工程光学实验报告

工程光学实验报告

最小偏向角法测棱镜折射率

1.测量原理

从几何光学可知，棱镜的玻璃折射率n与棱镜顶角A及最小偏向角之间有如下的关系：

在不同波长的单色光照明下，在分光仪上测得A和，即可利用上式求得

不同波长的玻璃折射率。

2.实验仪器设备

①分光仪：利用光的反射、折射、衍射和干涉原理进行角度测量的仪器。它主要由下列几个部分组成：自准直望远镜，平行光管，载物台，度盘和游标盘。望远镜通过支臂与度盘固定在一起，组成仪器的照准部。它与游标盘和棱镜台可分别绕度盘的垂直轴旋转，转过的角度由游标盘和度盘读出（游标精度为1’，度盘每格值为30’），每次读数要在对径方向上二个游标上读数，然后取其平均值，这样可消除度盘的偏心误差，且要在度盘的三个不同位置上读数，以消除度盘的刻度误差，轴的晃动误差等，仪器上各运动部分备有锁紧、微动和调整装置的螺钉。

②光源：

a.用钠光灯作照明光源测量D光折射率，钠光谱线λ=0.6328μ。

b.自准直望远镜照明光源为6.3伏白炽灯及变压器。

3.实验步骤

第一步：调整：

①接上光源b；

②目镜调焦；

③望远镜调焦，用自准直法将目镜分划板正确地调焦在物镜焦面上，即使望远镜物镜对无穷远调焦；

a.粗调望远镜光轴，使其位置适中（通过上、下、左、右调节螺钉）；

b.棱镜台上放一平行平板玻璃，工作面正对望远镜，观察目镜分划板上

十字丝与反射回来的像是否同时清晰，若不同时清晰，则移动目镜镜管，直至同时清晰为目。

④使望远镜瞄准轴与度盘轴相互垂直；

当用平行平板使望远镜调焦无穷远时，则锁紧螺钉6，使棱镜台与游标盘连在一起，通过目镜观察分划板上十字丝和其反射像水平线是否精确对称，若不对称则用半修法校正（即不对称量由望远镜和棱镜台各负责校正一半），它可通过调整螺钉达到，然后将棱镜台连同游标盘带平行平板转过去180

度，再重复上述步骤校正偏差，通过反复进行，逐次趋近，直到平行平板无论哪一个面正对望远镜，十字线和反射回来的像都对称为止，这说明望远镜瞄准轴与度盘旋转轴已垂直，以后的工作过程中，不允许再调节望远镜的调节螺旋。

⑤调整平行光管光源，使望远镜同轴

a.关掉光源b，打开光源a。

b.平行光管调焦：使狭缝像正确地形成在平行光管物镜焦面上（前面移

动狭缝，使望远镜分划板上看到狭缝的清晰像）。为了便于瞄准，狭缝像的宽度应由调整螺钉9调节到约为分划板上十字丝宽度的3倍。

c.以望远镜分划板为基准，调整螺钉，使狭缝像处在视场中心，与十字

线重合。

⑥调整棱镜棱边与仪器主轴平行

关掉钠光灯，接上望远镜灯源，使被测棱镜的折射棱与度盘转轴平行，这是校正的最后一步，又能用调整螺钉分别对棱镜的两工作面进行调整，使两工作面在望远镜的自准直像与目镜十字线呈对称，为了便于调整应把棱镜置于与螺钉对称的位置。

第二步：棱镜顶角α的测量

棱镜放在承物台上，用自准直法分别使棱镜的两个折射面与自准直望远镜的光轴垂直，两次度盘读数之差值，即为棱镜顶角的互补角值，即

的测量

第三步：最小偏向角

关掉望远镜光源，打开钠光灯光源，用望远镜测定经棱镜折射的狭缝像，当棱镜随着棱镜台转动（游标盘与棱镜台用螺钉6固定在一起转动）时，在望远镜视场的狭缝像相对十字线移动，因望远镜视场有限，为了能始终看到狭缝像，每当狭缝像移动到视场边缘时，望远镜也作相应的转动。当棱镜发一定方向转过一定角度时，会出现一个新的现象，即原来沿一定方向移动的狭缝像此时突然停止，若再转动棱镜台则狭缝像沿与原方向相反的方向移动。在狭缝像突然停止时刻的棱镜位置，即为光束经棱镜后最小偏向折射的位置，此时从度盘上用游标读取读数B1。转动承物台棱镜，以顶角A的另一面对向平行平板，用相同方法测定出最小偏向角位置，读取游标读数B2，两次读数之差即为最小偏向角

值的2倍，即

这样就提高了测量精度。

平面系统成像特性

1.实验装置

从氦氖激光器射出的水平激光束，经平面镜反射后折转90度垂直向上，再经柱面镜扩束，成为一扇形光束经介质膜分束器中的介质膜分光镜反射后，又成水平方面扇形光束与演示屏垂直相交，从而在演示屏上显示出光束的径迹，在度盘孔内插下各种光学零件后，就可以做各种光学实验。

演示仪主要由激光器、扩束器、分束器，演示屏，附件夹持架和其他附件组成。

激光管和电源都安装在底座里，演示屏、扩束器和附件夹持架装在底座上，分束器装在演示屏的左侧，夹持架装在演示屏的右侧，在演示屏的中间还有一只度盘6，它可以转动，中间有一只圆孔，用来插放各种光学零件或组件。

2.实验原理

①利用氦氖激光器发出的红色细光束，经柱面扩束镜后为一扇形平面光束，

直接射向平行平板或各种棱镜上，就能直观地观察到光束在各面上的折反射情况。

②稍稍退出柱面扩束器，在底座上放置装有圆扩束器的支架及装有指标的支

架，并把被测棱镜置于右侧的夹持器上，对着出射光线的方向能观察到各种棱镜的转像情况。

3.实验步骤

①接上220V电源，然后顺时针方向旋转开关到第一档，在正常情况下，激

光管发射出红色激光束，若由于电压过低，激光管不能启辉，可转动开关到第二档，再不行可用第三档。

②调整扩束器，扩束器可在座内前后移动，以使扩展后的光束基本上落在分

光镜上，并在演示屏需要的部位得到最明亮的光线径迹，如果不需要扩束，只需把扩束器稍稍退出。

③调整分束器，这是用来将光线分束的装置，根据需要将光线分成二束、三

束、四束或五束。这时就要使用不同面数的介质膜分光镜。为了使分束后的各条光线亮度均匀，每块介质膜分光镜的反射率是一样的。分光镜可以绕水平轴线转动，因此可以在演示屏上得到各种不同位置的光线途径，也可以根据需要使分束后的光线成为平行光线、会聚光束或发散光束。在调整时，应先拧松固紧镙钉，然后转动分光镜到需要位置，然后再拧紧固紧螺钉。整个分束器座可绕两顶尖螺钉子的轴线转动，以调节分光镜和演示屏之间的倾角，从而可调节演示屏上光线的长度和亮度。调节时，只需转动分束器座上的调节螺钉即可，整个分束器座可沿演示屏上的槽作上下移动以适应各种需要。转动分束器的上、下两只顶尖螺钉上的锁紧螺母松开、退出，然后转动上下两只顶尖螺钉，一只退，一只进，注意不要将螺钉顶得过紧，以免损坏零件。

④分别把各光学组件插入度盘中间的圆孔，组件可相对于度盘转动，以固定

在适当位置。度盘可连同光学组件一起转动。

实验物镜焦距、截距的测定

一、实验目的

掌握用定焦距平行光管法测量光学系统焦距、截距的方法

二、实验内容

掌握测量方法，做好测量前的准备工作，测量给定的照相物镜、望远物镜和显微物镜的象方焦距和截距、物方焦距和截距。

三、实验原理

测量焦距的方法很多，其中的定焦距平行光管法、（即放大率法）测量范围大，测量精度高，相对误差一般在1％以下，是目前常用的方法，其测量原理如图1－1

图1－1

是位于平行光管物镜焦平面上的其中O是平行光管物镜，L是被测透镜，y

经过平行光管物镜后成像在无限远处，再经过被测透镜一对刻线的间隔距离。y

的像y`。这种方法的原理就是通过测量像y`的大L后，在它的焦平面上得到y

小，然后计算出被测透镜的焦距。

从图1－1看出下面两个关系式：

用作图成像的方法很容易得出： w = w`，因此可以得到即：

（1－1）

这就是用定焦距平行光管法测定焦距所用的公式，其中f0` 是平行光管物镜的焦距，是已知的。Y0是位于平行光管物镜焦平面处的分划板上的一对刻线的间隔距离，它的大小也是事先已知的。Y`是这对刻线y0经过被测透镜后所成的像，如果能测量出此像y`的大小，那么就很容易用公式（1－1）计算出被测透镜的焦距f `。

利用本公式及方法，可以测量正负透镜、望远物镜、照相物镜、放映物镜，各种目镜的焦距。应当注意要正确选择测量显微镜的物镜，使之与被测光学系统相匹配。如测负焦距系统使要选择长工作距的显微物镜。这是因显微物镜的倍率不同，故（1－1）式变化如下

（1－2）

式中：β――――――测量显微镜放大倍数

四、实验设备

焦距仪、待测物镜（照相物镜、照相物镜、显微物镜）

图1－2 焦距仪结构示意图图1－3 玻罗板1.平行光管 2.透镜夹持器 3.测微目镜

测量焦距用的焦距仪如图1－2所示，它包括一个平行光管、一个透镜夹持器、一个带有目镜的读数显微镜和把它们连在一起的一根带有长度刻尺的导轨组成1．平行光管

常用的平行光管物镜的焦距有550mm、1000mm和2000mm等。位于物镜物方焦平面上可更换的分划板的形式很多、其中用于测量焦距的分划板称为玻罗板，图1－3所示的是550mm焦距仪所用的玻罗板，板上刻有5组间隔不同的平行线，它们的间距分别为1、2、4、10和20mm。焦距为1m时（997.47mm平行光管上玻璃板的间隔为5、10、20mm）。

2．带测微目镜的读数显微镜

读数显微镜是用来测量待测物镜所成像高y`的，它由物镜和测微物镜组成，物镜放大倍率可以更换，一般有0.5、1、2.5和5倍等。测微目镜的结构如图1－

4所示，是由目镜、固定分划板、活动分划板和螺旋测微读数装置四部分组成。测微丝杠转一圈，活动分划板上刻线移动量为固定分划板刻线的一格。通常测微螺旋的螺距S是0.25～1mm，读数鼓轮一圈等分为100格，格值为S/100。固定分划板上有若干等分刻线，其格值与螺距相符。活动分划板上刻有瞄准用的双刻线和叉丝线。测量时由测微丝杠推动活动分划板，使双刻线和叉丝线对准所选的起始刻线，从固定分划板上读毫米数，再从读数鼓轮上读取微小读数，然后将双刻线和叉丝线对准最终刻线，依法读数，两次读数之差即为起始到终点的刻线距离。

图1－4

1.目镜

2.固定分划板

3.活动分划板

4.螺旋测微读数装置

五、实验步骤

1．将平行光管（1）接通电源，注意选用低压变压器。

2．将被测的光学透镜夹在透镜夹持器（2）上。

3．选择好测量显微镜的倍率并装在显微镜上。

4．调整平行管、被测件、测量显微镜基本同轴。

5．调节测量显微镜，使之在视场中能清楚地看到目镜分划板的像，同时调到也能看到平行光管玻罗板上的像。

6．用测微目镜对选定的一组刻线读数，首先对准该刻线左边一条（右边也可），读得一个数，再对准另一条，读得一个数，两个读数之差即为该组刻线经被测物镜所成像之大小，重复读三遍，取平均值。

7．将测得的数代入公式（1—1）计算出被测光学透镜焦距f’来。

8．截距测量：截距是被测物镜后表面到该物镜所成像面间的距离。在测焦距的同时，利用光具座导轨上长刻度尺测出被测物镜的截距。

图1－5 截距测量示意图

在测焦距时，测量显微镜是调焦在被测物镜镜面y’上的，这时显微镜处在光具座长刻度尺某一位置上记下读数，再将显微镜慢慢地向前移动，直到在显微镜能观察到被测物镜后表面的灰尘为止，这时显微镜已处在光具座上一位置上，也记下读数，二次读数之差值，即为显微镜移动的距离S’F,也是被测物镜的后截距S”F，同样将物镜反转180゜，可测出其前截距，测试如图1－5所示。

六、思考题

1．不同波长的光源对所测焦距有何影响？

2．请划出所测的物方：焦点、焦面、主点、主面；像方：焦点、焦面、主点、主面来。