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。