工程光學實驗指導

1、實驗一 物鏡焦距、截距的測定一、實驗目的掌握用定焦距平行光管法測量光學系統(tǒng)焦距、截距的方法二、實驗內(nèi)容掌握測量方法，做好測量前的準備工作，測量給定的照相物鏡、望遠物鏡和顯微物鏡的象方焦距和截距、物方焦距和截距。三、實驗原理測量焦距的方法很多，其中的定焦距平行光管法、（即放大率法）測量范圍大，測量精度高，相對誤差一般在 1以下，是目前常用的方法，其測量原理如圖 11。圖 11焦距截距的測定原理圖其中 O 是平行光管物鏡，L 是被測透鏡，y0 是位于平行光管物鏡焦平面上的一對刻線的間隔距離。y0 經(jīng)過平行光管物鏡后成像在無限遠處，再經(jīng)過被測透鏡 L 后，在它的焦平面上得到 y0 的像 y。這種方法

2、的原理就是通過測量像 y的大小，然后計算出被測透鏡的焦距。從圖 11 看出下面兩個關(guān)系式，用作圖成像的方法很容易得出：w=w （11）這就是用定焦距平行光管法測定焦距所用的公式，其中 f0是平行光管物鏡的焦距，是已知的。Y0 是位于平行光管物鏡焦平面處的分劃板上的一對刻線的間隔距離，它的大小也是事先已知的。Y是這對刻線 y0 經(jīng)過被測透鏡后所成的像，如果能測量出此像 y的大小，那么就很容易用公式（11）計算出被測透鏡的焦距f。利用本公式及方法，可以測量正負透鏡、望遠物鏡、照相物鏡、放映物鏡，各種目鏡的焦距。應當注意要正確選擇測量顯微鏡的物鏡，使之與被測光學系統(tǒng)相匹配。如測負焦距系統(tǒng)使要選擇長工

3、作距的顯微物鏡。這是因顯微物鏡的倍率不同，故（11）式變化如下 （12）式中：測量顯微鏡放大倍數(shù) 四、實驗設備焦距儀、待測物鏡（照相物鏡、照相物鏡、顯微物鏡） 焦距儀結(jié)構(gòu)示意如圖12，它包括一個平行光管、一個透鏡夾持器、一個帶有目鏡的讀數(shù)顯微鏡和把它們連在一起的一根帶有長度刻尺的導軌組成。 圖 12焦距儀結(jié)構(gòu)示意圖1.平行光管、2.透鏡夾持器、3.測微目鏡組成 1平行光管本實驗采用的平行光管物鏡的焦距為550mm。位于物鏡物方焦平面上可更換的分劃板的形式很多、其中用于測量焦距的分劃板稱為玻羅板，550mm 焦距儀所用的玻羅板，板上刻有 5 組間隔不同的平行線，它們的間距分別為 1、2、4、10

4、 和20mm。2帶測微目鏡的讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡是用來測量待測物鏡所成像高 y的，它由物鏡和測微物鏡組成，物鏡放大倍率可以更換，一般有 0.5、1、2.5 和 5 倍等。測微目鏡的結(jié)構(gòu)如圖 13所示，是由目鏡、固定分劃板、活動分劃板和螺旋測微讀數(shù)裝置四部分組成。測微絲杠轉(zhuǎn)一圈，活動分劃板上刻線移動量為固定分劃板刻線的一格。通常測微螺旋的螺距 S 是 0.251mm，讀數(shù)鼓輪一圈等分為 100 格，格值為 S/100。固定分劃板上有若干等分刻線，其格值與螺距相符。活動分劃板上刻有瞄準用的雙刻線和叉絲線。測量時由測微絲杠推動活動分劃板，使雙刻線和叉絲線對準所選的起始刻線，從固定分劃板上讀毫米數(shù)，再

5、從讀數(shù)鼓輪上讀取微小讀數(shù)，然后將雙刻線和叉絲線對準最終刻線，依法讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差即為起始到終點的刻線距離。圖13測微目鏡的結(jié)構(gòu)1.目鏡2.固定分劃板3.活動分劃板4. 螺旋測微讀數(shù)裝置五、實驗步驟1將平行光管（1）接通電源，注意選用低壓變壓器。2將被測的光學透鏡夾在透鏡夾持器（2）上。3選擇好測量顯微鏡的倍率并裝在顯微鏡上。4調(diào)整平行管、被測件、測量顯微鏡基本同軸。5調(diào)節(jié)測量顯微鏡，使之在視場中能清楚地看到目鏡分劃板的像，同時調(diào)到也能看到平行光管玻羅板上的像。6用測微目鏡對選定的一組刻線讀數(shù)，首先對準該刻線左邊一條（右邊也可），讀得一個數(shù)，再對準另一條，讀得一個數(shù)，兩個讀數(shù)之差即為該組刻線經(jīng)

6、被測物鏡所成像之大小，重復讀三遍，取平均值。7將測得的數(shù)代入公式（11）計算出被測光學透鏡焦距 f來。8截距測量：截距是被測物鏡后表面到該物鏡所成像面間的距離。在測焦距的同時，利用光具座導軌上長刻度尺測出被測物鏡的截距。 圖 14截距測量示意圖在測焦距時，測量顯微鏡是調(diào)焦在被測物鏡鏡面 y上的，這時顯微鏡處在光具座長刻度尺某一位置上記下讀數(shù)，再將顯微鏡慢慢地向前移動，直到在顯微鏡能觀察到被測物鏡后表面的灰塵為止，這時顯微鏡已處在光具座上一位置上，也記下讀數(shù)，二次讀數(shù)之差值，即為顯微鏡移動的距離 SF,也是被測物鏡的后截距 S”F，同樣將物鏡反轉(zhuǎn) 180，可測出其前截距，測試如圖 15 所示。圖

7、 15滑塊在光具座上的讀數(shù)六、思考題1不同波長的光源對所測焦距有何影響？2請畫出所測的物方：焦點、焦面、主點、主面；像方：焦點、焦面、主點、主面來。附：消視差方法光學實驗中經(jīng)常要準確地測量像的大小、位置等，在調(diào)整過程中一定要注意消視差。視差產(chǎn)生的原因：若度量標尺或分劃板)與被測物體或像不共面時，隨眼睛的晃動觀察位置稍微改變)，標尺與被測物體之間會有相對移動，難以準確測量。若待測像與標尺之間有視差時，說明兩者不共面，應稍稍調(diào)節(jié)像或標尺的位置，并同時微微晃動眼睛，直到待測像與標尺之間無相對移動即無視差，此時可準確讀數(shù)。被測物體和標尺不共面，產(chǎn)生視差。 用一只眼睛觀察，當晃動眼睛時，物與標尺間有相對

8、移動。離眼晴遠者，移動方向與眼睛晃動方向相同，離眼暗近若，移動方向與限暗晃動方向相反。實驗二 物鏡象差觀察一、實驗目的和內(nèi)容1了解和熟悉檢驗物鏡像差的一般性方法星點法。2了解以 CCD 攝像頭為主要元件搭建的光電圖像采集系統(tǒng)的組成、性能指標、工作原理和一般調(diào)整方法。3觀察通過各種物鏡后所成的數(shù)字化星點圖像，分析幾何像差對成像的影響，定性判斷物鏡像差的性質(zhì)和大小，加深對像差理論的理解。二、實驗用儀器和設備光具座一臺、被檢物鏡若干、星點板、分辨率板（用于輔助光路的調(diào)整）、數(shù)字圖像采集和顯示系統(tǒng)（包括 CCD 攝像頭、圖像采集卡和個人電腦）三、實驗原理相干照明物體或自發(fā)光物體,成像光學系統(tǒng)的作用是把

9、物面上的光強分布轉(zhuǎn)換為像面上的光強分布。由于衍射、像差和各種工藝疵病等原因，物像分布不可能完全一致。為了評定系統(tǒng)的成像質(zhì)量，并為改善像質(zhì)提供必要的信息，通常選用星點（發(fā)光點）作為代表性的物體，通過描述它的像的全部特征來反映系統(tǒng)的像質(zhì)。由于任意物的分布都可以看成是無數(shù)個具有不同強度的、獨立的發(fā)光點的集合；任意物的像就是這無數(shù)個星點像的集合。因此，星點像的光強分布函數(shù)就決定了該系統(tǒng)的成像質(zhì)量。另外星點像的光強分布比較易于描述，所以星點檢驗法是檢驗成像光學系統(tǒng)質(zhì)量時最基本、最簡單的一種方法。傳統(tǒng)的星點檢測方法是：光源通過聚光鏡照亮位于平行光管焦面的星點板小孔，從平行光管出射的平行光經(jīng)待測物鏡，在其焦

10、面上成像，然后用目鏡（測量顯微鏡）對所成的像進行觀察。隨著 CCD 和計算機技術(shù)的發(fā)展，光學圖像數(shù)字化已成為必然的趨勢。用計算機采集星點圖像，不但能夠減輕人眼觀察的疲勞，而且可以同時再現(xiàn)焦前、焦面和焦后的星點圖像，便于比較、判斷像差的性質(zhì)和大小，也有利于學生全面理解和掌握像差理論。改進后的系統(tǒng)如圖 2-1 所示。圖 2-1幾何像差系統(tǒng)數(shù)字采集系統(tǒng)在原星點觀察系統(tǒng)的顯微鏡后放置 CCD 攝像頭，攝像頭接計算機中的圖像采集卡，經(jīng)模數(shù)變換后，在計算機的顯示器上顯示圖像。圖像可單幀采集也可實時采集。為了方便采集某一種像差對應的焦前、焦后、焦面的圖像，讓攝像頭與觀察顯微鏡同時移動。實驗中可將觀察顯微鏡的

11、目鏡和攝像頭的物鏡部分同時拆下，使用專門設計的一個接口，連接觀察顯微鏡的目鏡筒和攝像頭的成像 CCD。觀察顯微鏡的物鏡倍數(shù)可調(diào)，一般選 2.5 倍，圖像大小合適。四、星點衍射圖像分析為了能夠根據(jù)星點像的形狀、特征對被檢系統(tǒng)的疵病做出正確的“診斷”，除了要求掌握星點檢驗的基本原理，正確選擇合適檢驗儀器外，還要有豐富的實踐經(jīng)驗。因此了解每一種像差及常見誤差所具有的星點像的特征是十分重要的。下面就單獨具有某種像差或誤差的幾種典型星點像作一分析（假定入瞳是圓形的）。1球差光學系統(tǒng)僅有球差時，根據(jù)球差的性質(zhì)可知，出射波面是一個非球面的旋轉(zhuǎn)對稱面，因此星點像的衍射環(huán)還是圓的，但光強分布規(guī)律與理想情況不同，

12、表現(xiàn)為光能由中央亮斑向各衍射環(huán)分散，結(jié)果中央亮斑變暗，各亮環(huán)變亮，且暗環(huán)的光強也不再為零。但最明顯的特征是焦前焦后對稱面上的衍射圖樣不再相同。2慧差僅有慧差時，慧差較小時，中央亮斑稍稍偏離第一衍射亮環(huán)的中心，同時該亮環(huán)的粗細和亮暗都不再一致，中央亮斑靠近的一側(cè)，環(huán)變細變暗，遠離的一側(cè)則變粗變亮。慧差增加，中央亮斑偏心加大，第一亮環(huán)的亮暗差也加大以至斷開。波像差大于 0.5后,星點像開始呈現(xiàn)出彗星狀,即有一個明亮的頭部和一條漸漸擴展、變暗的尾巴。如果被檢系統(tǒng)的軸上點也出現(xiàn)慧差，說明系統(tǒng)存在工藝疵病，主要是單片透鏡中心偏差、膠合透鏡偏心差和裝配時某些鏡片的偏心等疵病。但是偏心量都比較小，否則不僅出

13、現(xiàn)慧差還會出現(xiàn)像散。用檢查軸上點星點像有無慧差來判斷光學系統(tǒng)在裝配和其他工藝過程中是否引進了偏心差是一個很好的辦法。它有很高的靈敏度，當偏心差產(chǎn)生的波像差為20 或更小時，人們就能檢測出來。但星點檢驗用于測定像差大小時就十分不利。3像散僅有像散的星點圖的特征是：焦前、焦后都呈現(xiàn)橢圓形星點圖，但其長軸互相垂直。像散很小時，中央亮斑還是圓形的，在子午和弧失焦線處，第一暗環(huán)皆成長方形，但彼此垂直；在兩焦線間總能找到第一暗環(huán)成正方形的像面位置；這是有像散時的焦面位置。造成光學系統(tǒng)出現(xiàn)軸上像散的主要原因有兩個，一是光學面有較大的偏心，二是光學面變形。如果星點像的主要特征表現(xiàn)為像散，慧差并不明顯，這時的像

14、散往往主要由光學面變形產(chǎn)生。如果像散和慧差都明顯，則主要是光學面有較大偏心造成。因為小量偏心時首先在星點圖中出現(xiàn)慧差，偏心加大，慧差增加，像散更快地增加，致使兩種像差在星點像中都明顯呈現(xiàn)。4其他疵病在光學玻璃熔煉中、光學零件加工和裝配中產(chǎn)生各種工藝疵病時，星點像都將呈現(xiàn)與之相應的特征。這些特征往往反映在星點圖的形狀變化而不是光能分布的變化上，因而能以很高的靈敏度發(fā)現(xiàn)這些疵病。如果某種疵病引起星點像的變化很不明顯，說明它對像質(zhì)的影響不大。例如玻璃退火時殘留的應力，即使應力較大，從星點像中還不易發(fā)覺。但它對光學面面形和加工工藝形的影響卻是很大的。因此，最好用應力儀檢查這種疵病。五實驗結(jié)果（部分）

15、圖 2 -2球差 圖2 -3慧差 實驗三 典型系統(tǒng)組合及特性參數(shù)測量一、實驗目的通過對望遠系統(tǒng)等特性參數(shù)的實際測量，進一步掌握望遠系統(tǒng)的基本成像原理，同時加深對其各參數(shù)的理解。二、實驗內(nèi)容1、根據(jù)設計要求選擇透鏡，組合成望遠系統(tǒng)；2、實際測量望遠系統(tǒng)的出瞳及出瞳距的大小，以及各參數(shù)。三、實驗儀器平行光管、待測望遠系統(tǒng)（經(jīng)緯儀或水平儀）、倍率計、組合用透鏡等。 圖3-1 望遠系統(tǒng)參數(shù)測量儀器 圖32望遠系統(tǒng)參數(shù)測量原理四、測量原理對于望遠系統(tǒng)來而言，物鏡框就是孔徑光闌，也為入瞳；物鏡框經(jīng)后面的目鏡所成的像即為望遠系統(tǒng)的出瞳D，出瞳到望遠系統(tǒng)目鏡最后一面的頂點的距離就是出瞳距離。利用倍率計可以簡單

16、而比較精確的測量出出瞳直徑及出瞳距。結(jié)構(gòu)原理如圖32 所示，倍率計的光學系統(tǒng)是一個低倍的顯微鏡，物鏡的放大率是1 倍，目鏡是0.5倍，分劃板上刻有用來測量出瞳像直徑的標尺，其刻劃范圍為。此外，顯微鏡可以在外筒內(nèi)前后移動，在顯微鏡筒上有一根長度標尺，刻劃范圍為，格值為（在外筒上有一窗口可見到此標尺）。當顯微鏡在外筒內(nèi)移動時，標尺可指示出它的位置，以方便的測量出出瞳距。五、測量步驟實驗前完成系統(tǒng)理論設計：畫出系統(tǒng)光路圖；根據(jù)給出的透鏡焦距，用組合公式計算所選光學系統(tǒng)的主要參數(shù)，并寫出計算過程；根據(jù)理論計算結(jié)果，選擇最佳組合方案（在滿足要求的前提下，機械筒長盡量短）。（一）望遠系統(tǒng)出瞳直徑D的測量1、測量前將被測望遠系統(tǒng)的目鏡視度調(diào)整到零，使儀器處于正常工作狀態(tài)。2、將平行光管、被測望遠系統(tǒng)、倍率計如圖32 依次放置，并調(diào)整三者共軸等高。3、通過倍率計觀察望遠系統(tǒng)物鏡框所成之像，并對出瞳亮斑調(diào)焦，從而使被測系統(tǒng)的出瞳在倍率計分劃板中心部位上成清晰的像，此時從倍率計分劃板上的刻線值即可正確地讀出被測系統(tǒng)的出瞳直徑的大小。（二）望遠系統(tǒng)出瞳距離的測量1、當倍率計調(diào)焦在出瞳面上時，從倍率計外筒