应用光学实验指导书

应用光学实验指导书应用光学实验指导书 刘冬梅 王文生等主编 长春理工大学光电工程学院 2005 年 目目 录录 实验一 透镜焦距的测量 实验二 望远系统特性参数的测量 实验三 显微系统特性参数的测量 实验四 几何象差的现象及规律 实验五 立体判释仪 实验六 自组显微镜 实验七 自组望远镜 实验八 验证透镜成像及光线传播规律的实验 实验九 色度学实验 实验十 激光光学系统 演示型实验 实验十一 傅立叶光学系统 演示型实验 实验一 透镜焦距的测量 一 实验目的一 实验目的 1 掌握放大倍率法测量焦距的原理 和步骤 2 熟悉焦距仪的基本结构并掌握焦距的测量技术 二 实验内容二 实验内容 测量正透镜的焦距 并给出正确的测量结果 三 实验仪器三 实验仪器 550 型焦距仪 或光具座 及相应附件 待测的正透镜 四 放大倍率法测焦距的原理四 放大倍率法测焦距的原理 放大倍率法测量正透镜焦距的原理如图 1 1 所示 将待测物镜置于平行光管物镜之前 并在平行光管物镜 焦面处放置彼罗板 彼罗板上刻有若干已知间距的刻线对 根据不同的彼罗板其刻线对数也稍有不同 线对从中心往 外数依次为 任取一刻线对作为物 设 mmmmmm8 4 2 其间距为 则经待测透镜成像后在待测透镜焦面上成象为y 如测量显微镜测量则测得的象为 式中 y y y yy 为显微物镜的放大率 则待测物镜的焦距可由下式求得 1 1 c f y y f 式中为平行光管物镜焦距 c f 五 测量方法五 测量方法 1 首先将已知刻线对的彼罗板放置于平行光管的物镜焦 平面上 并用测量显微镜对该彼罗板的线对进行调焦 直至 视场中出现清晰的像 选择彼罗板的其中一对刻线作为物 y 测量出物的像的大小 则得到测量显微镜的物镜放大率 y y y 2 将待测物镜放置于透镜夹持器中 并调整透镜 平行 光管及测量显微镜三者光轴共轴 图 1 1 3 微调显微镜 使刻线象清晰无视差的成在测微目镜的 分划板上 再次测量象的大小 y 4 将代入到公式 1 1 中 即可求出待测透镜的焦 y 距 此种测量透镜焦距的方法测量误差较小 精度较高 当 待测透镜象质较好且测量显微镜的实际利用的数值孔径不太 小时 可达 3 0 f f 六 测量薄透镜焦距的一般方法介绍六 测量薄透镜焦距的一般方法介绍 1 远物法测焦距 位于无限远处物体发出的光经待测透镜进行成像 其像 由接收屏接收 则待测透镜到接收屏之间的距离即为透镜焦 距 此种测量方法原理十分简单 测量也极为方便 但误差 较大 且实验过程中也可以用物距来模拟无限远的fl 20 物体 此种测量方法的相对测量误差为 5 ff 2 通过分别测量物距及像距来求取透镜焦距 该方法可在简易光具座上实现 首先采用远物法粗测被测 透镜的焦距大小 然后在光具座上依次放置物平面 物为一 个带有透明箭头的黑屏 及接收屏 且使二者间距大致为 4 倍的焦距 将待测透镜嵌入透镜夹持器上 并将夹持器置于 两屏之间 则当以光源照明物体时 物体将经透镜进行成像 沿导轨前后移动透镜 直至在接收屏上能够看到清晰的像 读取物平面到透镜的距离 导轨上有刻划线 即为物距 则l 像距为 故焦距可按下式计算 lLl fll 111 1 2 当采用此种方法进行测量时 其焦距相对测量误差约为 5 1 ff 3 两次成像法测量焦距 用微分求极值法或根据光线的可逆性可以证明 当物 像 间距略大于时 前后移动透镜的位置必然能够得到两L f 4 个位置 在此两个位置处都能够在接收屏上接收到实像 如 图 1 2 所示 若透镜的两次成像的位置间距为 则待测d 透镜的焦距为 L dL f 4 22 1 3 该法的相对测量误差约为 2 1 图 1 2 值得注意的是以上几种方法仅适用于正透镜的测量 如 果待测透镜为负透镜 则需要借助正透镜与负透镜组成一透 镜组来加以测量 七 思考 七 思考 1 如何确保平行光管 待测物镜与测量显微镜三者共轴 3 当精密测焦距时 对平行光管及测量显微镜有哪些要 求 实验二 望远系统特性参数的测量 一 实验目的一 实验目的 通过对望远系统特性参数的实际测量 进一步掌握望远 系统的基本成像原理 同时加深对其各参数的理解 二 实验内容二 实验内容 实际测量望远系统的出瞳及出瞳距的大小 三 实验仪器三 实验仪器 平行光管 待测望远系统 经纬仪或水平仪 倍率计等 四 测量原理四 测量原理 对于望远系统来而言 物镜框就是孔径光阑 也为入瞳 物镜框经后面的目镜所成的像即为望远系统的出瞳 出瞳 D 到望远系统目镜最后一面的顶点的距离就是出瞳距离 如 P 图 2 1 所示 图 2 1 利用倍率计可以简单而比较精确的测量出出瞳直径及出 瞳距 倍率计的结构原理如图 2 2 所示 其光学系统是一个 低倍的显微镜 物镜的放大率是 1 倍 目镜是倍 分划 5 12 板上刻有用来测量出瞳像直径的标尺 其刻划范围为 mm10 此外 显微镜可以在外筒内前后移动 在显微镜筒上有一根 长度标尺 刻划范围为 格值为 在外筒上有mm80 0mm1 一窗口可见到此标尺 当显微镜在外筒内移动时 标尺可指 示出它的位置 以方便的测量出出瞳距 图 2 2 五 测量步骤五 测量步骤 一 望远系统出瞳直径的测量 一 望远系统出瞳直径的测量 1 测量前将被测望远系统的目镜视度调整到零 使仪器 处于正常工作状态 2 将平行光管 被测望远系统 倍率计如图 2 3 依次 放置 并调整三者共轴等高 图 2 3 3 通过倍率计观察望远系统物镜框所成之像 并对出瞳 亮斑调焦 从而使被测系统的出瞳在倍率计分划板中心部位 上成清晰的像 此时从倍率计分划板上的刻线值即可正确地 读出被测系统的出瞳直径的大小 D 二 望远系统出瞳距离的测量 二 望远系统出瞳距离的测量 1 当倍率计调焦在出瞳面上时 从倍率计外筒窗口上也 可以读得一个读数 此读数即为沿轴方向的出瞳面的位置 1 a 2 然后 沿倍率计外筒拉动显微镜 将它调焦在被测系 统目镜的最后一个表面顶点上 此时再次记下外筒窗口上的 读数 两次读数之差就是被测系统的出瞳距 2 a p 六 思考六 思考 1 如何测量望远镜的入瞳及入瞳距 2 为什么大多数望远系统的孔径光阑都是位于物镜上 实验三 显微系统特性参数的测量 一 实验目的一 实验目的 通过对显微系统特性参数的实际测量 进一步掌握显微 系统的基本成像原理 同时加深对其各参数的理解 二 实验内容二 实验内容 实际测量显微系统的线视场 放大倍率及数值孔径的大 小 三 实验仪器三 实验仪器 待测显微镜 测微目镜 标准刻尺 半反半透镜 照明 光源 标准柱等 四 测量原理四 测量原理 一 显微镜线视场的检测 显微镜的原理示意如下图 3 1 所示 图 3 1 从图中可见 显微镜由物镜及目镜构成 被观测的物体 经显微镜的物镜放大后其像再经目镜放大以供人眼观察 其 成像过程是一个二次成像过程 对于显微镜而言 分划板是 其视场光阑 显微镜的线视场主要取决于视场光阑的大小 且显微镜的视觉放大率越大 它的物空间的线视场越小 若在显微镜承物台上放置一标准玻璃刻尺 并以光源照 明 令显微镜对标准玻璃刻尺进行调焦 使人眼通过显微镜 看清其像 则显微镜中所能看到的最大刻线范围即为显微镜 的线视场 二 显微镜放大率的测量 其测量原理如图 3 2 所示 图 3 2 使待检显微镜对承物台上的标准玻璃刻尺 1 调焦 在垂 直光轴方向于明视距离处安放另一刻尺 2 并用光源同时照 明两个刻尺 此时人眼可同时看清两刻尺的像 并将二者消 视差 在视场中读取刻尺 1 的像与刻尺 2 齐合的读数 M 及 N 则采用下式即可求得显微镜的视觉放大率 3 1 1 2 M N 式中分别为刻尺 1 及刻尺 2 的格值 21 除了此种测量方法外 还可以采用前置镜法直接测量或 分别测量构成此显微镜的物镜的垂轴放大率及目镜的视觉放 大率 在此就不一一介绍了 三 显微镜物镜数值孔径的测量NA 显微镜的数值孔径是显微镜一个非常重要的参数 其大 小直接决定了显微系统的分辨能力及象面照度 数值孔径的 表示形式如下所示 3 2 unNAsin 式中为显微物镜物方介质折射率 为显微物镜物方半孔nu 径角 当显微镜的数值孔值不大时可采用下面的方法进行测量 其测量原理如图 3 3 所示 将已知高度为的标准柱放在刻尺上 使待测显微镜以d 标准柱的上端面中心进行调焦 取下标准柱及显微镜目镜 用眼直接读取视场所见的刻尺分划的格数 则有 m 3 3 d m tgu 2 根据式 3 3 即可求出物方孔径角的大小 再利用式 3 2 即可求出被测量显微镜的数值孔径 图 3 3 在显微镜的批量生产检测时 可依据此检测原理做成专 用的数值孔径仪检测 以提高检测效率 NA 五 测量步骤五 测量步骤 一 显微系统线视场的测量 一 显微系统线视场的测量 1 将标准刻尺放置在被测量显微镜的承物台上 固定好 位置 并用光源照明刻尺 2 旋转显微镜的转动圆盘选择一个放大率比较小的物镜 如果物镜的放大倍率选择过大则看不到刻尺的像 同时通 过拔插的方式选择一个适合的目镜 转动旋钮令显微镜对刻 尺进行调焦 直至看到刻尺的清晰的像 若通过调整只能看 见刻尺的模糊的像 则还需旋转目镜进行相应的视度调节 3 此时读出通过显微镜目镜所能看到的最大的刻尺范围 此数值即为待测显微镜的线视场的大小 由于在此成像y2 过程中所用的物为已知刻值的刻尺 所以通过直接读取格值 的方式就能够测量出线视场的大小 十分方便快捷 二 显微系统放大倍率的测量 二 显微系统放大倍率的测量 1 将标准刻尺 1 放置在被测量显微镜的承物台上 固定 好位置 并用光源照明刻尺 2 在选择了适当的物镜及目镜的基础上 对标准刻尺 1 进行调焦 直至看清标准刻尺 1 的像 3 在垂直于显微镜的光轴方向上再放置一个刻尺 2 此 刻尺的格值可以与刻尺 1 相同也可不同 根据具体情况而定 并使此刻尺位于明视距离处 同时将一个半反半透镜放置于 待测目镜之上 此时让照明光源同时照明两个刻尺 当人眼 通过半反半透镜进行观察时就能够同时看到两个刻尺的像 其中刻尺 1 通过显微镜成像 放大后经半反半透镜的透射进 入人眼 而刻尺 2 则仅经过半反半透镜的反射后进入人眼 在此过程中没有经过放大 4 将两像进行调整并消视差 此时分别读取所见视场中 刻尺 1 的格值数 N 及同一视场中刻尺 2 的格值数 M 并利用 式 3 1 即可求出被测显微镜的放大倍率 三 显微镜数值孔径的测量 1 首先将标准刻尺放置在被测量显微镜的承物台上 固 定好位置 然后将已知高度的标准小圆柱放置于标准刻尺上 并用光源照明 2 然后调整显微镜令显微镜对此小圆柱的上端面进行调 焦 直至在目镜中看到小圆柱上端面的清晰的像 3 先取下目镜 再移走小圆柱 直接通过人眼来观察标 准刻尺经显微物镜所成之像 上下移动人眼的位置 直至能 够看见刻尺的清晰的像 数出所见视场中的刻尺的格值 m 并代入公式 3 3 3 2 中 即可求出该被测显微镜的 数值孔径 六 思考六 思考 1 如用小孔光阑代替标准圆柱 就如何检测显微镜的数值孔 径 2 对于显微镜而言 其物方线视场的大小与哪些因素有关 4 对于低倍显微镜 其最大视场由哪种光阑限制 该光阑一 般放在哪里 实验四 几何象差的现象及规律 一 实验目的一 实验目的 掌握各种几何象差产生的条件及其基本规律 观察各种 象差现象 实际测量显微系统的线视场 放大倍率及数值孔径的大 小 二 实验仪器二 实验仪器 焦距仪 待观测望远镜 被观测物镜 简易光具座及相 应附件等 三 测量原理三 测量原理 三 显微镜线视场的检测 四 实验原理四 实验原理 光学系统所成实际象与理想像的差异称为像差 只有在 近轴区且以单色光所成像之像才是完善的 此时视场趋近于 0 孔径趋近于 0 但实际的光学系统均需对有一定大小的 物体以一定的宽光束进行成像 故此时的像已不具备理想成 像的条件及特性 即像并不完善 可见 象差是由球面本身 的特性所决定的 即使透镜的折射率非常均匀 球面加工的 非常完美 像差仍会存在 几何像差主要有七种 球差 彗差 像散 场曲 畸变 位置色差及倍率色差 前五种为单色像差 后二种为色差 1 球差 图 4 1 球差是轴上点像差 它随着孔径的变化而变化 如图 4 1 所示 如果系统中存在球差则将影响成像的清晰程度 使像 模糊 2 彗差 彗差是轴外像差之一 它体现的是轴外物点发出的宽光束 经系统成像后的失对称情况 彗差既与孔径相关又与视场相 关 若系统存在较大彗差 则将导致轴外像点成为彗星状的 弥散斑 影响轴外像点的清晰程度 如图 4 2 所示 图 4 2 3 像散 图 4 3 像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主光线的细光束经 光学系统后 其子午焦线与弧矢焦线间的轴向距离表示 stts xxx 式中 分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线 st xx 至理想像面的距离 如图 4 3 所示 当系统存在像散时 不同的像面位置会得到不同形状的 物点像 若光学系统对直线成像 由于像散的存在其成像质 量与直线的方向有关 例如 若直线在子午面内其子午像是 弥散的 而弧矢像是清晰的 若直线在弧矢面内 其弧矢像 是弥散的而子午像是清晰的 若直线既不在子午面内也不在 弧矢面内 则其子午像和弧矢像均不清晰 故而影响轴外像 点的成像清晰度 不仅细光束有像散 宽光束一样有像散 4 场曲 使垂直光轴的物平面成曲面像的象差称为场曲 如图 4 4 所示 图 4 4 子午细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光 束的子午场曲 弧矢细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的 距离称为细光束的弧矢场曲 而且即使像散消失了 即子午 像面与弧矢像面相重合 则场曲依旧存在 像面是弯曲的 场曲是视场的函数 随着视场的变化而变化 当系统存在 较大场曲时 就不能使一个较大平面同时成清晰像 若对边 缘调焦清晰了 则中心就模糊 反之亦然 5 畸变 畸变描述的是主光线像差 不同视场的主光线通过光学系 统后与高斯像面的交点高度并不等于理想像高 其差别就是 系统的畸变 如图 4 5 所示 图 4 5 畸变仅是视场的函数 不同的视场的实际垂轴放大倍率不 同 畸变也不同 由于畸变是垂轴像差 它只改变轴外物点 在理想像面上的成像位置 使像的形状产生失真但不影响像 的清晰度 6 位置色差 轴上点两种色光成像位置的差异称为位置色差 如图 4 6 所示 图 4 6 位置色差是轴上点像差 在近轴区就已产生 对目视仪 器而言常对 C 光及 F 光较正位置色差 由于同一孔径的光线 经光学系统后与光轴有不同的交点 不同孔径不同色光的光 线也与光轴的交点不相同 故而在任何像面位置物点的像都 是一个彩色的散斑 7 倍率色差 所谓倍率色差是指轴外物点发出的两种色光的主光线在消 单色像差的高斯象面交点高度之差 当系统存在较大的倍率 色差时 物体会呈现彩色的边缘 影响成像清晰度 五 实验装置及步骤五 实验装置及步骤 本次实验所采用的装置为焦距仪 光具座 及附件等 原理如图 4 7 所示 图 4 7 其实验步骤如下 1 首先将已知刻线对的彼罗板放置于平行光管的物镜焦 平面上 将待观测物镜放置于透镜夹持器中 并调整透镜 平行光管及测量显微镜三者光轴共轴 等高 2 调整观测显微镜直至在视场中看到清晰的彼罗板的像 3 取下彼罗板 放上星点板 此时在视场中可以见到星 点的像 4 由于衍射及待测物镜的像差的影响 星点的像不是一 个点像而是一个具有一定大小的弥散斑 该弥散斑的大小 形状直接体现了像差的种类及大小 通过观察星点的像就能 够充分了解不同种类的像差对系统产生的不良影响及其特性 将星点的像调整到视场中心 直到通过沿轴前后移动显微镜 能够看到星点的衍射环同心的扩张并达到尽可能圆 这表明 星点像已位于待观测透镜的光轴之上 5 沿轴前后移动显微镜观测星点像的变化及其规律 以 观察球差及位置色差 微摆动物镜夹持器以观察轴外像差如 彗差 象散的星点图及特性 6 观察已准备好的望远镜 以了解畸变 场曲及倍率色 差的特性及规律 六 思考 1 正 负透镜及双胶合透镜产生的球差各有什么特点 2 透镜应怎样调才能观察到彗差现象 3 在该实验装置中 哪个面是子午面 哪个面是弧矢面 4 什么是畸变 常见的畸变有哪两种形式 画图说明 5 常见的用以消除场曲的方法有哪些 6 什么是消色差系统 实验五 立体判释仪 一 实验目的一 实验目的 掌握产生立体视觉的原理并利用立方体判释仪感觉立体 视觉 二 实验仪器二 实验仪器 光源 立体判释仪及其相关的待观测的图片等 三 实验原理三 实验原理 体视效应是双眼所特有的特性 单眼没有立体视觉 正 常情况下人们总是用双眼观察一个物体 双眼视觉能提高视 力锐度 同时也将产生空间深度感觉 两眼瞳间的距离称为眼基线 一般为 正是由mm65 62 于基线的存在 离观察者不同远近的物体在两眼网膜上成像 的相对位置不同 视差角不同 从而产生体视效应 双眼刚 能分辨体视差角的微小差值为体视锐度 一般情况下 min 但并不是人对任何远近的物体都会产生立体的01 min 感觉 人眼能够分辨远近的最大距离为体视半径 mbL1200 minmax 超过体视半径人将不能产生远近的感觉 双眼能分辨两点间的最短深度距离为立体视觉阈 它可 表示为 bLL 2 从式中可见 若想减少立体视觉阈只有两条途径 一为 增大基线 一为减少体视锐度 立体判释仪就是通过增大基 线来增强立体视觉的灵敏度的 如果眼睛配以视放大率为的双目仪器观察景物 则体 视锐度可提高倍 若双目仪器的物方基线是人眼基线的 B 倍 则体视锐度又可提高 B 倍 故借双目仪器可综合提高体 视锐度倍 故而可以增强观察细小物体的深度感 本实验 B 所用的体视镜 HP 型立体判释仪 就是使物方左右两图片合 成为立体图像并通过的视觉锐度放大作用来明显增强所观 B 察图片的立体感 其外形简略如图所示 此外 通过双目立体显微镜还可以对花蕊或小昆虫等细 微物体进行立体观察 图 5 1 四 实验步骤四 实验步骤 1 首先将两个待观测图片放置在台面上 用光源照明待 观察物体 然后通过立体判释仪的双目镜进行观察 这里可 看见两个图片各自的像 2 用手移动两个图片的位置直至相关的像发生完全的叠 合 此时由于视觉锐度的放大作用 观察者将明显感觉到增 强了所观察图片的立体感 五 思考五 思考 1 什么是体视锐度 2 通常用以提高体视视觉灵敏度的方法有哪两种 实验六 自组显微镜 一 实验目的一 实验目的 掌握显微镜的原理及特性 并在此基础上通过自组显微 镜来提高学生的动手能力以进一步加深对显微系统理解 二 实验装置二 实验装置 实验工作平台 显微物镜 焦距 显微mmf50 40 目镜 焦距 光源 物体 刻尺 多个磁mmf40 25 力表座 接收屏等 三 实验原理三 实验原理 显微镜的原理示意如下图 6 1 所示 图 6 1 从图中可见 显微镜由物镜及目镜构成 显微镜的特点是有 较大的光学间隔且其物镜的焦距不大 目镜的焦距也比较小 被观测的物体首先经显微镜的物镜放大后其像再经目镜放大 以供人眼观察 其成像过程是一个二次成像过程 其系统放 大率为 目 式中为物镜的垂轴放大倍率 为目镜的视觉放大倍率 目 四 实验步骤四 实验步骤 1 首先将已知焦距的显微物镜 目镜及物体 波罗板或 透明刻尺 分别夹持在磁力表座上 之后将光源 物体 显 微物镜 目镜依次放置在工作平台上 并通过调整磁力表座 夹持器进行调整以令各组成元件大致等高 如图 6 2 所示 2 根据已知显微物镜的焦距大小 将物放置在物镜的物 方焦面附近并分别固定好物及显微物镜的位置 3 用接收屏找寻物体经物镜所成的像的位置 该像应为 一倒立放大的实像 记录下此时的位置 移动显微目镜的沿 轴方向的位置 尽量使其目镜的物方焦面与物镜的实像面位 置相重合 此时固定好目镜的位置 图 6 2 4 通过微调装置沿轴向前后移动显微物镜进行调焦 人 眼位于目镜之后进行观察 并也可相应的沿轴调整目镜直至 能够看到清晰的像 从而实现了显微镜的自组 五 思考五 思考 1 为什么说显微镜是复杂化了的放大镜 2 若显微镜的出瞳位置与眼瞳不重合 将会出现什么现象 实验七 自组望远镜 一 实验目的一 实验目的 掌握望远镜的原理及特性 并在此基础上通过自组望远 镜来提高学生的动手能力以进一步加深对望远系统的理解 二 实验装置二 实验装置 实验工作平台 望远物镜 焦距大约为 目镜mm300 焦距大约为 平行光管 或与物镜相距较远的刻尺 mm40 可取物距大于 2 米 接收屏等 多个磁力表座 三 实验原理三 实验原理 亥普勒望远镜的原理示意如下图 7 1 所示 图 7 1 图中可见亥普勒望远镜也是由物镜与目镜构成 与显微镜 不同的是望远镜的光学间隔为 0 平行光入射平行光射出 其系统的视觉放大倍率为 eo ff 式中 为物镜的焦距 为目镜的焦距 在此成像过程中 0 f e f 有一个实像面位于分划面上 故可以实现测量 四 实验步骤四 实验步骤 1 首先将已知焦距的望远物镜 目镜分别夹持在磁力表 座上 之后将平行光管 提供无限远的物 望远物镜 目镜 依次放置在工作平台上 如图 7 2 所示 2 将物镜的位置固定 用接收屏来接收物体经物镜所成 的像 直到最清晰 并记下此时接收屏所位于的工作台上的 刻尺的读数 图 7 2 3 移走接收屏 将目镜移近物镜 直至令目镜的物方焦 面与接收屏所处的刻尺读数位置大致相重合 此时固定好目 镜的位置 通过调整磁力表座夹持器调整三者共轴等高 4 通过微调装置沿轴向前后移动目镜 人眼位于目镜之 后进行观察 直至能够看到清晰的像 此时可粗略认为物镜 的像方焦面与目镜的物方焦面相重合 从而实现了望远镜的 自组 五 思考五 思考 1 请问伽利略望远镜与亥普勒望远镜在结构形式上有什么区 别 2 在系统组合过程中应注意此什么 实验八 验证透镜成象及光线传播规律 的实验 一 实验目的一 实验目的 1 通过该实验能够加深学生对光的传播规律的掌握 2 了解透镜及反射镜的成像特性及其规律 二 实验装置二 实验装置 实验工作平台 JY 1 型激光光学综合演示仪 几何光 学 光源 接收屏 透镜 正 负 反射镜等附件 三 实验原理三 实验原理 几何光学有四大基本定律 分别为 光的直线传播定律 光的独立传播定律 折射定律及反射定律 其中光的光的直 线传播定律 光的独立传播定律概括了光在同均匀介质中传 播的规律 而折射定律及反射定律则是研究光传播到两种均 匀介质分界面时的现象和规律 当一束光以一定的角度入射 到两个不同的介质分界面上时是同时伴随着反射及折射的产 生 反射光遵循反射定律折射光遵循折射定律 透镜是最常见的折射元件 它又分为正透镜及负透镜 一般情况下正透镜起会聚作用 负透镜起发散作用 如果正 负透镜进行适当组合就能够出现不同状态的像 图 8 1 本次实验的目的就是希望学生通过简易的实验装置 充 分发挥自己的想象力 通过改变透镜的类型 位置及彼此的 组合来观察不同情况下的光线走向及成像特性 以加深对成 像规律的掌握和理解 其实验装置如图 8 1 所示 四 实验步骤四 实验步骤 1 打开光源 在激光演示仪上放置正透镜或负透镜 调整 入射光的入射状态 平行 会聚等 观察光线经透镜后的具 体走向 2 取下正透镜 放置各种反射镜 棱镜 平板等 也可同 时放上正透镜及负透镜 实现透镜的组合以观察不同种类的 光学元件在不同状态下的光线走向 经透镜后的具体走向前 后移动接收屏 以观察不同位置所成的像的大小及倒正 3 如图 8 1 所示在工作平台上放置好光源 物体 透镜及 接收屏的位置 尽量做到共轴等高 然后前后移动接收屏以 观察物体经透镜所成之像 并分析一下像的特性 4 当物 像间距略大于时 保持其它元件不动 前后移 f 4 动透镜 可以找到两个成实像面的位置 若测量出出现两实 像的透镜的距离时 就能够测量出透镜的焦距 五 思考五 思考 1 负透镜成像一定成虚像 正透镜成像一定成实像吗 2 实像与虚像都能被接收屏和人眼所接收 这句话对吗 为 什么 实验九 色度学实验 一 实验目的一 实验目的 掌握 了解各种样品的主波长测量的方法 WGS 9 型色 度实验系统 二 实验装置二 实验装置 WGS 9 型色度实验系统 三 实验原理三 实验原理 在理论上为了定量的表示颜色 通常采用平面直角色度 坐标来加以表示 x y z ZYX X ZYX Y ZYX Z 其中 X Y Z 为三刺激值 所有的光谱色在色坐标上为 一马蹄形曲线 该图称为 CIE1931 色坐标 在图中红 R 绿 G 蓝 B 三基色坐标点为顶点 围成的三角形内的 所有颜色均可以由三基色按一定的量匹配生成 任一颜色 M x y 的色调是由其照明光源坐标点 如 A 光源 到 M 点连线并延长与光谱轨迹相交于 N 点 N 点的光 谱色的色调 即为颜色 M 的主波长 或补色波长 如图 9 1 所示 则 M 的饱和纯度为 P AN AM An Am xx xx M 的色度纯度为 M MN AM mn Am xx xx 为测量某光源 发光体 的色坐标 必须先测量其光谱 组成的功率分布 s 然后再查表找出各光谱的三刺激值 则光源的三刺激值为 X Ks x Y Ks y Z Ks z 图 9 1 上式中 K 为调整因数 它是将发光体的 Y 值调整为 100 时 得到的值 K 100 yS 则色坐标为 x y z ZYX X ZYX Y ZYX Z 为测量某透射或反射样品的色坐标 必须先测量其样品 的透射或反射曲线 T 然后再查表找出各光谱的三刺激 值 及参考光的功率分布 s 则 x y z X s T x Y s T y Z s T z 该样品的色坐标为 x y z ZYX X ZYX Y ZYX Z 四 实验步骤四 实验步骤 1 首先确认各条信号线及电源线连接好后 按下电控箱上 的电源按钮 仪器正式启动 2 透过率及发光体测量 系统光路如图 9 2 所示 图 9 2 图中 M1 为反射镜 M2 为准光镜 M3 为物镜 G 为平面 衍射光栅 S1 为入射狭缝 S2 为出缝 2 如果当前接收器不是放在出缝 1 端 请关闭电源 把接 收器移到出缝 1 端 并把转镜打到出缝 1 端 当放置样品时 打开样品池盖 把有液体样品的比色皿放入液体样品池或把 固体样品直接插在固体样品架上 然后开机测量 当测量透 过率时 要先放空白样品做透过基线 3 反射测量 图 9 3 如果当前接收器不是放在出缝 2 端 请关闭电源 把接 收器移到出缝 2 端 并把转镜打到出缝 2 端 当放置样品时 拉开样品压板 把样品放在积分球的 图中 M1 为反射镜 M2 为准光镜 M3 为物镜 G 为 平面衍射光栅 Z 为转镜 S1 为入射狭缝 S2 为出缝 2 S3 为出缝 1 S 为样品池 样品反射口处 并压上压板 然后开机测量 当测量反 射率前 要先放标准白板做反射基线 光路如图 9 3 所示 4 关机 先检索波长到 400nm 处 使机械系统受力最小 然后关 闭应用软件 最后按下电控箱上的电源按钮关闭仪器电源 三 思考题三 思考题 1 测量反射样品和测量透射样品时有何不同 2 明度 色调 彩度三个概念有何不同 实验十 激光光学系统 演示型实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解激光器的种类 2 掌握激光器的发光原理 二 实验内容二 实验内容 掌握实验步骤 观察各种激光器产生的光斑现象 三 实验仪器三 实验仪器 CO2激光器 半导体甭浦激光器 Ar 激光器 He Ne 激光 器 Nd YAG 激光器 导轨 小孔光阑 调节架 针孔 25 显微物镜 透镜及夹持器 四 实验原理四 实验原理 具有代表性的典型激光器主要有气体激光器 固体激光 器 半导体激光器 染料激光器等 气体激光器是以气体或 蒸气作为工作物质的激光器 它是利用气体原子 分子或离 子的分离能级进行工作的 气体激光器常用的泵浦方法是电 激励 即令足够大的电流通过气体介质来完成泵浦的 由于 气体的光学均匀性较好 较之固体激光器和半导体激光器其 输出光束的质量 如单色性 相干性等 也较好 气体激光器 中又包括由原子激光器 离子激光器和分子激光器 原子激 光器是利用气体或蒸气形式下的中性原子作为工作物质 常 见的有 He Ne 激光器 离子激光器是利用气体离子激发态之 间的跃迁来产生激光的一种气体激光器 常见的有 Ar 激光器 分子激光器是利用未电离的气体份子作为工作物质的一种气 体激光器 如 CO2激光器 固体激光器的基本组成包括工作物质 泵浦系统 谐振 腔 冷却与滤光系统四部分 其中 工作物质是激光器的核 心 固体工作物质是把金属离子掺入基质而形成的 发光粒 子就是工作物质中的金属离子 称为激活离子 工作物质的 物理 化学性能主要决定于基质材料 而它的光谱特性则主 要由激活离子的能级结构所决定 常见的有掺钕钇铝石榴石 Nd3 YAG 激光器 这是在基质 Y3Al5O12 YAG 中掺入钕离 子 Nd3 部分取代 YAG 中的钇离子 Y3 而成为 Nd3 YAG 另外还有半导体激光泵浦激光器也属于固体激光 器 半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光 器 它具有超小型 高效率 结构简单 价格便宜以及可以 高速工作等一系列优点 每一种激光器的发光机理各不相同 具体问题可具体分 析 五 实验步骤五 实验步骤 1 1 观察激光光斑 观察激光光斑 接通电源 打开激光器开关 将其发出的光束投射到墙上或是 接收屏上 观察光斑现象 对功率较大的激光器及非可见光 波段的激光光束可用功率计进行接收 切勿将光束直接射向 人体 尤其是眼部 2 2 准直扩束光斑 准直扩束光斑 将半导体激光器放在导轨上 打开激光器开关 使 激光器发出光束 用小孔光阑作为基准调节激光器的上下 左右位置 使光束平行于导轨 将显微物镜和针孔放在调节架上 调节架放于导轨 上 并对其进行调整 使激光光束经过显微物镜后聚焦于针 孔位置处 将透镜及夹持器放在导轨上 前后调节其位置 使 针孔刚好位于透镜的焦点位置处 此时光束经透镜后出射的 即为平行光束 观察其光斑现象 六 实验结果展示六 实验结果展示 1 He Ne 激光器 波长为 632 8nm 及其光斑现象 2 CO2激光器 波长为 10 6 m 3 Nd YAG 激光器 波长为 1 06 m 及其光斑现象 5 准直扩束系统及其光斑现象 实验十一 傅立叶光学系统 演示型 实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解傅立叶变换理论 2 掌握联合变换相关器的使用方法 二 实验内容二 实验内容 掌握仪器的开关顺序 观测通过装置所产生的实验结果 三 实验装置三 实验装置 光电混合联合变换相关器 电脑控制系统 四 实验原理四 实验原理 1 傅里叶变换 傅立叶变换形式如下 dxexgfG fxj 2 1 dfefGxg fxj 2 2 这两个积分即傅立叶积分 称为的傅立叶变换 fG xg 或频谱 若表示某空间域的物理量 则是该物理量 xg fG 在频率域的表示形式 和构成傅立叶变换对 xg fG 二维傅立叶变换是一维傅立叶变换的推广 dxdyyfxfjyxgffG yxyx 2exp 3 yxyxyx dfdfyfxfjffGyxg 2exp 4 2 联合变换相关器原理 联合变换相关的主要特征是参考图像与目标图像同时输 入光学运算系统 在第一个傅立叶变换平面上记录联合变换 功率谱 联合变换功率谱经过第二次傅立叶变换后 获得一 对相关输出 将准直的相干单位振幅光入射到物体上 物体被 yxw 写入光空间调制器 设输入图像为 5 yxhyxtyxw yxhyxt 其中是目标图像 是复杂背景图像 另设参考 yxt yxh 模板为 这样 通过目标与参考模板的光