相差测量课程设计

湖南文理学院课程设计湖南文理学院课程设计 课程内容 课程内容 GCS ABE 光学系统像差测量光学系统像差测量 专业班级 专业班级 物理 10101 班 学生姓名 学生姓名 201011010146 王晶邦 指导老师 指导老师 彭 光 含 地地 点 点 T2 C403 设计时间 设计时间 2012 6 4 2012 6 15 成成 绩 绩 GCS ABE 光学系统像差测量光学系统像差测量 一 测量所需仪器一 测量所需仪器 平行光管 HeNe 激光器 简易刀口 球差镜头 慧差镜头 像散镜头 场 曲镜头 畸变镜头 CMOS 相机等 二 测量应用与仿真实现二 测量应用与仿真实现 1 光学系统像差的计算机模拟光学系统像差的计算机模拟 主要是应用像差模拟软件 在电脑上观测球差 慧差及像散的光场分布图 及三维效果图 以便学生更加深刻的理解各种单色像差的概念及对光学系统的 影响 2 仿真实验结果仿真实验结果 2 1 球差 2 2 慧差 2 3 象散 0 度与离焦 2 4 离焦 三 测量步骤三 测量步骤 1 平行光管的调节使用及位置色差的测量平行光管的调节使用及位置色差的测量 1 1 参考示意图 2 1 搭建观测位置色差的实验装置 23451 6 图 2 1 位置色差检测装置示意图 1 光纤光源4 可调节棱镜支架 2 平行光管5 CMOS 数字相机 3 色差镜头6 一维平移台 1 2 调节平行光管 被测镜头和 CMOS 相机 使它们在同一光轴上 具体操作 步骤 先取下星点板 使人眼可以直接看到通过平行光管和被测镜头后的会聚 光斑 调节被测镜头和 CMOS 相机的高度及位置 使平行光管 被测镜头和 CMOS 相机靶面共轴 且会聚光斑打在 CMOS 相机靶面上 1 3 装上 25的星点板 微调 CMOS 相机位置 使得 CMOS 相机上光斑亮度m 最强 此时在平行光管上加上 F 光 486nm 滤色片 可以看见视场变暗 此 时调节 CMOS 相机下方的平移台 使 CMOS 相机向被测镜头方向移动 直到 观测到一个会聚的亮点 记下此时平移台上螺旋丝杆的读数 此时将 F 光滤 1 X 色片换成 D 光 589nm 滤色片 可看见视场图案 然后调节平移台 使 CMOS 相机向远离被测镜头方向移动 又可观测到一个会聚的亮点 记下此时 平移台上螺旋丝杆的读数 再将 D 光滤色片替换为 C 光 656nm 滤色片 2 X 可看见视场图案 再次调节平移台 使 CMOS 相机继续想远离镜头方向移动 又可观测到一个会聚的亮点 记下此时平移台上螺旋丝杆的读数 3 X 1 4 数据处理 位置色差 FCFC LLL FDFD LLL DCDC LLL 1 5 实验结果实验结果 实验采集图片 2 星点法观测光学系统单色像差星点法观测光学系统单色像差 2 1 参考示意图 2 2 搭建观测轴上光线像差 球差 的实验装置 23451 6 图 2 2 轴上光线像差 球差 星点法观测示意图 1 光纤光源4 可调节棱镜支架 2 平行光管5 CMOS 数字相机 3 球差镜头6 一维平移台 2 2 调节各个光学元件与 CMOS 相机靶面同轴 沿光轴方向前后移动 CMOS 相 机 找到通过球差镜头后 星点像中心光最强的位置 2 3 前后轻微移动 CMOS 相机 观测星点像的变化 可看到球差的现象 2 4 参考示意图 2 3 搭建观测轴外光线像差 慧差 像散 场曲 的实验装置 23451 6 图 2 3 轴外光线像差星点法观测示意图 1 光纤光源4 可调节棱镜支架 2 平行光管5 CMOS 数字相机 3 轴外像差镜头6 旋转台 2 5 先按照图 2 3 调节各个光学元件与 CMOS 相机靶面同轴 沿光轴方向前后 移动 CMOS 相机 找到通过像差镜头后 星点像中心光最强的位置 2 6 轻微调节像差镜头下方的旋转台 使像差镜头与光轴成一定夹角 观测 CMOS 相机中星点像的变化 2 7 实验结果实验结果 2 7 1 球差实验采集图 1 2 3 4 5 6 2 7 2 慧差实验采集图 2 7 3 场曲实验采集图 1 2 3 4 5 6 2 7 4 像散实验采集图 1 2 3 4 5 6 3 阴影法测量光学系统像差与刀口仪原理阴影法测量光学系统像差与刀口仪原理 3 1 参考示意图 2 4 搭建刀口阴影法测量球差的实验装置 2 34 156 87 图 2 4 刀口阴影法球差测量装置 1 光纤光源6 CMOS 数字相机 2 平行光管7 镜架 3 大口径透镜8 一维平移台 4 刀口 5 远心成像镜头 3 2 调节平行光管 大口径透镜 刀口装置 CMOS 相机成像靶面共轴 在平行 光的照射及视场光阑的作用下 被测系统将在 CMOS 相机靶面形成一具有明显 边界轮廓 可反映被测系统孔径大小的图案 3 3 调节刀口位置 使刀口切割光束一半 在视图上显示为半暗半明的阴影图 3 4 沿光轴方向移动刀口装置 找到亮半圆和暗半圆互换的位置 然后通过平移 台细调刀口位置 使得刀口在焦点附近切割 观察分析实际阴影图与理想的半 亮半暗圆的阴影图之间的差别 4 剪切干涉测量光学系统像差剪切干涉测量光学系统像差 12345768 9101211 图 2 5 剪切干涉实验装置 4 1 按图 2 5 搭建好光路 准直镜即为被测透镜 摆放器件前应调整各自的高度 让激光通过扩束镜 针孔和薄透镜后为平行光 扩束镜的焦点和准直镜的焦点 重合 此时扩束镜下方轴向的平移丝杆读数为 使激光从平行平板的中心通 1 L 过 白屏上的光点高度应和 CCD 上的变焦镜头在同一高度 此时在白屏上出现 的图案为 焦点处的图像 4 2 把可调光阑放置在薄透镜和平行平晶之间 把光阑孔径调制到最小 这样白 屏上会出现两个亮点 用 CCD 采集图像 保证 CCD 的成像面和白屏平行且白 屏上的刻度尺要保证水平 否则会影响计算精度 用计算机软件进行标定并求 出这两个亮点之间的距离 这个距离就是剪切量 s 剪切量计算图 4 3 利用软件求出被测透镜的轴向离焦量和初级球差 见附录 并与测量的轴 向离焦量及理论值初级球差比例系数比较 实验结束时要将调节短焦距透镜支 架的微调旋钮旋转到零位 以避免内部的器件因长期受力而变形 4 4 实验结果实验结果 4 4 1 实验应采集到的图像 计算剪切量所需图片 计算球差和离焦量所需的图片 4 4 2 实验实际所采集到的图像 4 测量中注意及所出现的问题测量中注意及所出现的问题 1 图像的采集图像的采集 1 1 图像采集过程中 CMOS 相机所采集的图像须为 BMP 格式的 采集到的图 像应该保存在剪切软件所在文件夹内 以便于读图标定等 1 2 CMOS 相机所采集的图像大小和像素都为任意的 而软件处理过程中 所需 要的图片像素为 256x256 即大小为 193kb 的图像 在拍摄图像之前像素应调 节为 256x256 2 剪切干涉软件缺陷剪切干涉软件缺陷 在实际的数据处理过程中 剪切干涉软件软件对相机标定存有漏洞 当被 读图像为给定原图时 相机标定有动荡 比例因子在 0 1515 0 1904 之间 继 而所测得的实验数据误差太大甚至有误 5 设计体会设