應用光學試驗指導書

劉冬梅、王文生等主編

長春理工大學光電工程學院

2023年

目錄

［試驗一］透鏡焦距H勺測量

［試驗二］望遠系統(tǒng)特性參數(shù)H勺測量

［試驗三］顯微系統(tǒng)特性參數(shù)日勺測量

［試驗四］幾何象差口勺現(xiàn)象及規(guī)律

［試驗五］立體判釋儀

［試驗六］自組顯微鏡

［試驗七］自組望遠鏡

［試驗八］驗證透鏡成像及光線傳播規(guī)律日勺試驗

［試驗九］色度學試驗

［試驗十］激光光學系統(tǒng)（演示型試驗）

［試驗十一］傅立葉光學系統(tǒng)（演示型試驗）

［試驗一］透鏡焦距的測量

一、試驗目的

1、掌握放大倍率法測量焦距的原理、和環(huán)節(jié)；

2、熟悉焦距儀日勺基本構(gòu)造并掌握焦距的測量技術(shù)。

二、試驗內(nèi)容

測量正透鏡的焦距，并給出對於J/J測量成果

三、試驗儀器

550型焦距儀（或光具座）及對應附件，待測H勺正透鏡

四、放大倍率法測焦距的原理

放大倍率法測量正透鏡焦距的原理如圖1—1所示。

將待測物鏡置于平行光管物鏡之前，并在平行光管物鏡焦

面處放置彼羅板。彼羅板上刻有若干已知間距時刻線對（根據(jù)

不一樣的彼羅板其刻線對數(shù)也稍有不一樣，線對從中心往外數(shù)

依次為....）。任取一刻線對作為物，設其間距

為），，則經(jīng)待測透鏡成像后在待測透鏡焦面上成象為），'，如測

量顯微鏡測量則測得V的象》〃為：y〃=為'（式中夕為顯微物

鏡的放大率），則待測物鏡的焦距可由下式求得：

式中方為平行光管物鏡焦距。

五、測量措施

1、首先將已知刻線對H勺彼羅板放置于平行光管的物鏡焦

平面上，并用測量顯微鏡對該彼羅板的線對進行調(diào)焦，直至視

場中出現(xiàn)清晰的像，選杼彼羅板的其中一對刻線作為物），，測

量出物H勺像的大小/,則得到測量顯微鏡的物鏡放大率:

B=y'iy。

2、將待測物鏡放置于透鏡夾持器中，并調(diào)整透鏡、平行

平行光管透鏡夾持器測量顯微鏡

光具座

(a)焦距儀示意圖

(b)放大倍率法測量焦距原理圖

光管及測量顯微鏡三者光軸共軸。

圖1一1

3、微調(diào)顯微鏡，使刻線象清晰忽視差的成在測微目鏡H勺

分劃板上，再次測量象H勺大小y〃。

4、將y〃代入到公式(1-1)中，即可求出待測透鏡日勺焦

距。

此種測量透鏡焦距的措施測量誤差較小，精度較高，當待

測透鏡象質(zhì)很好且測量顯微鏡日勺實際運用的數(shù)值孔徑不太小

時，可達0.3%o

六、測量薄透鏡焦距的一般措施簡介

1、遠物法測焦距：

位于無限遠處物體發(fā)出的光經(jīng)待測透鏡進行成像，其像由

接受屏接受，則待測透鏡到接受屏之間的距離即為透鏡焦距。

此種測量措施原理十分簡樸，測量也極為以便，但誤差較大。

且試驗過程中也可以用物距/〉20尸來模擬無限遠的物體。此

種測量措施日勺相對測量誤差為：曠//Y5%。

2、通過度別測量物距及像距來求取透鏡焦距：

該措施可在簡易光具座上實現(xiàn)。首先采用遠物法粗測被測

透鏡口勺焦距大小，然后在光具座上依次放置物平面（物為一種

帶有透明箭頭的黑屏）及接受屏，且使兩者間距大體為4倍的

焦距。將待測透鏡嵌入透鏡夾持器匕并將夾持器置于兩屏之

間，則當以光源照明物體時，物體將經(jīng)透鏡進行成像，沿導軌

前后移動透鏡，直至在接受屏上可以看到清晰的像，讀取物平

面到透鏡日勺距離（導軌上有刻劃線）即為物距/,則像距為

=故焦距可按下式計算：

—（1-2）

I,Ir

當采用此種措施進行測量時，其焦距相對測量誤差約為

l%<A/*7/r<5%o

3、兩次成像法測量焦距

用微分求極值法或根據(jù)光線口勺可逆性可以證明：當物、像

間距L略不小于4r時，前后移動透鏡的I位置必然可以得到兩

個位置，在此兩個位置處都可以在接受屏上接受到實像（如圖

1—2所示），若透鏡的兩次成像口勺位置間距為d,則待測透鏡

H勺焦距為:

I?-d2

(1-3)

4L

圖1一2

值得注意的是以上幾種措施僅合用于正透鏡日勺測量，假如

待測透鏡為負透鏡，則需要借助正透鏡與負透鏡構(gòu)成一透鏡組

來加以測量。

七、思索：

1、怎樣保證平行光管、待測物鏡與測量顯微鏡三者共軸？

3、當精密測焦距時，對平行光管及測量顯微鏡有哪些規(guī)

定？

［試驗二］望遠系統(tǒng)特性參數(shù)的硼量

一、試驗目的

通過對望遠系統(tǒng)特性參數(shù)的實際測量，深入掌握望遠系統(tǒng)

口勺基本成像原理，同步加深對其各參數(shù)的理解。

二、試驗內(nèi)容

實際測量望遠系統(tǒng)日勺出瞳及出瞳距日勺大小。

三、試驗儀器

平行光管、待測望遠系統(tǒng)（經(jīng)緯儀或水平儀）、倍率計等。

四、測量原理

對于望遠系統(tǒng)夾而言，物鏡框就是孔徑光闌，也為入瞳;

物鏡框經(jīng)背面口勺目鏡所成的像即為望遠系統(tǒng)的出瞳。'，出瞳

到望遠系統(tǒng)目鏡最終一面的頂點H勺距離就是出瞳距離P,如

圖2—1所示。

物鏡目鏡

運用倍率計可以簡樸而比較精確口勺測量出出瞳直徑及出

瞳距。倍率計的構(gòu)造原理如圖2—2所示，其光學系統(tǒng)是一種

低倍日勺顯微鏡，物鏡的放大率是1倍，目鏡是12.5倍，分劃板

上刻有用來測量出瞳像直徑的標尺，其刻劃范圍為10〃〃〃。此

外，顯微鏡可以在外筒內(nèi)前后移動，在顯微鏡筒上有一根長度

靠體物鏡分劃板目鏡

標尺，刻劃范圍為0?80〃〃%,格值為（在外筒上有一窗

口可見到此標尺）。當顯微鏡在外筒內(nèi)移動時，標尺可指示出

它的位置，以以便的測量出出瞳距。

圖2—2

五、測量環(huán)節(jié)

（一）望遠系統(tǒng)出瞳直徑的測量

1、測量前將被測望遠系統(tǒng)的目鏡視度調(diào)整到零，使儀器

處在正常工作狀態(tài)。

2、將平行光管、被測望遠系統(tǒng)、倍率計如圖2—3依次放

平行光管待測望遠鏡倍率計

置，并調(diào)整三者共軸等高。

圖2—3

3、通過倍率計觀測望遠系統(tǒng)物鏡框所成之像，并對出瞳

亮斑調(diào)焦，從而使被測系統(tǒng)日勺出瞳在倍率計分劃板中心部位上

成清晰的像，此時從倍率計分劃板上時刻線值即可對的地讀出

被測系統(tǒng)的出瞳直徑日勺大小D'o

（二）望遠系統(tǒng)出瞳距離的測量

1、當倍率計調(diào)焦在出瞳面上時，從倍率計外筒窗口上也

可以讀得種讀數(shù)，此讀數(shù)即為沿軸方向的山瞳面的位置由。

2、然后，沿倍率計外筒拉動顯微鏡，將它調(diào)焦在被測系

統(tǒng)目鏡的最終一種表面頂點上，此時再次記下外筒窗口上的讀

數(shù)。2。兩次讀數(shù)之差就是被測系統(tǒng)H勺出瞳距

六、思索

1、怎樣測量望遠鏡H勺入瞳及入瞳距？

2、為何大多數(shù)望遠系統(tǒng)日勺孔徑光闌都是位于物鏡上？

［試驗三］顯微系統(tǒng)特性參數(shù)的涮量

一、試驗目的

通過對顯微系統(tǒng)特性參數(shù)的實際測量，深入掌握顯微系統(tǒng)

日勺基本成像原理，同步加深對其各參數(shù)的理解。

二、試驗內(nèi)容

實際測量顯微系統(tǒng)的線視場、放大倍率及數(shù)值孔徑的大

小。

三、試驗儀器

待測顯微鏡、測微目鏡、原則刻尺、半反半透鏡、照明光

源、原則柱等。

四、測量原理

（一）顯微鏡線視場H勺檢測

圖3—1

從圖中可見，顯微鏡由物鏡及目鏡構(gòu)成，被觀測的物體經(jīng)

顯微鏡的物鏡放大后其像再經(jīng)目鏡放大以供人眼觀測，其成像

過程是一種二次成像過程。對于顯微鏡而言，分劃板是其視場

光闌，顯微鏡的線視場重要取決于視場光闌口勺大小，且顯微鏡

H勺視覺放大率越大，它的物空間H勺線視場越小。

若在顯微鏡承物臺上放置一原則玻璃刻尺，并以光源照

明，令顯微鏡對原則玻璃刻尺進行調(diào)焦，使人眼通過顯微鏡看

清其像，則顯微鏡中所能看到的最大刻線范圍即為顯微鏡的線

視場。

（二）顯微鏡放大率日勺測量

其測量原理如圖3—2所示：

圖3-2

使待檢顯微鏡對承物臺上的原則玻璃刻尺1調(diào)焦，在垂直

光軸方向于明視距離處安放另一刻尺2,并用光源同步照明兩

個刻尺。此時人眼可同步看清兩刻尺H勺像，并將兩者消視差，

在視場中讀取刻尺1的像與刻尺2齊合的讀數(shù)M及N,則采

用下式即可求得顯微鏡的視覺放大率：

(3-1)

式中7/2分別為刻尺1及刻尺2口勺格值。

除了此種測量措施外，還可以采用前置鏡法直接測量或分

別測量構(gòu)成此顯微鏡H勺物鏡H勺垂軸放大率及目鏡的視覺放大

率。在此就不一一簡介了。

(三)顯微鏡物鏡數(shù)值孔徑N4口勺測量

顯微鏡的數(shù)值孔徑是顯微鏡一種非常重要的參數(shù)，其大小

直接決定了顯微系統(tǒng)日勺辨別能力及象面照度。數(shù)值孔徑日勺表達

形式如下所示：

NA=/isinw(3—2)

式中〃為顯微物鏡物方介質(zhì)折射率；〃為顯微物鏡物方半孔徑

角。

當顯微鏡的數(shù)值孔值不大時可采用下而日勺措施進行測量，

其測量原理如圖3—3所示：

將已知高度為d的I原則柱放在刻尺上，使待測顯微鏡以原

則柱口勺上端面中心進行調(diào)焦，取下原則柱及顯微鏡目鏡，用眼

直接讀取視場所見時刻尺分劃的格數(shù)〃?，則有：

mr

igu=——(3—3)

2d

根據(jù)式(3-3)即可求出物方孔徑角的大小，再運用式(3-2)

it

待測顯微鏡

f標準圓柱

4孔徑角u

刻尺1

承物臺

即可求出被測量顯微鏡的數(shù)值孔徑。

圖3-3

在顯微鏡日勺批量生產(chǎn)檢測時，可根據(jù)此檢測原理做成專用

口勺數(shù)值孔徑儀檢測M4，以提高檢測效率。

五、測量環(huán)節(jié)

（一）顯微系統(tǒng)線視場的測量

1、將原則刻尺放置在被測量顯微鏡口勺承物臺上，固定好

位置，并用光源照明刻尺。

2、旋轉(zhuǎn)顯微鏡的轉(zhuǎn)動圓盤選擇一種放大率比較小的物鏡

（假如物鏡的放大倍率選擇過大則看不到刻尺H勺像），同步通

過拔插的方式選擇一種適合H勺目鏡，轉(zhuǎn)動旋鈕令顯微鏡對刻尺

進行調(diào)焦，直至看到刻尺的清晰的I像，若通過調(diào)整只能看見刻

尺的模糊的像，則還需旋轉(zhuǎn)目鏡進行對應的視度調(diào)整。

3、此時讀出通過顯微鏡目鏡所能看到R勺最大時刻尺范圍

2），，此數(shù)值即為待測顯微鏡的線視場的大小。由于在此成像

過程中所用日勺物為已知刻值日勺刻尺，因此通過直接讀取格值日勺

方式就可以測量出線視場於J大小，十分以便快捷。

（二）顯微系統(tǒng)放大倍率的測量

1、將原則刻尺1放置在被測量顯微鏡的承物臺上，固定

好位置，并用光源照明刻尺。

2、在選擇了合適的物鏡及目鏡的基礎上，對原則刻尺1

進行調(diào)焦，直至看清原則刻尺1日勺像。

3、在垂直于顯微鏡的光軸方向上再放置一種刻尺2（此刻

尺的格值可以與刻尺1相似也可不一樣，根據(jù)詳細狀況而定）,

并使此刻尺位于明觀距離處。同步將一種半反半透鏡放置于待

測目鏡之上。此時讓照明光源同步照明兩個刻尺，當人眼通過

半反半透鏡進行觀測時就可以同步看到兩個刻尺H勺像：其中刻

尺1通過顯微鏡成像、放大后經(jīng)半反半透鏡日勺透射進入人眼，

而刻尺2則僅通過半反半透鏡的反射后進入人眼，在此過程中

沒有通過放大。

4、將兩像進行調(diào)整并消視差，此時分別讀取所見視場中

刻尺1的格值數(shù)N及同一視場中刻尺2的格值數(shù)M,并運用

式（3—1）即可求出被測顯微鏡H勺放大倍率。

（三）顯微鏡數(shù)值孔徑的測量

1、首先將原則刻尺放置在被測量顯微鏡的承物臺上，固

定好位置，然后將已知高度日勺原則小圓柱放置于原則刻尺上，

并用光源照明。

2、然后調(diào)整顯微鏡令顯微鏡對此小圓柱的上端面進行調(diào)

焦，直至在目鏡中看到小圓柱上端面口勺清晰的像。

3、先取下目鏡，再移走小圓柱，直接通過人眼來觀測原

則刻尺經(jīng)顯微物鏡所成之像，上下移感人眼日勺位置，直至可以

看見刻尺的清晰的像。數(shù)出所見視場中時刻尺的格值加，并代

入公式(3—3)、(3-2)中，即可求出該被測顯微鏡的數(shù)值孔

徑。

六、思索

1、如川小孔光闌替代原則圓柱，就怎樣檢測顯微鏡FI勺數(shù)值孔

徑？

2、對于顯微鏡而言，其物方線視場的大小與哪些原因有關(guān)？

4、對于低倍顯微鏡，其最大視場由哪種光闌限制？該光闌一

般放在哪里？

［試臉四］幾何象差日勺現(xiàn)象及規(guī)律

一、試驗目的

掌握多種幾何象差產(chǎn)生日勺條件及其基本規(guī)律，觀測多種象

差現(xiàn)象。

實際測量顯微系統(tǒng)的線視場、放大倍率及數(shù)值孔徑的大

小。

二、試驗儀器

焦距儀、待觀測望遠鏡、被觀測物鏡、簡易光具座及對應

附件等。

三、測量原理

（三）顯微鏡線視場H勺檢測

四、試驗原理

光學系統(tǒng)所成實際象與理想像的差異稱為像差，只有在近

軸區(qū)且以單色光所成像之像才是完善H勺（此時視場趨近于0,

孔徑趨近于0）。但實際日勺光學系統(tǒng)均需對有一定大小的I物體

以一定的寬光束進行成像，故此時日勺像已不具有理想成像的條

件及特性，即像并不完善。可見，象差是由球面自身的特性所

決定口勺，雖然透鏡的折射率非常均勻，球面加工時非常完美，

像差仍會存在。

幾何像差重要有七種：球差、彗差、像散、場曲、畸變、

位置色差及倍率色差。前五種為單色像差，后二種為色差。

透鏡

圖4—1

球差是軸上點像差，它伴隨孔徑的變化而變化。如圖4—1

所示，假如系統(tǒng)中存在球差則將影響成像的清晰程度，使像模

糊。

2、彗差

彗差是軸外像差之一，它體現(xiàn)日勺是軸外物點發(fā)出日勺寬光束

經(jīng)系統(tǒng)成像后的失對稱狀況，彗差既與孔徑有關(guān)又與視場有

關(guān)。若系統(tǒng)存在較大彗差，則將導致軸外像點成為彗星狀時彌

散斑，影響軸外像點口勺清晰程度。如圖4—2所示:

理

想

像

面

圖4-3

像散用偏離光軸較大日勺物點發(fā)出的鄰近主光線的細光束經(jīng)

光學系統(tǒng)后，其子午焦線與弧矢焦線間的釉向距離表達：

式中，x；，K分別表達子午焦線至理想像面的距離及弧矢焦線

至理想像面口勺距離，如圖4—3所示：

當系統(tǒng)存在像散時，不一樣的像面位置會得到不一樣形狀

日勺物點像。若光學系統(tǒng)對直線成像，由于像散日勺存在其成像質(zhì)

量與直線的方向有關(guān)。例如，若直線在子午面內(nèi)其子午像是彌

散的，而弧矢像是清晰的；若直線在弧矢面內(nèi)，其弧矢像是彌

散的而子午像是清晰的；若直線既不在子午面內(nèi)也不在弧矢面

內(nèi)，則其子午像和弧矢像均不清晰，故而影響軸外像點的I成像

清晰度。

不僅細光束有像散，寬光束同樣有像散。

4、場曲

使垂直光軸日勺物平面成曲面像的I象差稱為場曲。如圖4一4

所示:

圖4~4

子午細光束的交點沿光軸方向到高斯像面的距離稱為細光

束的子午場曲；弧矢細光束的交點沿光軸方向到高斯像面的距

離稱為細光束的弧矢場曲。并且雖然像散消失了（即子午像面

與弧矢像面相重疊），則場曲仍舊存在（像面是彎曲的）。

場曲是視場的函數(shù)，伴隨視場的變化而變化。當系統(tǒng)存在

較大場曲時，就不能使一種較大平面同步成清晰像，若對邊緣

調(diào)焦清晰了，則中心就模糊，反之亦然。

5、畸變

畸變描述的是主光線像差，不一樣視場的主光線通過光學

系統(tǒng)后與高斯像面的交點高度并不等于理想像高，其差異就是

系統(tǒng)的J畸變，如圖4—5所示:

圖4—5

畸變僅是視場口勺函數(shù)，不一樣的視場口勺實際垂軸放大倍率

不一樣，畸變也不一樣。由于畸變是垂軸像差，它只變化軸外

物點在理想像面上的成像位置，使像的形狀產(chǎn)生失真但不影響

像的清晰度。

6、位置色差

軸上點兩種色光成像位置口勺差異稱為位置色差。如圖4-6

圖4—6

位置色差是軸上點像差，在近軸區(qū)就已產(chǎn)生，對目視儀器

而言常對C光及F光較正位置色差。由于同一孔徑的光線經(jīng)

光學系統(tǒng)后與光軸有不一樣日勺交點，不一樣孔徑不一樣色光的

光線也與光軸的交點不相似，故而在任何像面位置物點H勺像都

是一種彩色H勺散斑。

7、倍率色差

所謂倍率色差是指軸外物點發(fā)出H勺兩種色光的主光線在消

單色像差的高斯象面交點高度之差。當系統(tǒng)存在較大的倍率色

差時，物體會展現(xiàn)彩色日勺邊緣，影響成像清晰度。

五、試驗裝置及環(huán)節(jié)

本次試驗所采月的裝置為焦距儀（光具座）及附件等。原

平行光管透鏡夾持器測量顯微鏡

光具座

理如圖4—7所示:

圖4—7

其試驗環(huán)節(jié)如下:

1、首先將已知刻線對的彼羅板放置于平行光管的物鏡焦

平面上，將待觀測物鏡放置于透鏡夾持器中，并調(diào)整透鏡、平

行光管及測量顯微鏡三者光軸共軸、等高。

2、調(diào)整觀測顯微鏡直至在視場中看到清晰H勺彼羅板的像。

3、取下彼羅板，放上星點板，此時在視場中可以見到星

點的像。

4、由于衍射及待測物鏡日勺像差的影響，星點日勺像不是一

種點像而是一種具有一定大小的彌散斑，該彌散斑的大小、形

狀直接體現(xiàn)了像差的種類及大小。通過觀測星點的像就可以充

足理解不一樣種類的像差對系統(tǒng)產(chǎn)生11勺不良影響及其特性。將

星點時像調(diào)整到視場中心，直到通過沿軸前后移動顯微鏡可以

看到星點的衍射環(huán)同心日勺擴張并到達盡量圓，這表明星點像已

位于待觀測透鏡時光軸之上。

5、沿軸前后移動顯微鏡觀測星點像日勺變化及其規(guī)律，以

觀測球差及位置色差；微擺動物鏡夾持器以觀測軸外像差如彗

差、象散的星點圖及特性。

6、觀測已準備好的望遠鏡，以理解畸變、場曲及倍率色

差的特性及規(guī)律。

六、思索

1、正、負透鏡及雙膠合透鏡產(chǎn)生H勺球差各有什么特點？

2、透鏡應怎樣調(diào)才能觀測到彗差現(xiàn)象？

3、在該試驗裝置中，哪個面是子午面，哪個面是弧矢面？

4、什么是畸變，常見日勺畸變有哪兩種形式？畫圖闡明。

5、常見的用以消除場曲的措施有哪些？

6、什么是消色差系統(tǒng)？

［試莫五］立體判釋儀

一、試驗目的

掌握產(chǎn)生立體視覺H勺原理并運用立方體判釋儀感覺立體

視覺。

二、試驗儀器

光源、立體判釋儀及其有關(guān)H勺待觀測H勺圖片等。

三、試驗原理

體視效應是雙眼所特有口勺特性，單眼沒有立體視覺。正常

狀況下人們總是用雙眼觀測一種物體，雙眼視覺能提高視力銳

度，同步也將產(chǎn)生空間深度感覺。

兩眼瞳間的距離稱為眼基線，一般為62?65〃加，正是由

于基線的存在，離觀測者不一樣遠近的物體在兩眼網(wǎng)膜上成像

日勺相對位置不一樣（視差角不一樣），從而產(chǎn)生體視效應。雙

眼剛能辨別體視差角的微小差值為體視銳度△。而n，一般狀況

下△/in=10〃，但井不是人對任何遠近的物體都會產(chǎn)生立體的

感覺，人眼可以辨別遠近的最大距離為體視半徑:

1200m

超過體視半徑人將不能產(chǎn)生遠近H勺感覺。

雙眼能辨別兩點間口勺最短深度距離為立體視覺閾，它可表

達為:

從式中可見，若想減少立體視覺閾只有兩條途徑：一為增

大基線，一為減少體視銳度。立體判釋儀就是通過增大基線來

增強立體視覺的敏捷度時。

假如眼睛配以視放大率為「的雙目儀器觀測景物，則體視

銳度可提高「倍，若雙目儀器的I物方基線是人眼基線日勺B倍,

則體視銳度又可提高B倍，故借雙目儀器可綜合提高體視銳

度5「倍，故而可以增強觀測細小物體的深度感。本試驗所用

口勺體視鏡（HP型立體判釋儀）就是使物方左右兩圖片合成為

立體圖像并通過勺視覺銳度放大作用來明顯增強所觀測圖

片的立體感，其外形簡略如圖所示:

此外，通過雙目立體顯微鏡還可以對花蕊或小昆蟲等細微

物體進行立體觀測。

圖5-1

四、試驗環(huán)節(jié)

1、首先將兩個待觀測圖片放置在臺面上，用光源照明待

觀測物體，然后通過立體判釋儀的雙目鏡進行觀測，這里可看

見兩個圖片各自H勺像。

2、用手移動兩個圖片的位置直至有關(guān)的像發(fā)生完全的福

合，此時由于視覺銳度口勺放大作用，觀測者將明顯感覺到增強

了所觀測圖片的I立體感。

五、思索

1、什么是體視銳度?

2、一般用以提高體視視覺敏捷度H勺措施有哪兩種?

［試臉穴］自組顯微鏡

一、試驗目的

掌握顯微鏡的原理及特性，并在此基礎上通過自組顯微鏡

米提高學生H勺動手能力以深入加深對顯微系統(tǒng)理解。

二、試驗裝置

試驗工作平臺、顯微物鏡（焦距/'=40?5（加加）、顯微目

鏡（焦距/”=25?40/〃〃?）、光源、物體（刻尺）、多種磁力表

座、接受屏等。

三、試驗原理

圖6—1

從圖中可見，顯微鏡由物鏡及目鏡構(gòu)成，顯微鏡的特點是有較

大的光學間隔且其物鏡的焦距不大，目鏡的焦距也比較小。被

觀測的物體首先經(jīng)顯微鏡的物鏡放大后其像再經(jīng)FI鏡放大以

供人眼觀測，其成像過程是一種二次成像過程。其系統(tǒng)放大率

為：

「=可”

式中夕為物鏡的垂軸放大倍率，「口為目鏡日勺視覺放大倍率。

四、試驗環(huán)節(jié)

1、首先將已知焦距日勺顯微物鏡、目鏡及物體（波羅板或

透明刻尺）分別夾持在磁力表座上，之后將光源、物體、顯微

物鏡、目鏡依次放置在工作平臺上，并通過調(diào)整磁力表座夾持

器進行調(diào)整以令各溝成元件大體等高，如圖6—2所示。

2、根據(jù)已知顯微物鏡的焦距大小，將物放置在物鏡H勺物

方焦面附近并分別固定好物及顯微物鏡的位置。

3、用接受屏找尋物體經(jīng)物鏡所成H勺像的位置，該像應為

方向的位置，盡量使其目鏡的物方焦面與物鏡H勺實像面位置相

重疊，此時固定好目鏡的J位置。

圖6—2

4、通過微調(diào)裝置沿軸向前后移動顯微物鏡進行調(diào)焦，人

眼位于目鏡之后進行觀測，并也可對應日勺沿軸調(diào)整目鏡直至可

以看到清晰日勺像，從而實現(xiàn)了顯微鏡的自組。

五、思索

1、為何說顯微鏡是復雜化了口勺放大鏡？

2、若顯微鏡的出瞳位置與眼瞳不重疊，將會出現(xiàn)什么現(xiàn)象?

［試監(jiān)上］自組望遠鏡

一、試驗目的

掌握望遠鏡的原理及特性，并在此基礎上通過自組望遠鏡

來提高學生日勺動手能力以深入加深對望遠系統(tǒng)日勺理解。

二、試驗裝置

試驗工作平臺、望遠物鏡（焦距大概為300〃〃〃）、目鏡（焦

距大概為40mm）、平行光管（或與物鏡相距較遠的刻尺，可

取物距不小于2米）、接受屏等、多種磁力表座。

三、試驗原理

物鏡分劃目鏡

亥普勒望遠鏡口勺原理示意如下圖7-1所示:

圖7-1

圖中可見亥普勒望遠鏡也是由物鏡與目鏡構(gòu)成，與顯微鏡

不一樣的是望遠鏡的光學間隔為0,平行光入射平行光射出。

其系統(tǒng)的視覺放大倍率為：

r=-/；//；

式中，片為物鏡的焦距；夕為目鏡的焦距。在此成像過程中,

有一種實像面位于分劃面上，故可以實現(xiàn)測量。

四、試驗環(huán)節(jié)

1、首先將已知焦距的望遠物鏡、目鏡分別夾持在磁力表

座上，之后將平行光管（提供無限遠日勺物）、望遠物鏡、目鏡

依次放置在工作平臺上，如圖7—2所示。

2、將物鏡的位置固定，川接受屏來接受物體經(jīng)物鏡所成

日勺像，直到最清晰，并記下此時接受屏所位于的工作臺上時刻

平行光管物鏡目鏡

平臺

尺的讀數(shù)。

圖7—2

3、移走接受屏，將目鏡移近物鏡，直至令目鏡的物方焦

面與接受屏所處口勺刻尺讀數(shù)位置大體相重疊，此時固定好目鏡

H勺位置。通過調(diào)整磁力表座夾持器調(diào)整三者共軸等高。

4、通過微調(diào)裝置沿軸向前后移動目鏡，人眼位于目鏡之

后進行觀測，直至可以看到清晰的像。此時可粗略認為物鏡口勺

像方焦面與目鏡的物方焦面相重疊，從而實現(xiàn)了望遠鏡H勺自

組。

五、思索

1、請問伽利略望遠鏡與亥普勒望遠鏡在構(gòu)造形式上有什么區(qū)

別？

2、在系統(tǒng)組合過程中應注意此什么？

［試驗人］聆證透鏡成象及光線傳播規(guī)律

的試臉

一、試驗目的

1、通過該試驗可以加深學生對光的傳播規(guī)律的掌握；

2、理解透鏡及反射鏡H勺成像特性及其規(guī)律。

二、試驗裝置

試驗工作平臺、JY—1型激光光學綜合演示儀（幾何光學）、

光源、接受屏、透鏡（正、負）、反射鏡等附件。

三、試驗原理

幾何光學有四大基本定律，分別為：光的直線傳播定律、

光的獨立傳播定律、折射定律及反射定律。其中光日勺光日勺直線

傳播定律、光日勺獨立傳播定律概括了光在同均勻介質(zhì)中傳播時

規(guī)律，而折射定律及反射定律則是研究光傳播到兩種均勻介質(zhì)

分界面時的I現(xiàn)象和規(guī)律。當一束光以一定的角度入射到兩個不

一樣的介質(zhì)分界面上時是同步伴伴隨反射及折射的產(chǎn)生，反射

光遵照反射定律折射光遵照折射定律。

透鏡是最常見的折射元件，它又分為正透鏡及負透鏡。一

毛玻璃透鏡接收屏

A

光%____________________________________________________

物平面y

1r

?----------------->|<-------------->

般狀況下正透鏡起會聚作用，負透鏡起發(fā)散作用，假如正負透

鏡進行合適組合就可以出現(xiàn)不一樣狀態(tài)的像。

圖8-1

本次試驗的目的就是但愿學生通過簡易的試驗裝置，充足

發(fā)揮自己的想象力，通過變化透鏡H勺類型、位置及彼此H勺組合

來觀測不一樣狀況下H勺光線走向及成像特性，以加深對成像規(guī)

律的掌握和理解。其試驗裝置如圖8—1所示。

四、試驗環(huán)節(jié)

1、打開光源，在激光演示儀，放置正透鏡或負透鏡，調(diào)整入

射光日勺入射狀態(tài)（平行、會聚等），觀測光線經(jīng)透鏡后的詳細

走向。

2、取下正透鏡，放置多種反射鏡、棱鏡、平板等，也可同步

放上正透鏡及負透鏡，實現(xiàn)透鏡"勺組合以觀測不一樣種類的光

學元件在不一樣狀態(tài)下的光線走向。經(jīng)透鏡后的詳細走向前后

移動接受屏，以觀測不一樣位置所成日勺像的大小及倒正。

3、如圖8-1所示在工作平臺上放置好光源、物體、透鏡及

接受屏的位置，盡量做到共軸等高，然后前后移動接受屏以觀

測物體經(jīng)透鏡所成之像，并分析一下像的特性。

4、當物、像間距略不小于4r時，保持其他元件不動，前后

移動透鏡，可以找到兩個成實像而日勺位置，若測量出出現(xiàn)兩賣

像的透鏡的距離時，就可以測量出透鏡的焦距。

五、思索

1、負透鏡成像一定成虛像，正透鏡成像一定成實像嗎？

2、實像與虛像都能被接受屏和人眼所接受，這句話對嗎？為

何？

［試臉九］色度學試驗

一、試驗目的

掌握、理解多種樣品的主波長測量的措施。WGS-9型色度

試驗系統(tǒng)

二、試驗裝置

WGS-9型色度試驗系統(tǒng)

三、試驗原理

在理論上為了定量的表達顏色，一般采用平面直角色度

坐標來加以表達：

XYZ

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

其中X,Y,Z為三刺激值，所有H勺光譜色在色坐標上為

一馬蹄形曲線，該圖稱為CIE1931色坐標，在圖中紅（R）、

綠（G）、藍（B）三基色坐標點為頂點，圍成的三角形內(nèi)的所

有顏色均可以由三基色按一定的量匹配生成。

任一顏色M（x,y）的色調(diào)是由其照明光源坐標點（如A

光源）到M點連線并延長與光譜軌跡相交于N點，N點的光

譜色日勺色調(diào)，即為顏色M日勺主波長（或補色波長），如圖9一

1所示，則M的飽和純度為：

p=迪=必

ANxn-xA

M的I色度純度為：

八

MNxn-xm

為測量某光源（發(fā)光體）口勺色坐標，必須先測量其光譜構(gòu)

成的功率分布s.）,然后再查表找出各光譜的三刺激值，則光

源的三刺激值為,

X=KXS(X)X(X)AX

k

Y=KXs(k)y(X)Ak

2

Z=KXS(X)Z(X)AX

圖9-1

上式中，K為調(diào)整因數(shù)，它是將發(fā)光體的Y值調(diào)整為100時

得到H勺值,

100

ZSQ)G(4)ZU

則色坐標為:

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

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

為測量某透射或反射樣品日勺色坐標，必須先測量其樣品日勺

透射或反射曲線T（九），然后再查表找出各光譜的三刺激值

。（九）、）'（九）、［。汲參照光的功率分布sQ）,則，

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

s(X)T(k)y(X)

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

該樣品的色坐標為:

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

四、試驗環(huán)節(jié)

1、首先確認各條信號線及電源線連接好后，按下電控箱上的

電源按鈕，儀器正式啟動。

2、透過率及發(fā)光體測量，系統(tǒng)光路如圖9—2所示:

圖中，Ml為反射鏡；M2為準光鏡；M3為物鏡；G為平面衍

射光柵；S1為入射狹縫；S2為出縫2。

假如目前接受器小是放在出縫1端，請關(guān)閉電源，把接受

器移到出縫1端，并把轉(zhuǎn)鏡打到出縫1端。當放置樣品時，打

開樣品池蓋，把有液體樣品日勺比色皿放入液體樣品池或把固體

樣品直接插在固體樣品架上，然后開機測量〔當測量透過率時,

要先放空白樣品做透過基線）。

SI

3、反射測量

圖9-3

假如目前接受器不是放在出縫2端，請關(guān)閉電源，把接受

器移到出縫2端，并把轉(zhuǎn)鏡打到出縫2端。當放置樣品時，拉

開樣品壓板，把樣品放在積分球日勺

圖中，Ml為反射鏡；M2為準光鏡；M3為物鏡；G為平

面衍射光柵；Z為轉(zhuǎn)鏡；S1為入射狹縫；S2為出縫2；S3為

出縫1;S為樣品池。

樣品反射口處，并壓上壓板，然后開機測量（當測量反射

率前，要先放原則白板做反射基線），光路如圖9—3所示。

4、關(guān)機

先檢索波長到400nm處，使機械系統(tǒng)受力最小，然后關(guān)閉

應用軟件，最終按下電控箱上的電源按鈕關(guān)閉儀器電源。

三、思索題

1、測量反射樣品和測量透射樣品時有何不一樣？

2、明度、色調(diào)、彩度三個概念有何不一樣？

［試驗十］激光光學系統(tǒng)（演示型試驗）

一、試驗目的

1.理解激光器的種類

2.掌握激光器的發(fā)光原理

二、試驗內(nèi)容

掌握試驗環(huán)節(jié)，觀測多種激光器產(chǎn)生時光斑現(xiàn)象。

三、試驗儀器

COz激光器、半導體甭浦激光器、AH激光器、He-Ne激光

器、Nd:YAG激光器、導軌、小孔光闌、調(diào)整架、針,孔（25u）、

顯微物鏡、透鏡及夾持器

四、試驗原理

具有代表性的經(jīng)典激光器重要有氣體激光器、固體激光

器、半導體激光器、染料激光器等。氣體激光器是以氣體或蒸

氣作為工作物質(zhì)日勺激光器。它是運用氣體原子、分子或離子的I

分離能級進行工作的。氣體激光器常用的泵浦措施是電鼓勵，

即令足夠大日勺電流通過氣體介質(zhì)來完畢泵浦日勺。由于氣體時光

學均勻性很好，較之固體激光器和半導體激光器其輸出光束口勺

質(zhì)量（如單色性、相干性等）也很好。氣體激光器中又包括由原

子激光器、離子激光器和分子激光器。原子激光器是運用氣體

或蒸氣形式下的中性原子作為工作物質(zhì)，常見的有He-Ne激光

器；離子激光器是運用氣體離子激發(fā)態(tài)之間的躍遷來產(chǎn)生激光

日勺一種氣體激光器，常見的有Ar'激光器；分子激光器是運用

未電離的氣體份子作為工作物質(zhì)的一種氣體激光器，如：C02

激光器。

固體激光器日勺基本構(gòu)成包括工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔、

冷卻與濾光系統(tǒng)四部分。其中，工作物質(zhì)是激光器的關(guān)鍵，固

體工作物質(zhì)是把金屬離子摻入基質(zhì)而形成的，發(fā)光粒子就是工

作物質(zhì)中的金屬離子（稱為激活離子），工作物質(zhì)口勺物理、化學

性能重要決定于基質(zhì)材料，而它的光譜特性則重要由激活離子

日勺能級構(gòu)造所決定。常見時有摻鉉鈕鋁石榴石（Nd-YAG）激

光器，這是在基質(zhì)Y3A15O12（YAG）中摻入鈦離子（Nd"），部分

取代YAG中日勺鈕離子（產(chǎn)）而成為Nd”:YAG。此外尚有半導體

激光泵浦激光器也屬于固體激光器。

半導體激光器是以半導體材料作為激光工作物質(zhì)的激光

器，它具有超小型、高效率、構(gòu)造簡樸、價格廉價以及可以高

速工作等一系列長處。

每一種激光器的發(fā)光機理各不相似，詳細問題可詳細分

析。

五、試驗環(huán)節(jié)

L觀測激光光凄：

I）接通電源；

II）打開激光器開關(guān)，將其發(fā)出的光束投射到墻上或是接

受屏上，觀測光斑現(xiàn)象，對功率較大的激光器及非可見光波段

H勺激光光束可用功率計進行接受（切勿將光束直接射向人體，

尤其是眼部）。

2.準直擴束光覆：

I）將半導體激光器放在導軌上，打開激光器開關(guān)，使激

光器發(fā)出光束；

II）用小孔光闌作為基準調(diào)整激光器的上下、左右位置，

使光束平行于導軌；

III）將顯微物鏡和針孔放在調(diào)整架上，調(diào)整架放于導軌匕

并對其進行調(diào)整，便激光光束通過顯微物鏡后聚焦于針孔位置

處;

IV）將透鏡及夾持器放在導軌上，前后調(diào)整其位置，使針

孔剛好位于透鏡日勺焦點位置處，此時光束經(jīng)透鏡后出射日勺即為

平行光束，觀測其光斑現(xiàn)象。

六、試驗成果展示

1）He-Ne激光器（波長為632.8nm）及其光斑現(xiàn)象：

2）CO2激光器（波長為10.6um）：

3）Nd:YAG激光器（波長為1.06um）及其光斑現(xiàn)象:

5）準直擴束系統(tǒng)及其光斑現(xiàn)象:

［試驗十一］傅立葉光學系統(tǒng)（演示型

試臉）

一、試驗目的

1.理解傅立葉變換理論；

2.掌握聯(lián)合變換有關(guān)器日勺使用措施

二、試驗內(nèi)容

掌握儀器的開關(guān)次序，觀測通過裝置所產(chǎn)生H勺試驗成果。

三、試驗裝置

光電混合聯(lián)合變換有關(guān)器、電腦控制系統(tǒng)

四、試驗原理

1.傅里葉變換

傅立葉變換形式如下：

G(/)=Cg(x)e-J2^dx(1)

J-GO

g(x)=r(2)

J-8

這兩個積分即博立葉積分。G(/)稱為g(x)的傅立葉變換

或頻譜。若g(?表達某空間域的物理量，G(/)則是該物理量

在頻率域的表達形式，g(x)和G(/)構(gòu)成傅立葉變換對。

二維傅立葉變換是一維傅立葉變換時推廣：

00

G(f、/)=JJg(x,y)exp[—/2%+fyy)dxdy(3)

-oo

8

g(x,y)=JJG(fx,fy)expt+fyy)]dfxdfy(4)

-oo

2.聯(lián)合變換有關(guān)器原理

聯(lián)合變換有關(guān)的重要特性是參照圖像與目的圖像同步輸

入光學運算系統(tǒng)，在第一種傅立葉變換平面上記錄聯(lián)合變換功

率譜，聯(lián)合變換功率譜通過第二次傅立葉變換后，獲得一對有

關(guān)輸出。

將準直的相干單位振幅光入射到物體w(x,y)上，物體被

寫入光空間調(diào)制器，設輸入圖像為：

以工,y)=/(x,y)+h(x,y)(5)

(/(x,y)wh(x,y))

其中是目的圖像，是復雜背景圖像，另設參照模

板為一(x,y),這樣，通過目的與參照模板，?(x,y)U勺光學

有關(guān)得到的有關(guān)峰函數(shù)〃區(qū)，或者/區(qū)八可以確定目的在

輸入圖像以＞,y)中確實切位置。

圖1聯(lián)合變換功率譜的記錄

對目的與參照模板的聯(lián)合圖像進行傅里葉變換