工程光学(1)_实验讲义

实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧

1.引言

不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成的，因此，掌握一些常用的光学元器件的结构，光学性能、特点和使用方法，对于安排实验光路系统时，正确的选择和使用光学元器件具有重要的作用。

2.实验目的

1)掌握光学专业基本元件的功能；

2)掌握基本光路调试技术，主要包括共轴调节和调平行光。

3.实验原理

3.1光学实验仪器概述:

光学实验仪器主要包括：光源，光学元件，接收器等。

3.1.1常用光源

光源是光学实验中不可缺少的组成部分，对于不同的观测目的，常需选用合适的光源，如在干涉测量技术中一般应使用单色光源，而在白光干涉时又需用能谱连续的光源（白炽灯）；在一些实验中，对光源尺寸大小还有点、线、面等方面的要求。光学实验中常用的光源可分为以下几类：

1）热辐射光源

热辐射光源是利用电能将钨丝加热，使它在真空或惰性气体中达到发光的光源。白炽灯属于热辐射光源，它的发光光谱是连续的，分布在红外光、可见光到紫外光范围内，其中红外成分居多，紫外成分很少，光谱成分和光强与钨丝温度有关。热辐射光源包括以下几种：普通灯泡，汽车灯泡，卤钨灯。

2）热电极弧光放电型光源

这类光源的电路基本上与普通荧光灯相同，必须通过镇流器接入220V点源，它是使电流通过气体而发光的光源。实验中最常用的单色光源主要包括以下两种：纳光灯（主要谱线：589.3nm、589.6nm），汞灯（主要谱线：623.4nm、579.0nm、577.0nm、546.1nm、491.6nm、435.8nm、407.9nm、404.7nm）

3）激光光源

激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写：LASER)，是指通过辐射的受激辐射而实现光放大，即受激辐射的光放大。激光器作为一种新型光源，与普通光源有显著的差别。它是利用受激辐射的原理和激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列新的特点。①激光器发出的光束有极强的方向性，即光束的发散角很小；②激光的单色性好，或者说相干性好，其相干长度可以达十米甚至数百米；③激光器的输出功率密度大，即能量高度集中。所以激光光源是一种单色性和方向性都好的强光源，已应用于许多科技及生产领域

中。目前常用的激光器主要有气体激光器（如：He-Ne激光器、Ar离子激光器）、液体激光器（如：染料激光器）、固体激光器（如：红宝石激光器、钕玻璃激光器）和半导体激光器（如GaAs、CaSb 激光器）。

.

图1-1 激光器示意图（He－Ne激光）

本实验，选择的光源是气体型He-Ne内腔式激光器如图1-1所示,波长为632.8nm的红光，功率2mW。

3.1.2 常用光学元件

光学实验中的基本部件是光学元件，如透镜、平面反射镜、分束镜、棱镜、偏振元件、光栅、滤光片，可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑等。

1）透镜

透镜有成像作用，利用它可传递物和像的图像。准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜均可使用不同孔径和焦距的透镜来实现。为了提高光的透射率，透镜表面要镀增透膜。在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏的透镜（因为它们会使观察或记录图像产生噪声）。

2）分束镜

分束镜是光学实验系统的一个重要元件，它的作用是将入射光束分成具有一定光强比的两束光，在干涉仪系统组装的实验中可产生两束有一定夹角的相干波，在全息制作实验中可产生参考光和物光。分束镜一般是通过在玻璃板上镀干涉膜而制成，分光比可以连续变化或分段变化。

3）扩束器（扩束镜）

因激光束的发散角很小，需要用一个扩束镜以增大光束的发散角。通常可用20倍、40倍的显微物镜或焦距很短的单片正透镜或负透镜实现。本实验中，扩束镜采用的是40倍的显微物镜。

4）平面反射镜

平面反射镜一般用于折转光路，其直径大小应根据所折转的光束直径而定。用于转折宽光束的反射镜，除了有一定的孔径要求之外，还有表面平面度的要求。另外，当光入射到普通反射镜的玻璃基板上时，要先经过折射然后再反射，反射

光的损失很大。同时玻璃片基的两面会因多次反射引入杂散光。为了消除附加反射光的影响，反射镜通常都是在前表面上镀制反射膜。所以光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。

3.1.3常用机械部件

防震平台、光学镜架，读数平台、多自由度微调器、光纤调整架等。

1）防震平台

光学实验需要一个稳定的减震工作平台，特别是对于干涉和全息图制作实验，所记录的都是参考光波和物光波的干涉条纹，如果在曝光过程中因为振动导致两光波有变化，就要影响干涉条纹的调制度。通常要求该光波的振动变化小于十分之一波长。影响稳定性的因素有震动、空气流和热变化等。震动的主要影响来自地基的震动，如果记录系统部件的机构有松动就会把震动放大，所以必须对工作台采取减震措施。专用气浮工作台是最好的减震台。简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫（用汽车、飞机轮子的内胎）和重1000～2000kg的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。如果不用隔离罩，做实验时室内不要通风，工作人员不要大声讲话和距离工作台远一些。

2）光学镜架

光学镜架是一种典型的对装有光学元件（如反射镜、透镜）的镜框进行固定的机械装置。

3）读数平台

光学实验室备有各种规格和精密的读数机械平台，以便根据实验需要选用。

3.1.4 常用接收器

实验中常用的接收器主要包括：观察屏（白板）、光电池、光电接收器、CCD 成像器件、CMOS成像器件等。

3.2 光路调试技术

在光学实验中，光学元件同轴等高的调节是实验中必不可少的一个重要环节，它关系到成像质量的好坏、能否得到预期的光学现象和满意的测量结果。可以说调整好光路是进行光学研究和光学实验应具备的技能。下面介绍光路的基本调整方法。

3.2.1共轴调节

光学实验中经常要遇到用一个或多个透镜同时成像，为了获得较好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。另外，为了最大限度的利用激光扩束后的面光源，所有透镜的主轴都需要大致通过光斑中心，才能获得清晰的像。

共轴调节使物、观察屏的中心处在透镜光轴上，并使各光学元件共轴，达到共轴能保证近轴光线的条件成立。共轴调节一般分为两步骤进行：

1）第一步粗调，即用眼睛观察，使物、观察屏与透镜中心大致在一条直线上。粗调的方法如下：通过前后移动白屏的方法先使激光光束与台面平行，再将透明物、扩束镜、双凸透镜依次摆好，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，再让光斑、物、镜的几何中心处在一条直线上，这样便使透镜镜的主光轴与平台面平行且共轴，光斑也最大限度得到利用。

2）第二步细调，即移动透镜，当两次成像中心重合即达到共轴，若不重合，须视情况针对性地调节各光学元件，直至两次成像的中心重合。如果系统有两个以上的透镜，先加入一个透镜调节共轴，然后再依次加入透镜，使每次所加透镜都与原系统共轴。

反射镜共轴的调节方法类似。

3.2.2平行光束的获得与检测

在光学实验中，经常要用到准直性良好的平行光束。这可以在扩束镜和针孔滤波器之后加入准直透镜来获得。准直透镜的前焦点应于扩束镜的后焦点重合，并且二者的光轴也应一致。准直透镜通常使用口径较大、焦距较长的双胶合透镜，这样可以获得截面较大的光束，以便处理较大一些的图像。在要求不太高的实验中，也可使用单片的正透镜作为准直透镜。平行光束的调整步骤如下：1）调整扩束镜和准直镜共轴，如图1-2所示。

图1-2 共轴调节示意图

2）粗调－自准直法。沿光束传播方向，前后轴向移动准直透镜，直到从自准直反射镜反射回来的自准直像落在针孔表面，并于针孔重合。或者在准直镜后放一观察屏，如图1－3所示，前后移动，观察准直后光斑的变化，若在一个较大范围内光斑直径几乎无变化，可视为准直成功，完成粗调。在调节中要注意光斑变化和准直镜移动方向的关系，从而很快达到粗调的效果。

图1-3 平行光路粗调示意图

3）细调－剪切干涉法。如有条件，可以选用平晶进行细调。在准直镜后，

倾斜放置一平行平晶，观察平晶两表面反射光束重叠部分产生的剪切干涉条纹，如图1-4所示，沿光轴前后微移动准直透镜，使条纹渐渐由密变疏，直到条纹最宽或成均匀光，如图1-5所示，这时准直镜处于最佳位置，出射光为平行光。剪切干涉法只能用于相干光束的调整，非相干照明时，可用自准直法调整。

图1-4 细调产生干涉条纹图

图1-5 平行光的检测示意图 4. 实验器材

1） 氦氖激光器

8）燕尾式平移台 2） 激光夹持器

9）分化板 3） 显微物镜

10）透镜/反射镜支架 （Φ40.0） 4） 物镜接圈

11）干板架 5） 开口透镜/反射镜支架（Φ20.0）

12）毛玻璃 6） 一维调节滑块

13）平行平晶 7）K9平凸透镜（Φ40.0, f150.0）

14）导轨，滑块，支杆，调节支座，磁力表座等

5. 实验内容

1） 参照图1-6，沿导轨装妥各器件（先不安装扩束显微物镜和准直平凸透镜部分），并调至共轴；

观察屏

平晶

观察屏（条

纹变化，使

之越来越

少）

图1-6 激光平行光路调试装配示意图

2）首先，将分划板中心通孔高度定为光轴高度，然后将分划板移至贴近激光器的位置，调节激光器高度，使激光束通过分划板中心圆孔。再将分划板移至较远处，调节激光夹持器，使激光束再次通过分划板中心圆孔（近端调高低，远端调俯仰）。重复二三次高低和俯仰调节，使激光束在合适的高度保证基本水平；

3）在系统中加入扩束物镜和准直透镜，适当调节激光束和扩束镜，准直透镜共轴，且准直透镜在扩束镜的前焦面上。前后移动分划板，观测分划板上的圆斑大小是否变化。若变化，则前后移动准直透镜，直到前后移动分划板，板上的圆斑大小不发生变化，完成平行光粗调;

4）将分划板替换为平行平晶，将毛玻璃放在在平行平晶反射光路上，前后移动准直透镜，使得毛玻璃上可以观察到干涉条纹;

5）细微调节平移台丝杆，观察干涉条纹变化，使得条纹数逐渐减少到一条或半条条纹，完成细调。

6.思考题

1）调节平行光时，由近及远移动准直镜产生的光斑如何变化？为什么？

2）如何利用平晶检测平行光的质量？

实验二平行光管实验

1.引言

平行光管是一种长焦距、大口径，并具有良好像质的仪器，与前置镜或测量显微镜组合使用，既可用于观察、瞄准无穷远目标，又可作光学部件，光学系统的光学常数测定以及成像质量的评定和检测。

2.实验目的

1）了解平行光管的结构及工作原理；

2）掌握平行光管的调整方法；

3）学会用平行光管测量薄透镜的焦距。

3.实验原理

3.1 平行光管的结构及工作原理

根据几何光学原理,无限远处的物体经过透镜后将成像在焦平面上;反之,从透镜焦平面上发出的光线经透镜后将成为一束平行光。如果将一个物体放在透镜的前焦平面上,那么它将成像在无限远处。

图2-1 为平行光管的结构原理图。它由物镜及置于物镜焦平面上的分划板,光源以及为使分划板被均匀照亮而设置的毛玻璃组成。由于分划板置于物镜的前焦平面上,因此,当光源照亮分划板后,分划板上每一点发出的光经过透镜后,都成为一束平行光。又由于分划板上由根据实验需要而刻成的分划线或图案,这些刻线或图案将成像在无限远处。这样,对观察者来说,分划板又相当于一个无限远距离的目标。

图2-1 平行光管的结构原理图

根据平行光管要求的不同,分划板可刻有各种各样的图案。图2-2 是几种常见的分划板图案形式。图2-2（a）是刻有十字线的分划板,常用于仪器光轴的校正;图2-2 (b) 是带角度分划的分划板,常用在角度测量上;图2-2 (c) 是中心有一个小孔的分划板,又被称为星点板;图2-2 (d) 是鉴别率板,它用于检验光学系统的成像质量。鉴别率板的图样有许多种,这里只是其中的一种;图2-2 (e) 是带有几组一定间隔线条的分划板,通常又称它为玻罗板,它用在测量透镜焦距的平行光管上。

图2-2 分划板的几种形式

3.2用平行光管测量凸透镜焦距的原理

用平行光管法测量凸透镜焦距的光路图，如图2-3所示,从图中可以看出:

图2-3 平行光管法测量凸透镜焦距光路图

o f y '=?tan x

f y ''-='1t a n ? 由于平行光管射出的是平行光，且通过透镜光心的光线不改变方向，因此

11????'=='=

x o f y f y '

'-=' o

x f y y f ''-='

（6-1） 其中o f '为平行光管物镜焦距，y 为玻罗板上选择的线对的长度，y '为用显微目镜读出的玻罗板上线对像的距离。用这种方法测量凸透镜焦距比较简单，关键是要保证各光学元件要等高共轴，平行光管出射平行光。

4. 实验器材

1） 平行光管；2）反射镜；3）二维调节透镜/反射镜支架；

4）待测透镜（Φ40.0, f150.0）；5）测微目镜（10X ，带分划板）；

6）开口式二维调节透镜/反射镜支架；

'

7）导轨，滑块，支杆，调节支座等。

5. 实验内容

1）把平行光管实验系统按照图2-4所示放好；

图2-4 平行光管实验装图

2）打开平行光管外盖，观察平行光管内部结构，了解基本原理；

3）调节放在平行光管前的反射镜（反射镜上有调节水平螺丝和垂直螺丝），使平行光管射出的光线重新返回平行光管。这时能通过显微目镜看到分划板上有一个反射回来的像。前后移动分划板，直到目镜里清楚地观察到十字叉丝的像。表明分划板已经调整在物镜的前焦平面上了；

4）平行光管调好后，拿下平面镜，将被测凸透镜组置于平行光管的前方，在凸透镜的前方放上测微目镜，调节平行光管、被测凸透镜和测微目镜，使它们在同一光轴上，尽量让测微目镜拉近到实验人员方便观察的位置；

5）前后移动凸透镜，使被测凸透镜在平行光管中的玻罗板成像于测微目镜的标尺和叉丝上，表明凸透镜的焦平面与测微目镜的焦平面重合；

6）用测微目镜测出玻罗板像中y =0.553毫米两刻线间距的测量值y '，重复测量五次，将各数据填入自拟表格中；

7）根据平行光管物镜焦距mm f o 400='，计算出被测凸透镜的像方焦距，并计算其平均值和均方根误差。

o

x f y y f ''-='

6. 思考题

1）不同波长的光源对所测透镜焦距有何影响？

实验三望远系统的搭建和参数测量

1.引言

望远镜主要是用来帮助人眼看清远处目标以便观察、瞄准与测量的一种助视仪器，其主要作用在于增大被观察物体对人眼的张角，起着视角放大的作用。

本实验旨在使学生更加了解望远镜原理，自己搭建望远镜，测量相关参数。

2.实验目的

1）学习了解望远镜的构造及其原理；

2）学习测定望远镜放大倍数的方法；

3）理解分辨本领的含义。

3.实验原理

望远镜可用来观测远处的物体。最简单的望远镜由两块凸透镜组成。望远镜的前面有一块直径大、焦距长的凸透镜，名叫物镜；后面的一块透镜直径小焦距短，叫目镜。物镜把来自远处景物的光线，在它的后面汇聚成倒立的缩小了的实像，相当于把远处景物一下子移近到成像的地方。而这景物的倒像又恰好落在目镜的前焦点处，这样对着目镜望去，就好象拿放大镜看东西一样，可以看到一个放大了许多倍的虚像。这样，很远很远的景物，在望远镜里看来就仿佛近在眼前一样。常见望远镜可简单分为伽利略望远镜和开普勒望远镜等。

伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。它是由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成的，其视觉放大率大于1，形成正立的像，不需加转像系统，但无法安装分划板，应用较少，可应用于观剧，倒置伽利略望远镜可用于门镜。

开普勒望远镜是由两个正光焦度的物镜和目镜组成，因此成倒像。为使经系统形成的倒像转变成正立的像，需加入一个透镜或棱镜转像系统。因开普勒望远镜的物镜在其后焦平面上形成一个实像，故可在中间像的位置放置一分划板，用作瞄准或测量。由于开普勒望远镜各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。

图3-1 开普勒望远镜光路示意图

为能观察到远处的物体，开普勒望远镜的物镜用较长焦距的凸透镜，目镜用较短焦距的凸透镜。远处射来光线（视为平行光），经过物镜后，会聚在它的后焦点外离焦点很近的地方，成一倒立、缩小的实像。目镜的前焦点和物镜的后焦点是重合的。所以物镜的像作为目镜的物体，从目镜可看到远处物体的倒立虚像，由于增大了视角，故提高了分辨能力，见图3-1。

当观测无限远处的物体时，物镜的焦平面和目镜的焦平面重合，物体通过物镜成像在它的后焦面上，同时也处于目镜的前焦面上，因而通过目镜观察时成像于无限远，此时望远镜的视觉放大率为：

e o e o

f f f f =-=Γ'' （3-1）

由此可见，望远镜的视觉放大率Γ等于物镜和目镜焦距之比。若要提高望远镜的视觉放大率，可增大物镜的焦距或减小目镜的焦距。

当用望远镜观测近处物体时，其成像的光路图可用图3-2来表示。图中1l 、1l '

和2l 、2

l '分别为透镜o L 和e L 成像时的物距和像距，?是物镜和目镜焦点之间的距离，即光学间隔（在实用望远镜中是一个不为零的小数量）。由图3-2可得

2

2

tan l y B O B A -=''''=ψ )

(tan 2111122111l l l l l y l l l y B O AB -'+-'=-'+-='=?

图3-2 观察近处物体时望远镜的光路图

故观察近处物体时望远镜的视觉放大率为

212111)(tan tan l l l l l l -'+-'==Γ?ψ （3-2）

在满足近轴光线和薄透镜条件前提下，利用透镜成像公式，可得

1

'

1

'1l f l f l o o +=' 2

'

'2

'2l f l f l e e '-= 为了把放大的虚像3y 与物体1y 直接比较，必须使3y 和1y 处于同一平面内，

即要求2112l l l l +'-='。同时引入望远镜镜筒长度21l l l -'=，并利用1l '和2l 两个表达式，得

'''1'12121e

o o e f f f l f l l l l l l ???? ??+++-=''=Γ （3-3） 在测出o f 、e f 、l 和1l 后，由式（4-3）可算出望远镜的放大率。显然当物距o f l >>1时，因式(4-3)中括号内的量接近于1，式（4-3）变回式（4-1）。

望远镜的分辨本领用它的最小分辨角?来表示。由光的衍射理论，按瑞利判断可知：

D λ

?22.1=

式中，λ为照明光波的波长，D 为望远镜物镜的孔径，角度?的单位是弧度。即两个物体如果对望远镜的张角小于?（理论）值。则望远镜将无法分辨它们是两个物体（两个物体重叠成一个像）。

4. 实验器材

1） 标尺；2）干板架；3）磁力表座；4）物镜（Φ40.0，f 150.0；Φ40.0，f 200.0）；

5）一维调节滑块；6）一维调节滑块；7）目镜（Φ20.0，f 30.0；Φ20.0，f -40.0）；

8）导轨，滑块，支杆，调节支座等

o e

5. 实验内容

1）按照图3-3组装成开普勒望远镜（物镜选择f150，目镜选择f30），调整光学元件同轴等高；

图3-3 望远镜系统装配示意图

2）将标尺安放在距离望远镜物镜大于1米处，用一只眼睛直接观察标尺，同时用另外一只眼睛通过望远镜的目镜看标尺的像，并对准标尺上两个红色标记间的区间，长度为L 。经适应性练习，获得被望远镜放大的和直观的标尺的叠加像；

3）测出红色标记内标尺的长度L '，多次重复测量，则其视觉放大率为

L

L '-=Γ； 4）测量出望远镜的镜筒长度l 和物距1l ，按照公式（3-3）计算其放大率，并与实验观察出来的放大率进行比较；

5）替换物镜（f200）和目镜（f-40），搭建伽利略望远镜，重复（2）（3）（4）步；

6）由波长和物镜孔径，理论计算望远镜的最小分辨角?。

6. 思考题

1）望远镜的放大率与哪些因素有关？

2）评价天文望远镜时常提起物镜口径有多大，而不提它有多大倍数，为什么？

实验四 显微镜搭建与光学系统分辨率检测

1. 引言

显微镜主要是用来帮助人眼观察近处的微小物体，显微镜与放大镜的区别是二级放大。通过本实验使学生更了解显微镜的原理，自己搭建显微镜，测量相关参数。

2. 实验目的

1）学习显微镜的原理及使用显微镜观察微小物体的方法；

2）学习测定显微镜放大倍数的方法；

3）测量显微镜的分辨本领。

3. 实验原理

最简单的显微镜是由物镜和目镜构成。其中，物镜的焦距很短，目镜的焦距较长。它的光路如图4-1所示。图中的L o 为物镜（焦点在o F 和o F '），其物方焦距为o f ；L e 为目镜，其物方焦距为e f 。将高度为y 1的被观测物体AB 放在L o 的物方焦点外且接近焦点F o 处，物体通过物镜成一放大倒立实像B A ''(其高度为y 2)，此实像在目镜的焦点以内，经过目镜放大，结果在明视距离D 上得到一个放大的虚像B A ''''（其高度为y 3）。虚像B A ''''对于被观测物AB 来说是倒立的。由图4-1可见，显微镜的视觉放大率为

图4-1 简单显微镜的光路图

1

223'21'23tan tan y y y y l y l y ?=--==Γ?ψ （4-1） 式中，

e e

f D l l y y Γ=≈-'-='2223（因D l ='-2），为目镜的放大率； o o f l l y y β=?-≈'='

11

12（因1l '比o f 大得多），为物镜的放大率。

?为显微物镜焦点o F '到目镜焦点e F 之间的距离，

称为物镜和目镜的光学间隔。因此式（5-1）可改写成

o e o e f f D βΓ=?-=Γ'' 由式（4-2）可见，显微镜的放大率等于物镜放大率和目镜视觉放大率的乘积。在o f 、e f 、?和D 为已知的情形下，可以利用式（4-2）计算出显微镜的视觉放大率。

4. 实验器材

1） 白光点光源

7） 显微目镜（10X ，带分划板） 2） 光源探头夹持器

8） 支杆底座（GCM-5305M ） 3） 干板架

9） 齿轮齿条移动台 4） 分辨率板

10） 一维调节滑块 5） 显微物镜（Φ20.0, f50.0）

11） 一维调节滑块 6） 开口式二维调节透镜/反射镜支架

12）导轨，滑块，支杆，调节支座等

5. 实验内容

1）参照图4-1和图4-2布置各器件，调整光学元件同轴等高； （4-2）

图4-2 组装显微镜光路图

2）将透镜L o 和L e 之间的距离定位195mm ；

3）观测分辨率板上线数对为10的区间,任意选取物的高度为y 1，从目镜分划板上读出此物的像的长度y 3，重复测量多次，根据下式直接计算其视觉放大率

1

3'y y =Γ； 4）按公式（4-2）计算显微镜的视觉放大率Γ，并与Γ'进行比较；

5）观察分辨率板，记录能够清晰分辨的分辨率板区间。

6. 思考题

1）显微镜的放大率与哪些因素有关？