应用光学实验指导书

应用光学试验指导书

刘冬梅、王文生等主编

长春理工高校光电工程学院

2005年

目录

［试验一］透镜焦距的测量

［试验二］望远系统特性参数的测量

［试验三］显微系统特性参数的测量

［试验四］几何象差的现象与规律

［试验五］立体判释仪

［试验六］自组显微镜

［试验七］自组望远镜

［试验八］验证透镜成像与光线传播规律的试验

［试验九］色度学试验

［试验十］激光光学系统（演示型试验）

［试验十一］傅立叶光学系统（演示型试验）

［试验一］透镜焦距的测量

一、试验目的

1、驾驭放大倍率法测量焦距的原理、和步骤；

2、熟识焦距仪的基本结构并驾驭焦距的测量技术。

二、试验内容

测量正透镜的焦距，并给出正确的测量结果

三、试验仪器

550型焦距仪（或光具座）与相应附件，待测的正透

镜

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（依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2加77,4〃27?7,8加"）o任取一刻线对作为

物，设其间距为y,则经待测透镜成像后在待测透镜焦面

上成象为）/,如测量显微镜测量则测得）/的象），〃为：

了=为，（式中夕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)

式中方为平行光管物镜焦距。

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，直至视场中出现清楚的像，选择彼罗板的其中一对刻

线作为物力测量出物的像的大小y,则得到测量显微镜

的物镜放大率：/3=y〕y。

2、将待测物镜放置于透镜夹持器中，并调整透镜、

平行光管与测量显微镜三者光轴共轴。

平行光管透镜夹持器测量显微镜

光具座

（a）焦距仪示意图

（b）放大倍率法测量焦距原理图

图IT

3、微调显微镜，使刻线象清楚无视差的成在测微目

镜的分划板上，再次测量象的大小），〃。

4、将y〃代入到公式（1-1）中，即可求出待测透镜

的焦距。

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五

径不太小时，可达b/，//Y0.3%o

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。此种测量方法原理特别简洁，测量也极为便利,

但误差较大。且试验过程中也可以用物距/>20（来模拟

无限远的物体。此种测量方法的相对测量误差为：

4T//Y5%。

2、通过分别测量物距与像距来求取透镜焦距：

该方法可在简易光具座上实现。首先采纳远物法粗测

被测透镜的焦距大小，然后在光具座上依次放置物平面

（物为一个带有透亮箭头的黑屏）与接收屏，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

能够看到清楚的像，读取物平面到透镜的距离（导轨上有

刻划线）即为物距/,则像距为故焦距可按下

式计算:

-2）

当采纳此种方法进行测量时，其焦距相对测量误差约

为

l%<Af7/r<5%o

3、两次成像法测量焦距

用微分求极值法或依据光线的可逆性可以证明：当物、

像间距L略大于4f时，前后移动透镜的位置必定能够得

到两个位置，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小

则待测透镜的焦距为：

3)

该法的相对测量误差约为1%〜2%o

图1一2

值得留意的是以上几种方法仅适用于正透镜的测量,

假如待测透镜为负透镜，则须要借助正透镜与负透镜组成

一透镜组来加以测量。

七、思索：

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，对平行光管与测量显微镜有哪些

要求？

［试验二］望远系统特性参数的测量

一、试验目的

通过对望远系统特性参数的实际测量，进一步驾驭望

远系统的基本成像原理，同时加深对其各参数的理解。

二、试验内容

实际测量望远系统的出瞳与出瞳距的大小。

三、试验仪器

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

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

出瞳到望远系统目镜最终一面的顶点的距离就是出

瞳距离P,如图2—1所示。

利用倍率计可以简洁而比较精确的测量出出瞳直径与

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12.5

倍，分划板上刻有用来测量出瞳像直径的标尺，其刻划范

围为10吹〃2。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。〜80〃〃〃，格值为

1mm（在外筒上有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，以便利的测量出出

靠体物镜分划板目镜

瞳距。

图2—2

五、测量步骤

（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，位

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。

平行光管待测望远镜倍率计

图2—3

3、通过倍率计视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

心部位上成清楚的像，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

（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

位置由O

2、然后，沿倍率计外筒拉动显微镜，将它调焦在被

测系统目镜的最终一个表面顶点上,此时再次登记外筒窗

口上的读数0C两次读数之差就是被测系统的出瞳距“。

六、思索

1、如何测量望远镜的入瞳与入瞳距？

2、为什么大多数望远系统的孔径光阑都是位于物镜上?

［试验三］显微系统特性参数的测量

一、试验目的

通过对显微系统特性参数的实际测量，进一步驾驭显

微系统的基本成像原理，同时加深对其各参数的理解。

二、试验内容

实际测量显微系统的线视场、放大倍率与数值孔径的

大小。

三、试验仪器

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

（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，显微镜由物镜与目镜构成，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视

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：

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与N,则采纳下式即可求得显微镜的视觉放大率：

一Nr?

(3—1)

式中弓"2分别为刻尺1与刻尺2的格值。

除了此种测量方法外，还可以采纳前置镜法干脆测量

或分别测量构成此显微镜的物镜的垂轴放大率与目镜的

视觉放大率。在此就不一一介绍了。

(三)显微镜物镜数值孔径24的测量

显微镜的数值孔径是显微镜一个特别重要的参数，其

大小干脆确定了显微系统的辨别实力与象面照度。数值孔

径的表示形式如下所示：

NA=nsinu(3—2)

式中〃为显微物镜物方介质折射率；〃为显微物镜物方半

孔径角。

当显微镜的数值孔值不大时可采纳下面的方法进行

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

以标准柱的上端面中心进行调焦，取下标准柱与显微镜目

镜，用眼干脆读取视场所见的刻尺分划的格数〃?，则有:

tgu=—(3一

2d

3)

依据式(3-3)即可求出物方孔径角的大小，再利用式(3

待测显微镜

标准圆柱

孔径角U

多刻尺1

承物台

-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N4,以提高检测效率。

五、测量步骤

(-)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(假如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，直至看到刻尺的清楚的像，若通过

调整只能望见刻尺的模糊的像，则还需旋转目镜进行相应

的视度调整。

3、此时读出通过显微镜目镜所能看到的最大的刻尺

范围2y,此数值即为待测显微镜的线视场的大小。由于

在此成像过程中所用的物为已知刻值的刻尺，所以通过干

脆读取格值的方式就能够测量出线视场的大小，特别便利

快捷。

（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与目镜的基础上，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，依据详细状

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视察时就能够同时看

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与同一视场中刻尺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楚的像。

3、先取下目镜，再移走小圆柱，干脆通过人眼来视

察标准刻尺经显微物镜所成之像，上下移动人眼的位置,

直至能够望见刻尺的清楚的像。数出所见视场中的刻尺的

格值机，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、思索

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？

［试验四］几何象差的现象与规律

一、试验目的

驾驭各种几何象差产生的条件与其基本规律，视察各

种象差现象。

实际测量显微系统的线视场、放大倍率与数值孔径的

大小。

二、试验仪器

焦距仪、待观测望远镜、被观测物镜、简易光具座与

相应附件等。

三、测量原理

（三）显微镜线视场的检测

四、试验原理

光学系统所成实际象与志向像的差异称为像差，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肯定

大小的物体以肯定的宽光束进行成像，故此时的像已不具

备志向成像的条件与特性，即像并不完善。可见，象差是

由球面本身的特性所确定的，即使透镜的折射率特别匀

称，球面加工的特别完备，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、位置色差与倍率色差。前五种为单色像差，后二种为

色差。

1、球差

球差是轴上点像差，它随着孔径的变更而变更。如图

4—1

所示，假如系统中存在球差则将影响成像的清楚程度，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状况，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，影响轴外像点的清楚程度。如图4-2

a)b)

图4-2

理

想

像

面

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：

4=%-Z

式中，X,工分别表示子午焦线至志向像面的距离与弧矢

焦线至志向像面的距离，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态

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，而弧矢像是清楚的；若直线在弧矢面内，

其弧矢像是弥散的而子午像是清楚的；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楚，故

而影响轴外像点的成像清楚度。

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：

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。而且即使像散消逝了

（即子午像面与弧矢像面相重合），则场曲照旧存在（像

面是弯曲的）。

场曲是视场的函数，随着视场的变更而变更。当系统

存在较大场曲时，就不能使一个较大平面同时成清楚像,

若对边缘调焦清楚了，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志向像高,其差

别就是系统的畸变，如图4—5所示：

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，它只变更轴

外物点在志向像面上的成像位置，使像的形态产生失真但

不影响像的清楚度。

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

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光与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，影响成像清楚度。

五、试验装置与步骤

本次试验所采纳的装置为焦距仪（光具座）与附件等。

原理如图4—7所示：

平行光管透镜夹持器测量显微镜

光具座

图4—7

其试验步骤如下：

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、平行光管与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楚的彼罗板

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、由于衍射与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肯定大小的弥散斑,该弥散斑的

大小、形态干脆体现了像差的种类与大小。通过视察星点

的像就能够充分了解不同种类的像差对系统产生的不良

影响与其特性。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

±o

5、沿轴前后移动显微镜观测星点像的变更与其规律,

以视察球差与位置色差；微摇摆物镜夹持器以视察轴外像

差如彗差、象散的星点图与特性。

6、视察已打算好的望远镜，以了解畸变、场曲与倍

率色差的特性与规律。

六、思索

1、正、负透镜与双胶合透镜产生的球差各有什么特

点？

2、透镜应怎样调才能视察到彗差现象？

3、在该试验装置中，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、常见的用以消退场曲的方法有哪些？

6、什么是消色差系统？

［试验五］立体判释仪

一、试验目的

驾驭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、试验仪器

光源、立体判释仪与其相关的待观测的图片等。

三、试验原理

体视效应是双眼所特有的特性，单眼没有立体视觉。

正常状况下人们总是用双眼视察一个物体，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62〜,正

是由于基线的存在，离视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。双眼刚能辨别体视差角的微小差值为体视锐度八熊2

一般状况下△线m=10"，但并不是人对任何远近的物体都

会产生立体的感觉，人眼能够辨别远近的最大距离为体视

半径：

4ax="A£in=1200”

超过体视半径人将不能产生远近的感觉。

双眼能辨别两点间的最短深度距离为立体视觉阈，它

可表示为：

=1b

从式中可见，若想削减立体视觉阈只有两条途径：一

为增大基线，一为削减体视锐度。立体判释仪就是通过增

大基线来增加立体视觉的灵敏度的。

假如眼睛配以视放大率为「的双目仪器视察景物，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3「倍，故而可以增加视察细小物体的深度

感。本试验所用的体视镜（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BV的视觉锐度放大

作用来明显增加所视察图片的立体感，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

四、试验步骤

1、首先将两个待观测图片放置在台面上，用光源照

明待视察物体，然后通过立体判释仪的双目镜进行视察,

这里可望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，视察者将明显感

觉到增加了所视察图片的立体感。

五、思索

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？

［试验六］自组显微镜

一、试验目的

驾驭显微镜的原理与特性，并在此基础上通过自组显

微镜来提高学生的动手实力以进一步加深对显微系统理

解。

二、试验装置

试验工作平台、显微物镜（焦距r=40〜50帆〃2）、显

微目镜（焦距尸=25〜40〃“）、光源、物体（刻尺）、多

个磁力表座、接收屏等。

三、试验原理

显微镜的原理示意如下图6-1所示:

从图中可见，显微镜由物镜与目镜构成，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

目镜放大以供人眼视察，其成像过程是一个二次成像过

程。其系统放大率为：

「=%1

式中夕为物镜的垂轴放大倍率，「目为目镜的视觉放大倍

率。

四、试验步骤

1、首先将已知焦距的显微物镜、目镜与物体（波罗

板或透亮刻尺）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、依据已知显微物镜的焦距大小，将物放置在物镜

的物方焦面旁边并分别固定好物与显微物镜的位置。

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。

fo

光源物—物镜目镜

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视察，并也可相应的沿轴调整目镜

直至能够看到清楚的像，从而实现了显微镜的自组。

五、思索

1、为什么说显微镜是困难化了的放大镜？

2、若显微镜的出瞳位置与眼瞳不重合，将会出现什么现

象？

［试验七］自组望远镜

一、试验目的

驾驭望远镜的原理与特性，并在此基础上通过自组望

远镜来提高学生的动手实力以进一步加深对望远系统的

理解。

二、试验装置

试验工作平台、望远物镜（焦距大约为300〃加）、目镜

（焦距大约为40〃〃%）、平行光管（或与物镜相距较远的刻

尺，可取物距大于2米）、接收屏等、多个磁力表座。

三、试验原理

亥普勒望远镜的原理示意如下图7-1所示:

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：

r=-/：//；

式中，4为物镜的焦距；为目镜的焦距。在此成像过

程中，有个实像而位丁•分划面上，故可以实现测量。

四、试验步骤

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（供应无限远的物）、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，直到最清楚，并登记此时接收屏所位于的工作

台上的刻尺的读数。

平台

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

镜之后进行视察，直至能够看到清楚的像。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、思索

1、请问伽利略望远镜与亥普勒望远镜在结构形式上有什

么区分？

2、在系统组合过程中应留意此什么？

［试验八］验证透镜成象与光线传播规律的试验

一、试验目的

1、通过该试验能够加深学生对光的传播规律的驾驭;

2、了解透镜与反射镜的成像特性与其规律。

二、试验装置

试验工作平台、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、试验原理

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、折射定律与反射定律。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匀

称介质中传播的规律,而折射定律与反射定律则是探讨光

传播到两种匀称介质分界面时的现象和规律。当一束光以

肯定的角度入射到两个不同的介质分界面上时是同时伴

随着反射与折射的产生,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，它又分为正透镜与负透

镜。一般状况下正透镜起会聚作用，负透镜起发散作用，

假如正负透镜进行适当组合就能够出现不同状态的像。

毛玻璃透镜接收屏

光'%___________________________________________________

物平面y

1r

<--------------X------------>

图8-1

本次试验的目的就是希望学生通过简易的试验装

置，充分发挥自己的想象力，通过变更透镜的类型、位置

与彼此的组合来视察不同状况下的光线走向与成像特性,

以加深对成像规律的驾驭和理解。其试验装置如图8-1

所示。

四、试验步骤

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），视察光线经透镜

后的详细走向。

2、取下正透镜，放置各种反射镜、棱镜、平板等，也可

同时放上正透镜与负透镜，实现透镜的组合以视察不同种

类的光学元件在不同状态下的光线走向。经透镜后的详细

走向前后移动接收屏，以视察不同位置所成的像的大小与

倒正。

3、如图8-1所示在工作平台上放置好光源、物体、透

镜与接收屏的位置，尽量做到共轴等高，然后前后移动接

收屏以视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4k时，保持其它元件不动，前

后移动透镜，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、思索

1、负透镜成像肯定成虚像，正透镜成像肯定成实像吗？

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？

［试验九］色度学试验

一、试验目的

驾驭、了解各种样品的主波长测量的方法。WGS-9型

色度试验系统

二、试验装置

WGS-9型色度试验系统

三、试验原理

在理论上为了定量的表示颜色,通常采纳平面直角

色度坐标来加以表示：

XYZ

x二--------y二--------

X+Y+ZX+Y+ZX+Y+Z

其中X,Y,Z为三刺激值，全部的光谱色在色坐标上

为一马蹄形曲线，该图称为CTE1931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

角形内的全部颜色均可以由三基色按肯定的量匹配生成。

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：

月”一工.

ANxn-xfX

M的色度纯度为:

M二AM=(一/

MNxn-xtn

为测量某光源（发光体）的色坐标，必需先测量其光

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，

s（入）x（入）△入

Y-K

-s（入）y（入）△入

z=K

s（X）z（入）△入

0.8

86

0.4

0.3333

0.2

0400nm0.2033330.4

CIE1931色品图

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=L22

^S(2)XA)AA

则色坐标为:

XYZ

x---------------y----------------------

x+y+zx+r+zzx+y+z

为测量某透射或反射样品的色坐标，必需先测量其样

品的透射或反射曲”T(X),然后再查表找出各光谱的

三刺激值嚏(入)、)'(入)、三(入)与参考光的功率分布

s(入),则，

X-

-s(X)T(X)x(X)

Y

=s(X)T(X)y(X)

=

Z

s(X)T(X)z(X)

该样品的色坐标为：

XY

x二------------------y二------------------

ZX+Y+ZX+F+Z

z=-x---+---y---+--z-

四、试验步骤

1、首先确认各条信号线与电源线连接好后，按下电控箱

上的电源按钮，仪器正式启动。

2、透过率与发光体测量，系统光路如图9—2所示:

积分球

图9-2

图中，Ml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。

假如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

品池或把固体样品干脆插在固体样品架上，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

假如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，Ml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400nni处，使机械系统受力最小，然后

关闭应用软件，最终按下电控箱上的电源按钮关闭仪器电

源。

三、思索题

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？

［试验十］激光光学系统（演示型试验）

一、试验目的

L了解激光器的种类

2.驾驭激光器的发光原理

二、试验内容

驾驭试验步骤，视察各种激光器产生的光斑现象。

三、试验仪器

C02激光器、半导体甭浦激光器、Ar'激光器、lie-Ne

激光器、Nd:YAG激光器、导轨、小孔光阑、调整架、针

孔（25口）、显微物镜、透镜与夹持器

四、试验原理

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

子或离子的分别能级进行工作的。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。由于气体的光学匀称性较好，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：COZ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、化学性能主要确定于基质材料，而它的光

谱特性则主要由激活离子的能级结构所确定。常见的有掺

铉钮铝石榴石（Nd3+:YAG）激光器，这是在基质Y3Al5O2

（YAG）中掺入钛离子（Nd"）,部分取代YAG中的忆离子（丫力

而成为Nd”: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、结构简洁、价格便宜以

与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，详细问题可详细

分析。

五、试验步骤

1.视察激光光斑：

I）接通电源；

II）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，视察光斑现象，对功率较大的激光器与非可

见光波段的激光光束可用功率计进行接收（切勿将光束干

脆射向人体，尤其是眼部）。

2.准直扩束光斑：

I）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；

II）用小孔光阑作为基准调整激光器的上下、左右位

置，使光束平行于导轨；

III）将显微物镜和针孔放在调整架上，调整架放于导

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；

IV）将透镜与夹持器放在导轨上，前后调整其位置,

使针孔刚好位于透镜的焦点位置处，此时间束经透镜后出

射的即为平行光束，视察其光斑现象。

六、试验结果展示

1）He-Ne激光器（波长为632.8nm）与其光斑现象:

2）CO2激光器（波长为10.6um）：

3）Nd:YAG激光器（波长为L06um）与其光斑现象:

5）准直扩束系统与其光斑现象:

［试验十一］傅立叶光学系统（演示型试验）

一、试验目的

1.了解傅立叶变换理论；

2.驾驭联合变换相关器的运用方法

二、试验内容

驾驭仪器的开关依次，观测通过装置所产生的试验结

果。

三、试验装置

光电混合联合变换相关器、电脑限制系统

四、试验原理

1.傅里叶变换

傅立叶变换形式如下：

G(/)=rgge-2gdx(1)

J—oo

g(x)=「GCf)eJ2^df(2)

J-co

这两个积分即傅立叶积分。G(7)称为g(x)的傅立叶

变换或频谱。若g(x)表示某空间域的物理量，G")则是

该物理量在频率域的表示形式，g(x)和G")构成傅立叶

变换对。

二维傅立叶变换是一维傅立叶变换的推广：

00

G(fx,/v)=JJg。，、)exp[—出+fyy)cbcdy(3)

-oo

8

g(x,y)=JJG(九/v)expU2T(</+fyy)]dfxdfy(4)

-00

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其次次傅立叶变换

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以x,y)上，物体

被写入光空间调制器，设输入图像为：

y)=/(x,y)+力(x,y)(5)

(t(x,y)wh(x,y))

其中，Q,y)是目标图像，/z(x,y)是困难背景图像，另设参

考模板为这样，通过目标，(x,y)与参考模板〃(x,y)

的光学相关得到的相关峰函数厂售£或者f③〜可以确定目

标y)在输入图像以x,y)中的准确位置。

图1联合变换功率谱的记录

对目标与参考模板的联合图像进行傅里叶变换。如图

1所示，图中的L为傅里叶变换透镜，