师 岑兆丰 成绩：__________________ 实验名称：典型光学系统实验 实验类型： 设计 同组学生姓名： 乐海滨,王祎乐 一、实验目的和要求（必填）
二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理
六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的和要求
深入理解显微镜系统、望远镜系统光学特性及基本公式； 掌握显微镜系统、望远镜系统光学特性的测量原理和方法。

二、实验内容和原理
(1)望远镜特性的测定
测定望远镜的入瞳直径D 、出瞳直径D ’和出瞳距；测定望远镜的视觉放大率Γ；测定望远镜的物方视场角，像方视场角；测定望远镜的最小分辨
角φ。

对于望远镜系统来说，任意位置物体的放大率是常数，此值由物镜焦距和目镜焦距确定，其视觉放大率可表示为
(2) 显微镜视场及显微物镜放大率的测定 显微物镜的放大率是指横向放大率
式中 y ——标准玻璃刻尺上一对刻线的距离（物）（格值0.01mm ）；
y ′——由测微目镜所刻得的像高。

(3)显微物镜数值孔径的测定 显微物镜的数值孔径为,其中n 为物方介质的折射率，u 为物方半孔径角。

若在空气中n=1,则。

数值孔径通常用数值孔径计来测定，数值孔径计的结构如图5示，其主要元
专业： 光电信息工程
姓名： 龚晨晟 学号： 3100100986 日期：2012年5月11日
地点：紫金港东四605
件是一块不太厚的玻璃半圆柱体，沿直径方向的侧面是与上表面成45度角的斜面，从侧面入射的光线在斜面上全反射，上表面上有两组刻度沿圆周排列。

其外圈刻度为数值孔径（即角度的正弦值），内圈刻度为相应的角度值，以度为单位。

半圆柱体上表面的圆心附近φ8mm范围内镀铝，铝面上有透光狭缝（3），底座（1）上装有一金属框（4），它可绕圆柱轴线转动，金属框的侧面装有一片乳白玻璃（6），上面刻有叉丝，可以通过狭缝（3）看到十字线的反射像。

推动手柄（7），金属框（4）便带着叉丝一起围绕孔径计的圆柱面移动，金属框的上表面装有一块刻有指示线的玻璃（5），指示线在随着叉丝一起运动时通过两组刻度值，所以两组刻度都能反映叉丝的位置。

数值孔径计的45°用以转折光路，若把数值孔径计的光路图拉直则如图6示，狭缝（3）置于被测显微物镜的物面位置，经物镜成像在目镜的物方焦点上，狭缝（3）前面的十字线（6）经物镜后成像在显微镜像方焦面后不远的地方，去掉目镜，人眼位于狭缝的（3）的像面附近，便能看到一个明亮的圆，此即被测物镜的出瞳，出瞳对像面中心的张角为像方孔径角，入瞳对物面中心的张角为物方孔径角。

四、操作方法和实验步骤
一、望远镜特性的测定
1、D、D’、Γ和的测定
图1是望远镜参数的测定装置。

调整步骤：
①将被测望远镜（由物镜L1和目镜L2组成）和数显读数显微镜（由物镜L3和目镜L4组成）固定于光学导轨上；
②前后移动望远镜，改变其与读数显微镜的间距，直至通过读数显微镜能看到一个边缘清晰且完整的圆斑；
③转动测微鼓轮，使其在水平方向移动，当视场里的十字线竖丝切于亮斑两端时，由数显读数装置读取两种状态时的示数，二者之差即为出瞳直径D’；
④出瞳距的测量：记下出瞳在读数显微镜里成像清晰时读数显微镜在光轴方向的位置A1，再微调数显读数显微镜，直至看清玻璃表面的细微结构，记下此时读数显微镜的位置A2； A1`A2之差即为出瞳距的值。

2) 2w的测定
完成上述实验后，取下读数显微镜，调整并使望远镜和广角平行光管共轴。

通过过望远镜观察广角平行光管焦平面上的分划板，所看到的刻度数就是被测望远镜的物方视场范围。

广角平行光管（黑），焦距，分划板格值1mm，由图2可见，只要读取视场范围内的刻度数，就很易计算出2W，并可由以上公式求出2W′；广角平行光管（灰），分划板上有两条刻线，其格值分别为5’和3.6’，所读取的视场范围即是视场角。

3) 最小分辨角φ的测定
将被测望远镜移到高分辨率的平行光管前（焦距550mm），其光路图仍如图2所示，只是其焦平面用标准鉴别率板代替分划板，人眼通过被测望远镜观察，如能将鉴别率板上某一组的四个方向线条同时看清楚，而线条更密更细的更高一组看不清了，则这一组就是望远镜能分辨的最高组数了。

根据所用的鉴别率板号数（3号鉴别率板），可在有关手册（置于实验装置旁）查到刻线组的线条宽度d值，并由下式求出被测望远镜的最小分辨角
本实验所用望远镜是内调焦式物镜，倍数较大，较小故出瞳距也较小。

二、显微镜视场及显微物镜放大率的测定
如图3所示，调整好照明灯和显微镜聚光系统之间的相互位置，以满足显微镜使用时所需要符合的柯拉照明条件，在显微镜载物台上放置一把分划值已知的标准玻璃刻尺（有盖玻片的一面朝向显微镜物镜）。

通过调节手轮上下移动镜筒进行调焦，直到看到刻尺像最清晰为止，取下目镜，换上测微目镜（其结构如图4所示）。

测微目镜除了在焦面上装有一固定的毫米刻尺分划板外，还有一块刻有平分丝和十字线的活动分划板，在精密丝杆的推动下，后者可沿推动的方向移动，移动值可以从固定刻尺上以及测微鼓轮上的刻度读出（前者最小分划值为1mm，后者格值为0.01mm）。

此时若刻尺像的清晰度发生变化，可直接改变抽筒位置重新获得清晰的像。

任意选定刻尺上两条刻线（相隔距离尽可能大些），转动测微鼓轮选定一条刻线a （即置此刻线于平分线的中央），记下此时的，然后再对准第二条刻线b 又得读数，二者读数之差即为两刻线像的间隔大小，物镜的横向放大率为：
在测定显微物镜的放大率的同时，还可以测出显微镜视场的大小。

为此，只需要重新换上目镜，并直接从目镜视场中读出所能见到的最大刻尺长度，此即为显微镜的物方线视场值。

三、显微物镜数值孔径的测定
1) 把数值孔径计放置在显微镜的载物台上，刻度分划线向上，利用调焦手轮上下移动镜筒对准镀铝面上狭缝（3）进行调焦，移动孔径计使狭缝大致落在视场中央。

2) 若被测物镜是低倍的（NA<0.4），测量过程较简单，即取下目镜，换上一个小孔光阑（图7），以便使人眼观测时，保持在固定位置上。

通过小孔光阑便能看到一明亮的圆斑，此即被测物镜的出瞳。

推动数值孔径计的手柄（7），使叉丝像出现在亮斑上，并使叉丝交点正好与圆的左（右）侧相切（如图8），并由指示线按外圈刻度读数NA1，再转动手柄，使叉丝移动至亮斑的另一边缘并与其相切，得另一读数NA2，两次读数的平均值就是被测物镜的实际数值孔径。

3) 若被测的是高倍物镜，因叉丝经物镜所成的像很小而不易看见，为此，需要用辅助物镜。

测量时首先按步骤 a 做，然后拨出抽筒，在抽筒上与目镜相对的一端装上辅助物镜（孔径计附件，见图七），再把抽筒插进镜筒（注意在拨出或推入抽筒时，不得使被测物镜的调节位置变动），插上目镜后，辅助物镜与目镜组成一个辅助低倍显微镜，将辅助显微镜在主镜筒内移动，直到看清楚在被测物镜出瞳附近十字线像，然后按照上述方法进行测量。

五、实验数据记录和处理(注：单位mm)
一、望远镜特性的测定
入瞳直径D＝35mm
项目次数物方视
场角2W
出瞳直
径D′
放大率J 出瞳距
像方视
场角2W’
最小分
辨角φ”
第一次 1.47＇ 1.31 -26.7 4.5 37.9＇第二次 1.50＇ 1.34 -26.1 4.4 34.0＇第三次 1.50＇ 1.32 -26.5 4.4 34.0＇平均 1.49＇ 1.32 -26.4 4.4 35.3＇
二、显微镜视场及显微物镜放大率的测定
显微镜放大率测定：选定的 y=0.1mm
1 7.367 3.056 4.311 43.11
2 5.005 0.628 4.377 43.77
3 6.913 2.548 4.365 43.65
43.51
显微镜视场L的测量
格值 0.01mm
格数 44
视场 L=0.44mm
三、显微物镜数值孔径的测定
1 0.25 0.2
2 0.24
2 0.26 0.22 0.24
3 0.27 0.21 0.24
平均0.26 0.22 0.24
六、实验结果与分析
由望远镜的成像特性可知，望远镜视觉放大率为角放大率，即望远镜的像方视场角得到增大。

在实验中，组员的视觉差异表现得比较明显，尤其是在测量分辨率时，组员读取的最小分辨间隔有较大的差异。

在研究显微镜特性的实验中，准确调焦找到分划板的刻线异常困难。

测量数值孔径实验中，因为光源的原因，难以看到叉丝的中心，这对实验带来了一定的误差。

七、思考题及讨论、心得
1．改变被测望远镜和广角平行光管的相对位置，测量结果会改变吗？为什么？测量结果不会改变，因为平行光管出射平行光，不随相对距离而变化，改变平行光管的相对位置不会造成入射望远镜的光线的变化，因此测量结果不改变。

2．设广角平行光管的视场为30度，能否用来测量实验中被测望远镜的像方视场
角？
不能，因为被测望远镜的视场受到其视场光阑的限制，其视场角远小于平行光管
的视场角。

若以此为入射光，则由计算望远镜像方视场角的最大值远超真实视场范围。

3．如何调节被测望远镜和广角平行光管的同轴性？
若望远镜为内调焦式望远镜，可以用自准直法调节其与平行光管共轴。

而实验室中望远镜可以先调节望远镜与平行光管在同一高度，然后调节望远镜，使能够通过望远镜观察平行光管中的刻度中心读数，前后移动望远镜使视场中心不变即可。

4．为什么数值孔径计上的刻度间隔与孔径计玻璃有关？
因为数值孔径,其中n为物方介质的折射率，u为物方半孔径角。

孔径计的玻璃影响了像方介质折射率，影响了孔径计偏角。