工程光學(xué) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)講義

）粗調(diào)－自準(zhǔn)直法。沿光束傳播方向，前后軸向移動(dòng)準(zhǔn)直透鏡，直到從自準(zhǔn)直反射鏡反射回來(lái)的自準(zhǔn)直像落在針孔表面，并于針孔重合?；蛘咴跍?zhǔn)直鏡后放一觀察屏，如圖1－3所示，前后移動(dòng)，觀察準(zhǔn)直后光斑的變化，若在一個(gè)較大范圍內(nèi)光斑直徑幾乎無(wú)變化，可視為準(zhǔn)直成功，完成粗調(diào)。在調(diào)節(jié)中要注意光斑變化和準(zhǔn)直鏡移動(dòng)方向的關(guān)系，從而很快達(dá)到粗調(diào)的效果。觀察屏激光器觀察屏激光器圖1-3平行光路粗調(diào)示意圖3）細(xì)調(diào)－剪切干涉法。如有條件，可以選用平晶進(jìn)行細(xì)調(diào)。在準(zhǔn)直鏡后，傾斜放置一平行平晶，觀察平晶兩表面反射光束重疊部分產(chǎn)生的剪切干涉條紋，如圖1-4所示，沿光軸前后微移動(dòng)準(zhǔn)直透鏡，使條紋漸漸由密變疏，直到條紋最寬或成均勻光，如圖1-5所示，這時(shí)準(zhǔn)直鏡處于最佳位置，出射光為平行光。剪切干涉法只能用于相干光束的調(diào)整，非相干照明時(shí)，可用自準(zhǔn)直法調(diào)整。平晶準(zhǔn)直鏡觀察屏平晶準(zhǔn)直鏡觀察屏圖1-4細(xì)調(diào)產(chǎn)生干涉條紋圖觀察屏（條紋變化，使之越來(lái)越少）觀察屏（條紋變化，使之越來(lái)越少）圖1-5平行光的檢測(cè)示意圖實(shí)驗(yàn)器材氦氖激光器8）燕尾式平移臺(tái)激光夾持器9）分化板顯微物鏡10）透鏡/反射鏡支架（Φ40.0）物鏡接圈11）干板架開(kāi)口透鏡/反射鏡支架（Φ20.0）12）毛玻璃一維調(diào)節(jié)滑塊13）平行平晶7）K9平凸透鏡（Φ40.0,f150.0）14）導(dǎo)軌，滑塊，支桿，調(diào)節(jié)支座，磁力表座等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）參照?qǐng)D1-6，沿導(dǎo)軌裝妥各器件（先不安裝擴(kuò)束顯微物鏡和準(zhǔn)直平凸透鏡部分），并調(diào)至共軸；圖1-6激光平行光路調(diào)試裝配示意圖2）首先，將分劃板中心通孔高度定為光軸高度，然后將分劃板移至貼近激光器的位置，調(diào)節(jié)激光器高度，使激光束通過(guò)分劃板中心圓孔。再將分劃板移至較遠(yuǎn)處，調(diào)節(jié)激光夾持器，使激光束再次通過(guò)分劃板中心圓孔（近端調(diào)高低，遠(yuǎn)端調(diào)俯仰）。重復(fù)二三次高低和俯仰調(diào)節(jié)，使激光束在合適的高度保證基本水平；3）在系統(tǒng)中加入擴(kuò)束物鏡和準(zhǔn)直透鏡，適當(dāng)調(diào)節(jié)激光束和擴(kuò)束鏡，準(zhǔn)直透鏡共軸，且準(zhǔn)直透鏡在擴(kuò)束鏡的前焦面上。前后移動(dòng)分劃板，觀測(cè)分劃板上的圓斑大小是否變化。若變化，則前后移動(dòng)準(zhǔn)直透鏡，直到前后移動(dòng)分劃板，板上的圓斑大小不發(fā)生變化，完成平行光粗調(diào);4）將分劃板替換為平行平晶，將毛玻璃放在在平行平晶反射光路上，前后移動(dòng)準(zhǔn)直透鏡，使得毛玻璃上可以觀察到干涉條紋;5）細(xì)微調(diào)節(jié)平移臺(tái)絲桿，觀察干涉條紋變化，使得條紋數(shù)逐漸減少到一條或半條條紋，完成細(xì)調(diào)。思考題1）調(diào)節(jié)平行光時(shí)，由近及遠(yuǎn)移動(dòng)準(zhǔn)直鏡產(chǎn)生的光斑如何變化？為什么？2）如何利用平晶檢測(cè)平行光的質(zhì)量？

實(shí)驗(yàn)二平行光管實(shí)驗(yàn)引言平行光管是一種長(zhǎng)焦距、大口徑，并具有良好像質(zhì)的儀器，與前置鏡或測(cè)量顯微鏡組合使用，既可用于觀察、瞄準(zhǔn)無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)，又可作光學(xué)部件，光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)常數(shù)測(cè)定以及成像質(zhì)量的評(píng)定和檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）了解平行光管的結(jié)構(gòu)及工作原理；2）掌握平行光管的調(diào)整方法；3）學(xué)會(huì)用平行光管測(cè)量薄透鏡的焦距。實(shí)驗(yàn)原理3.1平行光管的結(jié)構(gòu)及工作原理根據(jù)幾何光學(xué)原理,無(wú)限遠(yuǎn)處的物體經(jīng)過(guò)透鏡后將成像在焦平面上;反之,從透鏡焦平面上發(fā)出的光線經(jīng)透鏡后將成為一束平行光。如果將一個(gè)物體放在透鏡的前焦平面上,那么它將成像在無(wú)限遠(yuǎn)處。圖2-1為平行光管的結(jié)構(gòu)原理圖。它由物鏡及置于物鏡焦平面上的分劃板,光源以及為使分劃板被均勻照亮而設(shè)置的毛玻璃組成。由于分劃板置于物鏡的前焦平面上,因此,當(dāng)光源照亮分劃板后,分劃板上每一點(diǎn)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)透鏡后,都成為一束平行光。又由于分劃板上由根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要而刻成的分劃線或圖案,這些刻線或圖案將成像在無(wú)限遠(yuǎn)處。這樣,對(duì)觀察者來(lái)說(shuō),分劃板又相當(dāng)于一個(gè)無(wú)限遠(yuǎn)距離的目標(biāo)。圖2-1平行光管的結(jié)構(gòu)原理圖根據(jù)平行光管要求的不同,分劃板可刻有各種各樣的圖案。圖2-2是幾種常見(jiàn)的分劃板圖案形式。圖2-2（a）是刻有十字線的分劃板,常用于儀器光軸的校正;圖2-2(b)是帶角度分劃的分劃板,常用在角度測(cè)量上;圖2-2(c)是中心有一個(gè)小孔的分劃板,又被稱為星點(diǎn)板;圖2-2(d)是鑒別率板,它用于檢驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。鑒別率板的圖樣有許多種,這里只是其中的一種;圖2-2(e)是帶有幾組一定間隔線條的分劃板,通常又稱它為玻羅板,它用在測(cè)量透鏡焦距的平行光管上。圖2-2分劃板的幾種形式3.2用平行光管測(cè)量凸透鏡焦距的原理用平行光管法測(cè)量凸透鏡焦距的光路圖，如圖2-3所示,從圖中可以看出:玻羅板玻羅板平行光管物鏡待測(cè)透鏡圖2-3平行光管法測(cè)量凸透鏡焦距光路圖由于平行光管射出的是平行光，且通過(guò)透鏡光心的光線不改變方向，因此（6-1）其中為平行光管物鏡焦距，為玻羅板上選擇的線對(duì)的長(zhǎng)度，為用顯微目鏡讀出的玻羅板上線對(duì)像的距離。用這種方法測(cè)量凸透鏡焦距比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是要保證各光學(xué)元件要等高共軸，平行光管出射平行光。實(shí)驗(yàn)器材平行光管；2）反射鏡；3）二維調(diào)節(jié)透鏡/反射鏡支架；4）待測(cè)透鏡（Φ40.0,f150.0）；5）測(cè)微目鏡（10X，帶分劃板）；6）開(kāi)口式二維調(diào)節(jié)透鏡/反射鏡支架；7）導(dǎo)軌，滑塊，支桿，調(diào)節(jié)支座等。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）把平行光管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)按照?qǐng)D2-4所示放好；圖2-4平行光管實(shí)驗(yàn)裝圖2）打開(kāi)平行光管外蓋，觀察平行光管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解基本原理；3）調(diào)節(jié)放在平行光管前的反射鏡（反射鏡上有調(diào)節(jié)水平螺絲和垂直螺絲），使平行光管射出的光線重新返回平行光管。這時(shí)能通過(guò)顯微目鏡看到分劃板上有一個(gè)反射回來(lái)的像。前后移動(dòng)分劃板，直到目鏡里清楚地觀察到十字叉絲的像。表明分劃板已經(jīng)調(diào)整在物鏡的前焦平面上了；4）平行光管調(diào)好后，拿下平面鏡，將被測(cè)凸透鏡組置于平行光管的前方，在凸透鏡的前方放上測(cè)微目鏡，調(diào)節(jié)平行光管、被測(cè)凸透鏡和測(cè)微目鏡，使它們?cè)谕还廨S上，盡量讓測(cè)微目鏡拉近到實(shí)驗(yàn)人員方便觀察的位置；5）前后移動(dòng)凸透鏡，使被測(cè)凸透鏡在平行光管中的玻羅板成像于測(cè)微目鏡的標(biāo)尺和叉絲上，表明凸透鏡的焦平面與測(cè)微目鏡的焦平面重合；6）用測(cè)微目鏡測(cè)出玻羅板像中=0.553毫米兩刻線間距的測(cè)量值，重復(fù)測(cè)量五次，將各數(shù)據(jù)填入自擬表格中；7）根據(jù)平行光管物鏡焦距，計(jì)算出被測(cè)凸透鏡的像方焦距，并計(jì)算其平均值和均方根誤差。思考題1）不同波長(zhǎng)的光源對(duì)所測(cè)透鏡焦距有何影響？

實(shí)驗(yàn)三望遠(yuǎn)系統(tǒng)的搭建和參數(shù)測(cè)量引言望遠(yuǎn)鏡主要是用來(lái)幫助人眼看清遠(yuǎn)處目標(biāo)以便觀察、瞄準(zhǔn)與測(cè)量的一種助視儀器，其主要作用在于增大被觀察物體對(duì)人眼的張角，起著視角放大的作用。本實(shí)驗(yàn)旨在使學(xué)生更加了解望遠(yuǎn)鏡原理，自己搭建望遠(yuǎn)鏡，測(cè)量相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）學(xué)習(xí)了解望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)造及其原理；2）學(xué)習(xí)測(cè)定望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)的方法；3）理解分辨本領(lǐng)的含義。實(shí)驗(yàn)原理望遠(yuǎn)鏡可用來(lái)觀測(cè)遠(yuǎn)處的物體。最簡(jiǎn)單的望遠(yuǎn)鏡由兩塊凸透鏡組成。望遠(yuǎn)鏡的前面有一塊直徑大、焦距長(zhǎng)的凸透鏡，名叫物鏡；后面的一塊透鏡直徑小焦距短，叫目鏡。物鏡把來(lái)自遠(yuǎn)處景物的光線，在它的后面匯聚成倒立的縮小了的實(shí)像，相當(dāng)于把遠(yuǎn)處景物一下子移近到成像的地方。而這景物的倒像又恰好落在目鏡的前焦點(diǎn)處，這樣對(duì)著目鏡望去，就好象拿放大鏡看東西一樣，可以看到一個(gè)放大了許多倍的虛像。這樣，很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的景物，在望遠(yuǎn)鏡里看來(lái)就仿佛近在眼前一樣。常見(jiàn)望遠(yuǎn)鏡可簡(jiǎn)單分為伽利略望遠(yuǎn)鏡和開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡等。伽利略發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡在人類認(rèn)識(shí)自然的歷史中占有重要地位。它是由正光焦度的物鏡和負(fù)光焦度的目鏡組成的，其視覺(jué)放大率大于1，形成正立的像，不需加轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，但無(wú)法安裝分劃板，應(yīng)用較少，可應(yīng)用于觀劇，倒置伽利略望遠(yuǎn)鏡可用于門鏡。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡是由兩個(gè)正光焦度的物鏡和目鏡組成，因此成倒像。為使經(jīng)系統(tǒng)形成的倒像轉(zhuǎn)變成正立的像，需加入一個(gè)透鏡或棱鏡轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。因開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的物鏡在其后焦平面上形成一個(gè)實(shí)像，故可在中間像的位置放置一分劃板，用作瞄準(zhǔn)或測(cè)量。由于開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡各種性能優(yōu)良，所以目前軍用望遠(yuǎn)鏡，小型天文望遠(yuǎn)鏡等專業(yè)級(jí)的望遠(yuǎn)鏡都采用此種結(jié)構(gòu)。圖3-1開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡光路示意圖為能觀察到遠(yuǎn)處的物體，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的物鏡用較長(zhǎng)焦距的凸透鏡，目鏡用較短焦距的凸透鏡。遠(yuǎn)處射來(lái)光線（視為平行光），經(jīng)過(guò)物鏡后，會(huì)聚在它的后焦點(diǎn)外離焦點(diǎn)很近的地方，成一倒立、縮小的實(shí)像。目鏡的前焦點(diǎn)和物鏡的后焦點(diǎn)是重合的。所以物鏡的像作為目鏡的物體，從目鏡可看到遠(yuǎn)處物體的倒立虛像，由于增大了視角，故提高了分辨能力，見(jiàn)圖3-1。當(dāng)觀測(cè)無(wú)限遠(yuǎn)處的物體時(shí)，物鏡的焦平面和目鏡的焦平面重合，物體通過(guò)物鏡成像在它的后焦面上，同時(shí)也處于目鏡的前焦面上，因而通過(guò)目鏡觀察時(shí)成像于無(wú)限遠(yuǎn)，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡的視覺(jué)放大率為：（3-1）由此可見(jiàn)，望遠(yuǎn)鏡的視覺(jué)放大率等于物鏡和目鏡焦距之比。若要提高望遠(yuǎn)鏡的視覺(jué)放大率，可增大物鏡的焦距或減小目鏡的焦距。當(dāng)用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)近處物體時(shí)，其成像的光路圖可用圖3-2來(lái)表示。圖中、和、分別為透鏡和成像時(shí)的物距和像距，是物鏡和目鏡焦點(diǎn)之間的距離，即光學(xué)間隔（在實(shí)用望遠(yuǎn)鏡中是一個(gè)不為零的小數(shù)量）。由圖3-2可得圖3-2觀察近處物體時(shí)望遠(yuǎn)鏡的光路圖故觀察近處物體時(shí)望遠(yuǎn)鏡的視覺(jué)放大率為（3-2）在滿足近軸光線和薄透鏡條件前提下，利用透鏡成像公式，可得為了把放大的虛像與物體直接比較，必須使和處于同一平面內(nèi)，即要求。同時(shí)引入望遠(yuǎn)鏡鏡筒長(zhǎng)度，并利用和兩個(gè)表達(dá)式，得（3-3）在測(cè)出、、和后，由式（4-3）可算出望遠(yuǎn)鏡的放大率。顯然當(dāng)物距時(shí)，因式(4-3)中括號(hào)內(nèi)的量接近于1，式（4-3）變回式（4-1）。望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)用它的最小分辨角來(lái)表示。由光的衍射理論，按瑞利判斷可知：式中，為照明光波的波長(zhǎng)，D為望遠(yuǎn)鏡物鏡的孔徑，角度的單位是弧度。即兩個(gè)物體如果對(duì)望遠(yuǎn)鏡的張角小于（理論）值。則望遠(yuǎn)鏡將無(wú)法分辨它們是兩個(gè)物體（兩個(gè)物體重疊成一個(gè)像）。實(shí)驗(yàn)器材標(biāo)尺；2）干板架；3）磁力表座；4）物鏡（Φ40.0，f150.0；Φ40.0，f200.0）；5）一維調(diào)節(jié)滑塊；6）一維調(diào)節(jié)滑塊；7）目鏡（Φ20.0，f30.0；Φ20.0，f-40.0）；8）導(dǎo)軌，滑塊，支桿，調(diào)節(jié)支座等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1）按照?qǐng)D3-3組裝成開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡（物鏡選擇f150，目鏡選擇f30），調(diào)整光學(xué)元件同軸等高；圖3-3望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)裝配示意圖2）將標(biāo)尺安放在距離望遠(yuǎn)鏡物鏡大于1米處，用一只眼睛直接觀察標(biāo)尺，同時(shí)用另外一只眼睛通過(guò)望遠(yuǎn)鏡的目鏡看標(biāo)尺的像，并對(duì)準(zhǔn)標(biāo)尺上兩個(gè)紅色標(biāo)記間的區(qū)間，長(zhǎng)度為L(zhǎng)。經(jīng)適應(yīng)性練習(xí)，獲得被望遠(yuǎn)鏡放大的和直觀的標(biāo)尺的疊加像3）測(cè)出紅色標(biāo)記內(nèi)標(biāo)尺的長(zhǎng)度，多次重復(fù)測(cè)量，則其視覺(jué)放大率為；4）測(cè)量出望遠(yuǎn)鏡的鏡筒長(zhǎng)度和物距，按照公式（3-3）計(jì)算其放大率，并與實(shí)驗(yàn)觀察出來(lái)的放大率進(jìn)行比較；5）替換物鏡（f200）和目鏡（f-40），搭建伽利略望遠(yuǎn)鏡，重復(fù)（2）（3）（4）步；6）由波長(zhǎng)和物鏡孔徑，理論計(jì)算望遠(yuǎn)鏡的最小分辨角。思考題1）望遠(yuǎn)鏡的放大率與哪些因素有關(guān)？2）評(píng)價(jià)天文望遠(yuǎn)鏡時(shí)常提起物鏡口徑有多大，而不提它有多大倍數(shù)，為什么？

實(shí)驗(yàn)四顯微鏡搭建與光學(xué)系統(tǒng)分辨率檢測(cè)引言顯微鏡主要是用來(lái)幫助人眼觀察近處的微小物體，顯微鏡與放大鏡的區(qū)別是二級(jí)放大。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)使學(xué)生更了解顯微鏡的原理，自己搭建顯微鏡，測(cè)量相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?）學(xué)習(xí)顯微鏡的原理及使用顯微鏡觀察微小物體的方法；2）學(xué)習(xí)測(cè)定顯微鏡放大倍數(shù)的方法；3）測(cè)量顯微鏡的分辨本領(lǐng)。實(shí)驗(yàn)原理最簡(jiǎn)單的顯微鏡是由物鏡和目鏡構(gòu)成。其中，物鏡的焦距很短，目鏡的焦距較長(zhǎng)。它的光路如圖4-1所示。圖中的Lo為物鏡（焦點(diǎn)在和），其物方焦距為；Le為目鏡，其物方焦距為。將高度為y1的被觀測(cè)物體AB放在Lo的物方焦點(diǎn)外且接近焦點(diǎn)Fo處，物體通過(guò)物鏡成一放大倒立實(shí)像(其高度為y2)，此實(shí)像在目鏡的焦點(diǎn)以內(nèi)，經(jīng)過(guò)目鏡放大，結(jié)果在明視距離D上得到一個(gè)放大的虛像（其高度為y3）。虛像對(duì)于被觀測(cè)物AB來(lái)說(shuō)是倒立的。由圖4-1可見(jiàn)，顯微鏡的視覺(jué)放大率為BBA1y0oFAeFeFBeL0L2yBA3yBA1y0FoFAeFeFBeL0L2yBA3y1l-l2Dl21lBA1y0FoFAeFeFBeL0L2yBA3yBA1y0FoFAeFeFBeL0L2yBA3y1lDl21l圖4-1簡(jiǎn)單顯微鏡的光路圖（4-1）式中，（因），為目鏡的放大率；（因比大得多），為物鏡的放大率。為顯微物鏡焦點(diǎn)到目鏡焦點(diǎn)之間的距離，稱為物鏡和目鏡的光學(xué)間隔。因此式（5-1）可改寫成（4（4-2）由式（4-2）可見(jiàn)，顯微鏡的放大率等于物鏡放大率和目鏡視覺(jué)放大率的乘積。在、、和D為已知的情形下，可以利用式（4-2）計(jì)算出顯微鏡的視覺(jué)放大率。實(shí)驗(yàn)器材白光點(diǎn)光源顯微目鏡（10X，帶分劃板）光源探頭夾持器支桿底座（GCM-5305M）干板架齒輪齒條移動(dòng)臺(tái)分辨率板一維