应用光学实验讲义

实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧

一. 引言

不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成，因此掌握一些常用的光学元器件的结构和性能，特点和使用方法，对安排试验光路系统时正确的选择光学元器件，正确的使用光学元器件有重要的作用

二．实验目的

掌握光学专业基本元件的功能；调整光路，主要包括共轴调节、调平行光和针孔滤波。

三．基本原理

(一)、光学实验仪器概述:

主要含：

激光光源，光学元件，观察屏或信息记录介质

1. 激光光源;

激光器即Laser(Light Amplification by stimulated emission of radiation)，原意是利用受激辐射实现光的放大．然而实际上的激光器,一般不是放大器,而是振荡器,即利用受激辐射实现光的振荡,或产生相干光。

.

960年,梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器.现在被广泛用于各个行业

激光的特性:(1)高度的相干性(2)光束按高斯分布

激光器的分类:

(1)气体激光器——He-Ne激光器,Ar离子激光器

(2)液体激光器——染料激光器

(3)固体激光器———半导体激光器,红宝石激光器

本套实验方案的选择的激光器是气体型He-Ne内腔式激光器,波长为632.8nm的红光，功率2mW。个别实验中还会用到白光点光源。

2、用于光学实验的元件一般包括：

防震平台、分束镜、扩束镜、准直镜、反射镜、成像透镜、傅立叶变换透镜、多自由度微调器、可变光栏、观察屏等部件。如果是全息实验还需要快门、干版架、自动曝光和显定影定时器、记录干版等。

（本实验方案中，扩束镜采用针孔空间滤波器，准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜均采用双凸透镜）

⑴防震平台

光学实验需要一个稳定的工作平台。特别是对于全息图制作实验，由于是参考波和物光波干涉条纹的记录，如果在曝光过程中因为振动导致两光波有变化，就要影响干涉条纹的调制度。通常要求该光波的振动变化小于十分之一波长。影响稳定性的因素有震动、空气流和热变化等。震动的主要影响来自地基的震动，如果记录系统部件的机构有松动就会把震动放大，所以必须对工作台采取减震措施。专用全息气浮工作台是最好的减震台。简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫（用汽车、飞机轮子的内胎）和重1000～2000kg的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。如果不用隔离罩，记录全息图时室内不要通风，工作人员不要大声讲话和距工作台远一些。

⑵光学元件

①分束镜:

分束镜是光学实验系统的一个重要元件，它的作用是将激光束分为两束，在干涉仪系统组装的实验中可产生两束有一定夹角的相干波，在全息制作实验中可产生参考光和物体的物光光波。分束镜一般是在玻璃板上镀干涉膜。干涉膜有两种：多层介质膜和金属膜。分光比可以连续变化或分段变化。

②扩束器(扩束镜):

因激光束的发散角很小，需要用一个扩束镜以加大光束的发散角。通常可用20倍、40倍的显微物镜或焦距很短的单片正透镜或负透镜。本实验方案中，扩束镜采用针孔空间滤波器。

③双凸透镜:

准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜之功能均可使用不同内径和焦距的双凸透镜来实现。为了提高光的透射率，透镜面要镀增透膜。在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏的透镜.(因为它们会使观察或记录图像产生噪声)

④反射镜:

当光入射到普通反射镜的玻璃基版上时，要先经过折射再反射，反射光的损失很大。同时玻璃片基的两面会因多次反射引入杂散光。所以光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。

⑤其它:

还有一些辅助元件：如多自由度微调器，可三维控制镜架或者滤波器的位置和方向；可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑、观察屏可用白纸或白屏；电子计时器用来控制曝光时间等。

3、光学信息的记录介质

主要用在全息类实验中。包括两大类,一类银盐感光材料，另一类非银盐感光材料，其中非银盐感光材料又包括，重铬酸盐明胶、光致聚合物等材料。银盐感光材料灵敏度高，但是衍射效率低。非银盐感光材料响应速度快，能及时的记录和显示，材料分辨率高，有些材料能多次反复使用，不用贵金银，免除了暗室的显影定影操作，加工过程简便快速，但灵敏度低。它们各有优缺点，而且不同的非银盐感光材料的性能也是不一样的。

(二)、共轴调节：

光学实验中经常要遇到用一个或多个透镜成像，为了获得较好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。另外，为

了最大限度利用激光扩束后的面光源，所有透镜的主轴都需要大致通过光斑中心，才能获得清晰的像。

共轴调节使物、屏的中心处在透镜光轴上，并使各光学元件共轴，达到共轴能保证近轴光线的条件成立。一般分为两步进行，第一步粗调，即用眼睛观察，使物、屏与透镜中心大致在一条直线上；粗调方法如下：通过前后移动白屏的方法先使激光光束与台面平行，再将透明物、扩束镜、双凸透镜依次摆好，调节它们的取向和高低左右位置，凭眼睛观察，再让光斑、物、镜的几何中心处在一条直线上，这样便使镜的主光轴与平台面平行且共轴，光斑也最大限度得到利用。

图示过程为：调节透镜杆的高度，使得光斑中心与透镜架上的中心小圆孔在同一高度。

第二步细调，即移动透镜，当两次成像中心重合即达到共轴，若不重合，须视情况，针对性地调节各光学元件，直至两次成像的中心重合。如果系统有两个以上的透镜，先加入一个透镜调节共轴，然后再依次加入透镜，使每次所加透镜都与原系统共轴。

反射镜的调节方法类似。

(三)、调节平行光：

⑴调整扩束镜，准直镜共轴，

⑵粗调，把准直镜放到一定位置使扩束镜处于准直镜的前焦面上，然后在准直镜后放一挡板，不断前后纵向移动挡板，观察挡板上圆形光斑的到大小是不是发生变化，如果发生变化，就再前后移动准直镜的位置，再前后移动挡板，观察圆形光斑的大小，如果变化，重复以上工作，直到光斑大小不发生变化位置，完成粗调。

在调节中要注意光斑变化的和准直镜移动方向的关系，从而很快达到粗调的效果

射到挡板上，可以观察到干涉条纹

⑷细调2，左右微移动准直镜，观察挡板条纹的变化，找出规律，并使条纹的数目减少，最后在挡板上只剩下，一条或半条条纹，这时从准直镜出来的光线就是平行光。

四、真空滤波器的调节：

（1） 首先在激光的前面一定距离放一光屏，在激光打在屏上的一点做记号，

并且固定光屏，

（2） 然后把针孔滤波器的针孔拿出，使针孔面朝上，不要接触桌面或工作台。

（3） 将针孔滤波器至于激光和光屏之间，调整针孔滤波器的高度使之与激光

同高，这时就会在光屏上出现一个亮度均匀的圆光斑，并且光斑的中心

与我们光屏上做的记号重合。

（4） 然后把针孔放到滤波器上，先稍许移动垂直和左右方向的调节手轮，直

接观察针孔小眼，使针孔处小亮点最亮；再调节前后方向的手轮，使得

物镜不断靠近针孔。

（5） 待有光斑出现后，不断重复第4步，使光斑的亮度逐渐增加，在光屏上观察到同心的亮暗衍射环。

（6） 最后再沿三个方向微调，使中央亮斑半径不断扩大，亮度逐渐增加，直至最亮最均匀为止。

五、仪器用具

平晶

挡板（条纹

变化，使之

越来越少） 挡板

尽量将本实验系统所提供的所有光学、光电、机械调整元件的功能和使用方法都熟悉。

六、实验内容：

（1）主要光学实验仪器的分辨

（2）进行共轴调节、调平行光

附录：光学成像的基本概念与完善成像条件

一、光学系统与完善成像的概念

1、光学系统：由一系列的光学元件所构成的系统。

这里所说的光学元件可以是透镜、反射镜、棱镜等。

光学系统又分为：共轴光学系统及非共轴光学系统

2、完善成像：像与物体只有大小的变化没有形状的改变（物与像是完全相似的）。

二、完善成像的条件

入射为球面波，出射也为球面波（入射为同心光束，出射也为同心光束）。

三、物、像的虚实

物有虚实之分，像也有虚实之分。

物：发出入射光波的。像：由出射光波形成的。

1、实物、实像：由实际光线相交而成的就称为实；

2、虚物、虚像：由实际光线的延长线相交而成的。

实象可由人眼或接收器（屏幕、CCD、底片、光电倍增管等）所接收；

虚像不可以被接收器所接收，但是却可以被人眼所观察。

3、物空间、像空间

物所在的空间称为物空间；像所在的空间叫像空间。无论是物空间还是像空间都是无限延伸的，不能机械的以左右划分。

七、思考题

1、白屏上出现麻麻点点是什么原因？

2、未加针孔前，白屏上出现许多小衍射环是什么原因？

3、平行光有什么特点？

实验二 镜头基点的测定

一． 引言

每个厚透镜及共轴球面透镜组都有六个基点。即两个焦点F ,'F ；两个主点H ,'H ；两个节点N ,'N .

二． 实验目的

1．了解透镜组的基点的一般特性

2．学习测定光具组基点和焦距的方法

三． 基本原理

（１）主面和主点

若将物体垂直于系统的光轴，放置在第一主点H 处，则必成一个与物体同样大小的正立的像于第二主点H ＇处，即主点是横向放大率β＝＋１的一对共轭点。过主点垂直于光轴的平面，分别称为第一和第二主面，如图1中的MH 和M ＇H ＇。

（２）节点和节面

节点是角放大率γ=+1的一对共轭点。入射光线（或其延长线）通过第一节点N 时，出射光线（或其延长线）必通过第二节点N ＇，并于N 的入射光线平行

（如图5—4—5）。过节点垂直于

主光轴的平面分别称为第一和

（３）焦点、焦面 平行于系统主轴的平行光束，经系统折射后与主轴的交点F ＇称为像方焦点；过F ＇垂直于主轴的平面称为像方焦面。第二主点H ＇到像方焦点F ＇的距离，称为系统的像方焦距f ＇。此外，还有物方焦点F 及焦面和焦距f 。

综上所述，薄透镜的两主点和节点与透镜的光心重合，而共轴球面系统两主点和节点的位置，将随各组合透镜或折射面的焦距和系统的空间特性而异。实际使用透镜组时，多数场合透镜组两边都是空气，物方和像方媒质的折射率相等，此时节点和主点重合。

本实验以两个薄透镜组合为例，主要讨论如何测定透镜组的节点（主点）。

图2测量基点示意图

54——图５

设L 为已知透镜焦距等于f o 的凸透镜，L.S.为代测透镜组，其主点（节点）

为H 、H / （ N 、N /）），像焦点为F /。当AB （高度已知）放在L 的 前焦点处时，

它经过L 以及L.S.将成像A / B /于L.S.的后焦面上。因为AO// A / N /，AB// A / B /，OB// N / B /，所以

△AOB ∽△A / N /B ，即AB ：0f ＝A / B /：f '

所以 0A B f f AB

'''= 因此我们可以通过测量A / B /的大小，从而得到f '的数值。

因为是平行光入射到透镜组上，所以像A / B /的位置就是F /的位置。

F /的位置既然确定，而N / F /＝f '，因此N /的位置也就确定了。

把L.S.的入射方向和出射方向互相颠倒，即可测定F 和N 的位置。

本实验节点和主点重合，所以H 和H '的位置也得到确定

四. 仪器用具

激光器、空间滤波器、凸透镜、毛玻璃、白屏，以及相关的支撑调整架

五. 实验内容

图3 测量基点实物图

（1）安置好元件，调整光路。

（2）可以利用自准直法，让物体AB处于透镜的前焦面上。

（3）测量计算出f'，并确定F/和N/（H'）的位置。

（4）把L.S.的入射方向和出射方向互相颠倒，测定F和N（H）的位置。

六、思考题

1、物方焦点和像方焦点是不是一对共轭点？

2、过节点的一对光线有什么特点？

3、一对共轭光线在物方主平面和像方主平面的上的投射高度有什么特点？

实验三自组显微镜及其特性参数的测量

一、实验目的

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；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,同时加深对其参数的理解。

二、实验装置

实验工作平台、显微物镜（焦距f‘=150mm）、显微目镜（焦距

f‘=80mm）、光源、物体（刻尺）、多个磁力表座、接收屏等。待测显微镜、、标准刻尺、半反半透镜、照明光源等。

三、实验原理

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：

式中为物镜的垂轴放大倍率，为目镜的视觉放大倍率。

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、显微镜特性参数的测量原理

(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：

式中分别为刻尺2的格值。

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

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：

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用下面的方法进行测量，其测量原理如图

3-3所示:

图3-3

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：

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。

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。

六、显微镜特性参数的测量步骤

（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Δy，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

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，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

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？

3、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？

4、对于显微镜而言，其物方线视场的大小与哪些因素有关？

5、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？

实验四自组望远镜及其特性参数的测量

一、实验目的

熟悉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，并进一步对望远镜的特性参数进行测量。

二、实验装置

实验工作平台、氦氖激光器，针孔滤波器，准直镜，望远物镜(焦距大约为200mm )、目镜（焦距大约为150mm）、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、平面反射镜、毛玻璃、白屏，及相关的支撑调整架等。

三、实验原理

（一）自组望远镜的原理

开普勒望远镜的原理示意如下图7－1所示：

图 7－1

图中可见开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：

式中，为物镜的焦距；为目镜的焦距。在此成像过程中，有一个实像面位于分划面上，故可以实现测量。

（二）望远镜特性参数的测量原理

望远镜是如何把远处的景物移到我们眼前来的呢？这靠的是组成望远镜的两块透镜。望远镜的前面有一块直径大、焦距长的凸透镜，名叫物镜；后面的一块透镜直径小焦距短，叫目镜。物镜把来自远处景物的光线，在它的后面汇聚成倒立的缩小了的实像，相当于把远处景物一下子移近到成像的地方。而这景物的倒像又恰好落在目镜的前焦点处，这样对着目镜望去，就好象拿放大镜看东西一样，可以看到一个放大了许多倍的虚像。这样，很远很远的景物，在望远镜里看来就仿佛近在眼前一样。

常见望远镜可简单分为伽利略望远镜，开普勒望远镜等。

伽利略发明的望远镜在人类认识自然的历史中占有重要地位。它由一个凹透镜（目镜）和一个凸透镜（物镜）构成。其优点是结构简单，能直接成正像。但自从开普勒望远镜发明后此种结构已不被专业级的望远镜采用，而多被玩具级的望远镜采用，所以又被称做观剧镜。

开普勒望远镜：原理由两个凸透镜构成。由于两者之间有一个实像，可方便的安装分划板，并且各种性能优良，所以目前军用望远镜，小型天文望远镜等专业级的望远镜都采用此种结构。但这种结构成像是倒立的，所以要在中间增加正像系统。

本实验研究开普勒天文望远镜如何测距离、放大倍数及分辨本领

为能观察到远处的物体，物镜用较长焦距的凸透镜，目镜用较短焦距的凸透镜。远处射来光线（视为平行光），经过物镜后，会聚在它的后焦点外高焦点很近的地方，成一倒立、缩小的实像。目镜的前焦点和物镜的后焦点是重合的。所以物镜的像作为目镜的物体，从目镜可看到远处物体的倒立虚像，由于增大了视

角，故提高了分辨能力，

见图1。

图1

用焦距为150毫米的凸透镜做物镜，焦距为100毫米的凸透镜做目镜，使两镜相距约350毫米，将构成开普勒望远镜。通过窗子，观察远处的建筑物或树木，调整目镜，即可清晰地看到倒立的虚像。

图 2

如图2，物体AB 放在望远镜前方与F 0相距为d 的地方（F 0为望远镜物镜L 0

的前焦点），AB 经物镜L 0成中间像A / B /。由图可知，AB/ A / B /=d /0f

所以 0f d AB A B

=

?'' 把物体BC 放在望远镜前方不太远处，用平行光照亮它，在望远镜后面可以找到BC 的实像B /C /，可知望远镜的放大倍数 0E f BC M f B C ==''

分别测出BC 和B /C /尺寸，便可求得放大倍数。

望远镜的分辨本领用它的最小分辨角δθ来表示。由光的衍射理论知：

() 1.22D λ

δθ理论＝

式中，λ为照明光波的波长，D 为望远镜物镜的孔径，角度δθ的单位是弧度。即两个物体如果对望远镜的张角小于δθ（理论）值。则望远镜将无法分辨它们是两个物体（两个物体重叠成一个像）

四、实验步骤

（一）自组望远镜的实验步骤

1、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。

3、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。

（二）望远镜特性参数的测量步骤

（1）用望远镜测某一距离：（图3）

调平行光，照在物体AB上，后面放毛玻璃使其成为漫反射光源。从卷尺上读出对应的AB和A/ B/长度，测量三次求平均值，代入公式求所测距离d。用卷尺直接量出距离d，检验上述测量准确性。

图3

(2) 用卷尺测对应的BC和B/C/的长度，测量三次求平均值，代入公式求M。（图4）

(浙江专用版)高考物理二轮复习专题七实验题题型强化第16讲力学和光学实验讲义

（浙江专用版）高考物理二轮复习专题七实验题题型强化第16讲力学和光学实验讲义 力学和光学实验 专题定位 1.熟知各种器材的特性.2.熟悉课本实验，抓住实验的灵魂——实验原理，掌握数据处理的方法，熟知两类误差分析.3.利用所学过的知识，对实验器材或实验方法加以重组，完成新的实验设计． 第16讲 力学和光学实验 1．纸带的三大应用 (1)利用逐差法求解平均加速度(如图) a 1＝x 4－x 13T 2，a 2＝x 5－x 23T 2，a 3＝x 6－x 33T 2?a ＝a 1＋a 2＋a 33 (2)利用平均速度求瞬时速度：v n ＋1＝ x n ＋x n ＋12T (3)利用速度—时间图象求加速度． 2．光电门的应用 (1)求瞬时速度：把遮光条(宽度为d )通过光电门的时间Δt 内的平均速度看做遮光条经过光电门的瞬时速度，即v ＝d Δt . (2)求加速度：若两个光电门之间的距离为L ，则利用速度与位移的关系可求加速度，即a ＝v 22－v 122L . 3．实验的技巧 (1)要根据实验原理来判断是否需要平衡摩擦力，知道正确平衡摩擦力的方法． (2)要清楚钩码(或沙桶)与小车之间的质量关系，并且要清楚在仪器创新或实验原理创新的情形下，该条件是否需要调整． (3)要知道实验数据、图象的处理方法和运用数学知识解题的技巧． 例1 (2019·新高考研究联盟二次联考)如图甲所示，某同学用力传感器探究在小车及传感

器总质量不变时加速度跟它们所受拉力的关系． (1)实验中使用的电火花计时器，应接________电源． A ．交流4～6V B ．交流220V (2)该同学将实验器材如图甲所示连接后，沙桶的质量________(填“需要”或“不需要”)远小于小车及传感器总质量，实验时如将细线拉力当成小车及传感器的合外力，则________(填“需要”或“不需要”)先平衡摩擦力． (3)先接通电源，小车由静止释放，获得的一条纸带如图乙，每打5个点取一个计数点，x 1＝ 3.62cm ，x 4＝5.12cm ，由图中数据可求得：2、3两点的距离(即x 3)约为________cm.(结果保留三位有效数字) (4)在实验中，甲、乙两位同学根据实验数据画出如图丙所示的小车的加速度a 和小车所受拉力F 的图象分别为图中的直线Ⅰ和直线Ⅱ，下面给出了关于形成这种情况原因的四种解释，其中可能正确的是________．(多选) A ．实验前甲同学没有平衡摩擦力 B ．甲同学在平衡摩擦力时把长木板的右端抬得过高了 C ．实验前乙同学没有平衡摩擦力 D ．乙同学在平衡摩擦力时，把长木板的右端抬得过高了 答案 (1)B (2)不需要 需要 (3)4.62 (4)BC 解析 (1)电火花计时器，需接220V 交流电源． (2)实验时如将细线拉力当成小车及传感器的合外力，不需要沙桶的质量远小于小车及传感器的总质量，但必须平衡摩擦力，否则细线的拉力不是合力． (3)相邻0.1s 内位移差Δx ＝x 4－x 1 3＝0.50cm ，又x 4－x 3＝Δx 故x 3＝x 4－Δx ＝5.12cm －0.50cm ＝4.62cm.

应用光学习题解答

一、填空题 1、光学系统中物和像具有共轭关系的原因是 。 2、发生全反射的条件是 。 3、 光学系统的三种放大率是 、 、 ，当物像空间的介质的折射率给定后，对于一对给定的共轭面，可提出 种放大率的要求。 4、 理想光学系统中，与像方焦点共轭的物点是 。 5、物镜和目镜焦距分别为mm f 2'=物和mm f 25'=目的显微镜，光学筒长△= 4mm ，则该显微镜的视放大率为 ，物镜的垂轴放大率为 ，目镜的视放大率为 。 6、 某物点发出的光经理想光学系统后对应的最后出射光束是会聚同心光束，则该物点所成的是 (填“实”或“虚”)像。 7、人眼的调节包含 调节和 调节。 8、复杂光学系统中设置场镜的目的是 。 9、要使公共垂面内的光线方向改变60度，则双平面镜夹角应为 30 度。 10、近轴条件下，折射率为1.4的厚为14mm 的平行玻璃板，其等效空气层厚

度为10 mm。 11、设计反射棱镜时，应使其展开后玻璃板的两个表面平行，目的是 保持系统的共轴性。 12、有效地提高显微镜分辨率的途径是提高数值孔径和减小波长。 13、近轴情况下，在空气中看到水中鱼的表观深度要比实际深度小。 一、填空题 1、光路是可逆的 2、光从光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角I0，其中，sinI0=n2/n1。 3、垂轴放大率；角放大率；轴向放大率；一 4、轴上无穷远的物点 5、－20；－2；10 6、实 7、视度瞳孔 8、在不影响系统光学特性的的情况下改变成像光束的位置，使后面系统的通光口径不致过大。 9、30 10、10 11、 12、 13、小 二、简答题 1、什么是共轴光学系统、光学系统物空间、像空间？

几何光学实验讲义(最新版)资料

几何光学实验讲义 1.薄透镜焦距测量 实验目的 1.掌握薄透镜焦距的常用测定方法，研究透镜成像的规律。 2.理解明视距离与目镜放大倍数定义； 3.掌握测微目镜的使用。 实验仪器 1.LED白光点光源（需加毛玻璃扩展光源） 2.毛玻璃 3.品字形物屏 4.待测凸透镜（Φ = 50.8mm，f = 150，200mm） 5.平面反射镜 6.JX8测微目镜（15X，带分划板） 7.像屏2个（有标尺和无标尺） 8.干板架2个 9.卷尺 10.光学支撑件（支杆、调节支座、磁力表座、光学平台） 基础知识 1.光学系统的共轴调节 在开展光学实验时，要先熟悉各光学元件的调节，然后按照同轴等高的光学系统调节原则进行粗调和细调，直到各光学元件的光轴共轴，并与光学平台平行为止。 1、粗调：将目标物、凸透镜、凹透镜、平面镜、像屏等光学元件放在光具座（或光学平台）上，使它们尽量靠拢，用眼睛观察，进行粗调（升降调节、水平位移调节），使各

元件的中心大致在与导轨（平台）平行的同一直线上，并垂直于光具座导轨（平台）。 2、细调：利用透镜二次成像法来判断是否共轴，并进一步调至共轴。当物屏与像屏距离大于4f时，沿光轴移动凸透镜，将会成两次大小不同的实像。若两个像的中心重合，表示已经共轴；若不重合，以小像的中心位置为参考（可作一记号），调节透镜（或物，一般调透镜）的高低或水平位移，使大像中心与小像的中心完全重合，调节技巧为大像追小像，如下图所示。 图1-1 二次成像法中物与透镜位置变化对成像的影响 图1-1(a）表明透镜位置偏低（或物偏高），这时应将透镜升高（或把物降低）。而在图(b）情况，应将透镜降低（或将物升高）。水平调节类似于上述情形。当有两个透镜需要调整（如测凹透镜焦距）时，必须逐个进行上述调整，即先将一个透镜（凸）调好，记住像中心在屏上的位置，然后加上另一透镜（凹），再次观察成像的情况，对后一个透镜的位置上下、左右的调整，直至像中心仍旧保持在第一次成像时的中心位置上。注意，已调至同轴等高状态的透镜在后续的调整、测量中绝对不允许再变动 2.薄透镜成像公式 透镜分为会聚透镜和发散透镜两类，当透镜厚度与焦距相比甚小时，这种透镜称为薄透镜．值得注意的是，若透镜太厚，光在透镜中的传播路径便无法忽略，光在透镜里的传播路径就必须做进一步的考虑。 在实验中，必须注意各物理量所适用的符号法则。运算时已知量须添加符号，未知量则根据求得结果中的符号判断其物理意义。在讨论成像前，我们约定正负号定义（1）光由左往右前进定义为正方向传播。 （2）物体若放在透镜的左方，其物距为负，反之为正。 （3）像若形成在透镜的右方，其像距为正，反之为负。 （4）若是光线与光轴线相交，且相交的锐角是由光线顺时针方向朝光轴线方向旋转扫出来的，这个锐角定义为正，反之为负。

应用光学实验报告

（操作性实验） 课程名称：应用光学 实验题目：薄透镜焦距测量和光学系统基点测量 指导教师： 班级：学号：学生姓名： 一、实验目的 1.学会调节光学系统共轴。 2.掌握薄透镜焦距的常用测定方法。 3.研究透镜成像的规律。 4.学习测定光具组基点和焦距的方法 二、仪器用具 1、光源（包括LED，毛玻璃等） 2、干板架 3、目标板 4、待测透镜（Φ50.0，f75.0mm） 5、反射镜 6、二维调节透镜/反射镜支架 7、白屏 8、节点器（含两Φ40透镜，f 200和f 350） 三、基本原理

1.自准直法测焦距 如下图所示，若物体AB 正好处在透镜L 的前焦面处，那么物体上各点发出的光经过透镜后，变成不同方向的平行光，经透镜后方的反射镜M 把平行光反射回来，反射光经过透镜后，成一倒立的与原物大小相同的实象B A ''，像B A ''位于原物平面处。即成像于该透镜的前焦面上。此时物与透镜之间的距离就是透镜的焦距f ，它的大小可用刻度尺直接测量出来。 图1.2 自准直法测会聚透镜焦距原理图 2. 二次成像法测焦距 由透镜两次成像求焦距方法如下： 图1.3 透镜两次成像原理图 当物体与白屏的距离f l 4>时，保持其相对位置不变，则会聚透镜置于物体与白屏之间，可以找到两个位置，在白屏上都能看到清晰的像．如上图所示，透镜两位置之间的距离的绝对值为d ，运用物像的共扼对称性质，容易证明： l d l f 42 2-=' 上式表明：只要测出d 和l ，就可以算出f '．由于是通过透镜两次成像而求得的f '，这种方法称为二次成像法或贝塞尔法．这种方法中不须考虑透镜本身的厚度，因此用这种方法测出的焦距一般较为准确． 3.主面和主点 若将物体垂直于系统的光轴，放置在第一主点H 处，则必成一个与物体同样 L M

工程光学(1)_实验讲义

实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧 1.引言 不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成的，因此，掌握一些常用的光学元器件的结构，光学性能、特点和使用方法，对于安排实验光路系统时，正确的选择和使用光学元器件具有重要的作用。 2.实验目的 1)掌握光学专业基本元件的功能； 2)掌握基本光路调试技术，主要包括共轴调节和调平行光。 3.实验原理 3.1光学实验仪器概述: 光学实验仪器主要包括：光源，光学元件，接收器等。 3.1.1常用光源 光源是光学实验中不可缺少的组成部分，对于不同的观测目的，常需选用合适的光源，如在干涉测量技术中一般应使用单色光源，而在白光干涉时又需用能谱连续的光源（白炽灯）；在一些实验中，对光源尺寸大小还有点、线、面等方面的要求。光学实验中常用的光源可分为以下几类： 1）热辐射光源 热辐射光源是利用电能将钨丝加热，使它在真空或惰性气体中达到发光的光源。白炽灯属于热辐射光源，它的发光光谱是连续的，分布在红外光、可见光到紫外光范围内，其中红外成分居多，紫外成分很少，光谱成分和光强与钨丝温度有关。热辐射光源包括以下几种：普通灯泡，汽车灯泡，卤钨灯。 2）热电极弧光放电型光源 这类光源的电路基本上与普通荧光灯相同，必须通过镇流器接入220V点源，它是使电流通过气体而发光的光源。实验中最常用的单色光源主要包括以下两种：纳光灯（主要谱线：589.3nm、589.6nm），汞灯（主要谱线：623.4nm、579.0nm、577.0nm、546.1nm、491.6nm、435.8nm、407.9nm、404.7nm） 3）激光光源 激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写：LASER)，是指通过辐射的受激辐射而实现光放大，即受激辐射的光放大。激光器作为一种新型光源，与普通光源有显著的差别。它是利用受激辐射的原理和激光腔的滤波效应，使所发光束具有一系列新的特点。①激光器发出的光束有极强的方向性，即光束的发散角很小；②激光的单色性好，或者说相干性好，其相干长度可以达十米甚至数百米；③激光器的输出功率密度大，即能量高度集中。所以激光光源是一种单色性和方向性都好的强光源，已应用于许多科技及生产领域

应用光学试题及答案

中 国 海 洋 大 学 命 题 专 用 纸 (首页) 2005-2006学年第 二 学期 试题名称: 应用光学 A 课程号： 共 2 页 第 1 页 专业年级__物理学2003_____ 学号___________ 姓名____________ 考试日期（考生填写）_______年____月__日 分数_________ 一．简答题（15分）（写在答卷纸上） 1．（5分）物理光学研究什么内容？几何光学研究什么内容？ 2．（5分）什么是场镜？场镜的作用是什么（要求写出两种作用）？ 3．（5分）写出轴外点的五种单色像差的名称。 二．作图题（15分）(画在试卷上) 4．（５分）已知焦点F 和F ’和节点J 和J ’（见图2），求物方主点H 和像方主点H ’ 。 5．（10分）应用达夫棱镜的周视瞄准仪示意图(见图1)，分别标出A 、B 、C 、D 点光的坐标方向。 J F ’ F J ’ 图2 z y x A B C D 图1

授课教师 李颖命题教师或命题负责人 签字李颖 院系负责人 签字 年月日 注：请命题人标明每道考题的考分值。 中国海洋大学命题专用纸（附页） 2005-2006学年第二学期试题名称: 应用光学课程号：共 2 页第 2 页

三．计算题（70分） 6．（10分）某被照明目标，其反射率为ρ=，在该目标前15m距离处有一200W的照明灯，各向均匀发光，光视效能（发光效率）为30lm/W，被照明面法线方向与照明方向的夹角为0度。 求：（1）该照明灯的总光通量；（2）被照明目标处的光照度；（3）该目标视为全扩散表面时的光亮度。 7．（10分）显微镜目镜视角放大率为Γe=10，物镜垂轴放大率为β=-2，NA=，物镜共轭距为180mm，物镜框为孔径光阑，求：（1）显微镜总放大率，总焦距。（2）求出瞳的位置和大小。8．（15分）一个空间探测系统（可视为薄透镜），其相对孔径为1:，要求将10km处直径为２ｍ的物体成像在1/2英寸的探测器靶面上，物体所成像在探测器靶面上为内接圆，问此系统的焦距应该为多少？口径为多少？所对应的最大物方视场角是多少？（一英寸等于毫米，探测器靶面长与宽之比为４:3） 9．（10分）有一个薄透镜组，焦距为100mm，通过口径为20mm，利用它使无限远物体成像，像的直径为10mm，在距离透镜组50mm处加入一个五角棱镜（棱镜的玻璃折射率为，透镜展开长度为L=，D为棱镜第一面上的通光口径），求棱镜的入射面和出射面的口径，通过棱镜后的像面位置。 10．（15分，A、B任选） A．有一个焦距为50mm的放大镜，直径D=40mm，人眼（指瞳孔）离放大镜20mm来观看位于物方焦平面上的物体，瞳孔直径为4mm。求系统的孔径光阑，入瞳和出瞳的位置和大小，并求系统无渐晕时的线视场范围。 B．有一开普勒望远镜，视放大率Γ=8，物方视场角2ω=8?，出瞳直径为6mm，物镜和目镜之间的距离为180mm，假定孔径光阑与物镜框重合，系统无渐晕，求（1）物镜焦距，目镜焦距；（2）物镜口径和目镜口径；（3）出瞳距离。 11．（10分，要求用矩阵法求解）有一个正薄透镜焦距为8cm，位于另一个焦距为－12cm的负薄透镜左边6cm处，假如物高3cm，位于正透镜左边的24cm处，求像的位置和大小。 四．附加题（10分） 12．谈谈你对《应用光学》课程教学和课程建设的设想和建议。

典型光学系统试验

\ 本科实验报告 课程名称：应用光学实验姓名：韩希 学部：信息学部系：信息工程专业：光电 学号：3110104741 指导教师：蒋凌颖 实验报告

课程名称： 应用光学实验 指导老师 成绩：__________________ 实验名称：典型光学系统实验 实验类型： 同组学生姓名： 蒋宇超、陈晓斌 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理 六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 深入理解显微镜系统、望远镜系统光学特性及基本公式； 掌握显微镜系统、望远镜系统光学特性的测量原理和方法。 二、实验内容和原理 (1)望远镜特性的测定 测定望远镜的入瞳直径D 、出瞳直径D ’和出瞳距错误!未找到引用源。；测定望远镜的视觉放大率Γ；测定望远镜的物方视场角错误!未找到引用源。，像方视场角错误!未找到引用源。；测定望远镜的最小分辨角φ。 对于望远镜系统来说，任意位置物体的放大率是常数，此值由物镜焦距错误!未找到引用源。和目镜焦距错误!未找到引用源。确定，其视觉放大率可表示为 (2) 显微镜视场及显微物镜放大率的测定 显微物镜的放大率是指横向放大率 式中 y ——标准玻璃刻尺上一对刻线的距离（物）（格值0.01mm ）； y ′——由测微目镜所刻得的像高。 (3)显微物镜数值孔径的测定 显微物镜的数值孔径为错误!未找到引用源。,其中n 为物方介质的折射率，u 为物方半孔径角。若在空气中n=1,则错误!未找到引用源。。 数值孔径通常用数值孔径计来测定，数值孔径计的结构如图5示，其主要元件是一块不太厚的玻璃半圆柱体，沿直径方向的侧面是与上表面成45度角的斜面，从侧面入射的光线在斜面上全反射，上表面上有两组刻度沿圆周排列。其外圈刻度为数值孔径（即角度的正弦值）， 专业： 光电信息工程 姓名： 韩希 学号： 3110104741 日期：2013年6月15日 地点：紫金港东四605

光学系统设计讲义

实验一：单镜头设计(Singlet) 实验目的： 1、学习如何启用Zemax 2、学习如何输入波长（wavelength）、镜头数据（lens data） 3、学习如何察看系统性能（optical performance），如ray fan，OPD，点列图（spot diagrams）， MTF等。 4、学习如何定义thickness solve以及变量（variables） 5、学习如何进行优化设计（optimization） 实验仪器：微机、zemax光学设计软件 实验步骤： 1、设计一个孔径为F/4的单镜头，物在光轴上，其焦距（focal length）为100mm，波长为可见光， 用BK7玻璃为材料。 2、首先运行ZEMAX，将出现ZEMAX的主页，然后点击lens data editor(LDE)。什么是LDE呢？它是你要 的工作场所，在LDE的扩展页上，可以输入选用的玻璃，镜片的radius，thickness，大小，位置等。 3、然后输入波长，在主菜单的system下，点击wavelengths，弹出波长数据对话框wavelength data，键入你 要的波长，在第一行输入0.486，它是以microns为单位，此为氢原子的F-line光谱。在第二、三行键入 0.587及0.656，然后在primary wavelength上点在0.587的位置，primary wavelength主要是用来计算光学 系统在近轴光学近似(paraxial optics，即first-order optics)下的几个主要参数，如focal length，magnification，pupil sizes等。 4、确定透镜的孔径大小。既然指定要F/4的透镜，所谓的F/#是什么呢？F/#就是光由无限远入射所形成的 effective focal length F跟paraxial entrance pupil的直径的比值。所以现在我们需要的aperture就是100/4=25(mm)。于是从system menu上选general data，aperture type里选择entrance pupil，在apervalue 上键入25，然后点击ok。 5、回到LDE，可以看到3个不同的surface，依序为OBJ，STO及IMA。OBJ就是发光物，即光源，STO 即孔径光阑aperture stop的意思，STO不一定就是光照过来所遇到的第一个透镜，你在设计一组光学系统时，STO可选在任一透镜上，通常第一面镜就是STO，若不是如此，则可在STO这一栏上按鼠标，可前后加入你要的镜片，于是STO就不是落在第一个透镜上了。而IMA就是imagine plane，即成像平面。回到我们的singlet，我们需要4个面(surface)，于是点击IMA栏，选取insert，就在STO后面再插入一个镜片，编号为2，通常OBJ为0，STO为1，而IMA为3。 6、输入镜片的材质为BK7。在STO行中的glass栏上，直接键入BK7即可。 7、孔径的大小为25mm，则第一镜面合理的thickness为4，在STO行中的thickness栏上直接键入4。Zemax 的默认单位是mm 8、确定第1及第2镜面的曲率半径，在此分别选为100及-100，凡是圆心在镜面之右边为正值，反之为负 值。再令第2面镜的thickness为100。 9、现在数据已大致输入完毕。如何检验你的设计是否达到要求呢？选analysis中的fans，然后选择其中的 Ray Aberration，将会出现如图1-1所示的TRANSVERSE RAY FAN PLOT。

应用光学习题及答案

武汉理工大学考试试题纸（A卷） 课程名称应用光学专业班级0501～03 题号一二三四五六七八九十总分 题分 备注:学生不得在试题纸上答题(含填空题、选择题等客观题 一、选择题（每题 1 分，共 5 分） 1．发生全反射现象的必要前提是： A)光线由光疏介质到光密介质传播B) 光线由光密介质到光疏介质传播 C)光线在均匀介质中传播D) 以上情况都可能产生 2．周视照相机可以拍摄大视场景物，其利用的： A)节点的性质B)主点的性质C)焦点的性质D)以上答案都正确 3．在望远镜的视度调节中，为适应近视人群，应采取的是： A)使物镜远离目镜B)使目镜远离物镜C)使目镜靠近物镜D)应同时调节物镜和目镜 4．棱镜系统中加入屋脊面，其作用是： A 改变光轴的方向B)改变主截面内像的方向C)改变垂轴于主截面方向上像的方向D)以上都正确5．光学系统中场镜的作用是： A)改变成像光束的位置B)减小目镜的尺寸C)不改变像的成像性质D)以上都正确 二、填空题（每题 2 分，共 10 分） 1．显微镜中的光学筒长指的是（）2．光学系统中像方顶截距是（）3．用波像差评价系统成像质量的瑞利准则是（）4．望远系统中物镜的相对孔径是（）

5．棱镜的转动定理是（） 三、简答题（共 20 分） 1．什么叫孔径光阑它和入瞳和出瞳的关系是什么（4 分） 2．什么叫视场光阑它和入窗和出窗的关系是什么（4 分） 3．几何像差主要包括哪几种（4 分） 4. 什么叫远心光路其光路特点是什么（4 分）

四、分析作图题（共 25 分） 1.已知正光组的F 和F’，求轴上点 A 的像，要求用五种方法。（8 分） 2. 已知透镜的焦距公式为f ' nr1，l ' H f ' n 1d ， l H f ' n 1d ， r d nr nr ) ( n 1) r 2 r 分析双凹透镜的基点位置，并画出 FFL、BFL 和 EFL 的位置。（9 分） 3.判断下列系统的成像方向，并画出光路走向（8 分） （a）（b） 五、计算题（共 35 分） 1．由已知f150mm，f2150mm的两个薄透镜组成的光学系统，对一实物成一放大 4 倍的实像，并 且第一透镜的放大率12，试求：1.两透镜的间隔；2.物像之间的距离；3.保持物面位置不变，移动 第一透镜至何处时，仍能在原像面位置得到物体的清晰像与此相应的垂铀放大率为多大（15 分）

应用光学实验报告

应 用 光 学 实 验 报 告 姓名：xxx 班级：xxx 学号：xx

1.了解学习使用zemax软件，并用zemax完成透镜实验。 2.了解学习使用tfcalc软件，并用tfcalc完成光学薄膜设计和分析实验。 实验内容 1.应用zemax设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，使用BK7玻璃。生成光学特性曲线，光程差曲线，点列图，并进行简单优化。 2.应用tfcalc设计一个光学薄膜，并进行分析。 实验过程 任务一 1.根据教程学习了解zemax。 2.首先，运行ZEMAX。为系统输入波长，在第一个“波长”行中输入486， 在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入656。 3.设置权重为1.0。 4.定义孔径。由于需要一个F/4镜头，所以需要一个25mm的孔径。 5.增加第四个表面。物体所在面为第0面，然后才是第1（STO是光阑面），第 2和第3面（标作IMA）。 6.选用玻璃BK7。并输入镜片厚度是4mm。 7.确定曲率半径，前面和后面的半径分别是100和-100，并输入一个100的值， 作为第2面的厚度。 8.应用光线特性曲线图进行判断。 9.优化设计。 10.应用点列图及OPD图衡量光学性能。 任务二 1.根据教程学习了解tfcalc。 2.运行tfcalc。 3.设置光薄膜层数。 4.设置每层所用的物质（如TIO2，SIO2等）。 5.运行获得分析曲线图。

任务一 图一光线特性曲线图 图二光线特性曲线图（纠正离焦后）

图三像差图 图四OPD图

图五多色光焦点漂移图 图六点列图

任务二 图七（选用6层薄膜，材料如图所示） 说明：采用六层薄膜，介质分别为SIO2,TIO2，SIO2,TIO2，SIO2,TIO2。 图八（设置“反射”所得） 说明：波长在400—700nm之间薄膜适合透射，在700—1200nm之间适合反射。

应用光学教案第一章

[考试要求] 本章要求考生了解几何光学的基本术语、基本定律、光路计算及完善成像 的条件。 [考试内容] 几何光学的基本定律、全反射现象的应用、完善成像的含义及条件、近轴光 学系统的光路计算和球面光学成像系统的物像位置关系。 ［作业］ P13：2、3、4、7、8、9、16、17、18、19、21 第一章 几何光学基本定律与成像概念 第一节 几何光学基本定律 一、 光波与光线 1、光波性质 性质：光是一种电磁波，是横波。 可见光波，波长范围 390nm —780nm 光波分为两种： 1)单色光波―指具有单一波长的光波； 2)复色光波―由几种单色光波混合而成。如：太阳光 2、光波的传播速度ν 1)与介质折射率 n 有关； 2)与波长λ有关系。 v = c / n c 为光在真空中的传播速度 c ＝3×10 8 m/s ；n 为介质折射率。 例题 1：已知对于某一波长λ而言，其在水中的介质折射率 n ＝4/3，求该波长的 光在水中的传播速度。 解： v = c / n ＝3×10 8 /4/3＝2.25×10 8 m/s 3、光线：没有直径、没有体积却携有能量并具有方向性的几何线。 4、光束：同一光源发出的光线的集合。 会聚光束：所有光线实际交于一点（或其延长线交于一点） 图 1-1 会聚光束 图 1-2 发散光束

?n sin I m = n ' sin I ' 根据折射定律， ? 发散光束：从实际点发出。（或其延长线通过一点） 说明：会聚光束可在屏上接收到亮点，发散光束不可在屏上接收到亮点，但却可 为人眼所观察。 5、波面（平面波、球面波、柱面波） 平面波：由平行光形成。平面波实际是球面波的特例，是 R ? 时的球面波。 球面波：由点光源产生。 柱面波：由线光源产生。 二、 几何光学的基本定律 即直线传播定律、独立传播定律、折射定律、反射定律。 1、 直线传播定律：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播（光线是直线）。 直线传播的例子是非常多的，如：日蚀，月蚀，影子等等。 2、 独立传播定律：从不同光源发出的光束，以不同的方向通过空间某点时，彼 此互不影响，各光束独立传播。 3、 反射定律： 反射光线和入射光线在同一平面、且分居法线两侧，入射角和 反射大小相等，符号相反。 4、 折射定律：入射光线、折射光线、通过投射点的法线三者位于同一平面， 且 sin I sin I ' ＝ n ' n 图 3 折反定律 5、 全反射： 1） 定义：从光密介质射入到光疏介质，并且当入射角大于某值时，在二种介质 的分界面上光全部返回到原介质中的现象。 刚刚发生全反射的入射角为临界角，用 I m 表示。 ? I ' = 90 ? sin I m = n ? I m = arcsin n ' n 2）全反射发生的条件：

第一轮光学实验讲义(以分组)

实验32 分光计的调节和使用 分光计是用来精确测量角度的光学仪器，物理实验中常用来测量三棱镜的顶角，折射率，研究光栅衍射特性，测光波波长等。每一种应用都需要对分光计进行精确的调节，分光计的结构复杂而精密，调节难度大，其调节是本实验的重点和难点。因此，熟悉分光计的基本结构和掌握它的基本调节要求和方法，对调整和使用其它光学仪器具有普遍的指导意义。 【实验目的】 1. 了解分光计的结构和各部分的作用； 2. 学会用“二分之一调节法”正确调节分光计； 3. 掌握用分光计测角的方法，并测量三棱镜的顶角A。 【实验仪器、用具】 分光计，单色光源，双平面反射镜，三棱镜等。 【实验原理】 1. 分光计的结构与角度测量原理 分光计由望远镜、平行光管、刻度盘、载物台与底座５个部分组成。如图32-1所示。 1-望远镜锁紧螺钉，2-望远镜，3-载物台水平调节螺钉，4-三棱镜，5-分光计主轴，6-载物台，7-平 行光管，8-平行光管狭缝锁紧螺钉，9-平行光管水平调节螺钉，10-游标盘止动螺钉，11-底座，12- 望远镜止动螺钉，13-刻度盘与望远镜固定螺钉，14-刻度盘与游标盘，15-望远镜水平调节螺钉 图32-1 分光计结构示意图 1.1 望远镜 望远镜是由一个长焦距的物镜和一个短焦距的目镜组成。物镜的像方焦点(焦平面)与目镜的物方焦点(焦平面)几乎重合，在它们的共同焦平面处装有一块分划板，用以对望远镜进行调焦。物镜和目镜均为凸透镜的望远镜称为开普勒望远镜，目镜为凹透镜的称为伽利略望远镜。 分光计中望远镜的基本结构与开普勒望远镜一样，不同的是在其分划板上贴有一个特制的直角小棱镜及对分划板的特殊设计(如图32-2)，棱镜的一个直角面紧贴在分划板上，面上除留有一个“╋”字形透光孔以外，其余部分为不透光面。棱镜的另一个直角面朝向镜筒下方，可以从其下方的开孔处射入照明光线(常用发光二极管发出的绿色光)，用以照亮“╋”字窗。分划板上的调焦准线形状为“”形，即在图

应用光学习题解答13年教学提纲

应用光学习题解答13 年

收集于网络，如有侵权请联系管理员删除 一、填空题 1、光学系统中物和像具有共轭关系的原因是 。 2、发生全反射的条件是 。 3、 光学系统的三种放大率是 、 、 ，当物像空间的介质 的折射率给定后，对于一对给定的共轭面，可提出 种放大率的要求。 4、 理想光学系统中，与像方焦点共轭的物点是 。 5、物镜和目镜焦距分别为mm f 2'=物和mm f 25'=目的显微镜，光学筒长△= 4mm ，则该显微镜的视放大率为 ，物镜的垂轴放大率为 ，目镜的视放大率为 。 6、 某物点发出的光经理想光学系统后对应的最后出射光束是会聚同心光 束，则该物点所成的是 (填“实”或“虚”)像。 7、人眼的调节包含 调节和 调节。 8、复杂光学系统中设置场镜的目的是 。 9、要使公共垂面内的光线方向改变60度，则双平面镜夹角应为 度。 10、近轴条件下，折射率为1.4的厚为14mm 的平行玻璃板，其等效空气层厚度为 mm 。

11、设计反射棱镜时，应使其展开后玻璃板的两个表面平行，目的 是。 12、有效地提高显微镜分辨率的途径是。 13、近轴情况下，在空气中看到水中鱼的表观深度要比实际深度。 一、填空题 1、光路是可逆的 2、光从光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角I0，其中， sinI0=n2/n1。 3、垂轴放大率；角放大率；轴向放大率；一 4、轴上无穷远的物点 5、－20；－2； 10 6、实 7、视度瞳孔 8、在不影响系统光学特性的的情况下改变成像光束的位置，使后面系统的通光口径不致过大。 9、30 10、10 11、保持系统的共轴性 12、提高数值孔径和减小波长 收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

初中光学实验讲义

五、光的反射实验 （1）实验目的：探究反射光线沿什么方向射出 （2）器材：可折叠的白纸板，平面镜、刻度尺、量角器、笔 （3）步骤：①将平面镜放在“水平桌面”上，白纸板“垂直”立在平面镜上。 平面镜：充当反射面，可以使反射光线更加明亮，易于观察和记录 白纸板：发生漫反射，显示光的传播径迹，记录实验数据，验证“三 线共面”。 ②将一束光AO 紧贴E 板沿某一个角度声响O 点，观察F 板上出现的 反射光线OB ，保持E 板不动，前后绕着ON 轴转动F 板，观察在F 板上能否看到反射光线OB 。 结论： ①反射时，反射光线、入射光线和法线在同一平面内。 ②反射光线与入射光线分居发现两侧 ③将一束光AO 紧贴E 板沿某一个角度射向O 点，观察F 板上出现的反射光线OB ，在纸板上用铅笔描出入射光线AO 和反射光线OB 的径迹，改变光束入射的角度在做3次，用不同颜色的笔记录每次光的径迹。取下纸板，用量角器量出ON 两侧的∠i 和∠r 的度数，将数据记录在表格中 归纳结论：反射角等于入射角 ④将一束光从F 板射入，会看到反射光线从E 板射出， 结论：反射光线与入射光线分居发现两侧 ⑤将蓝色光束在F 板逆着BO 射入，看到在E 板的反射光线逆着OA 射出。 结论：反射时光路可逆 ⑥将一束光从NO 射入（垂直射入），会看到反射光线逆着原路沿ON 射出，此时∠i=∠r=0o 总结：光的反射定律（略） ⑦如果探究反射角与入射角的关系，则实验要做6次，目的是使结论更趋近于实际关系 六、平面镜成像实验 1、平面镜的作用：（1）改变光路 潜望镜······ （2）成像 2、平面镜成像实验 （1）器材：激光笔、薄玻璃板、支架、大白纸一张、刻度尺、一对一模一样的蜡烛AB 、量角器 （2）方法：等效替代法 用B 蜡烛替代A 蜡烛，与像重合。 （3）步骤： ①将大白纸铺在水平桌面上，用刻度尺在白纸中央画一条直线，用支架将玻璃板垂直立在白纸中央的直线上。 ②将A 蜡烛点燃，放在玻璃板左侧某一位置上，透过玻璃板，看到在玻璃板的右侧出现蜡烛A 的像A ′， ③移动B 蜡烛，使之与A ′重合，在白纸上记录下A 蜡烛与像A ′（即B 蜡烛）对应点的位置。

应用光学实验

实验一光学实验主要仪器、光路调整与技巧 一. 引言 不论光学系统如何复杂，精密，它们都是由一些通用性很强的光学元器件组成，因此掌握一些常用的光学元器件的结构和性能，特点和使用方法，对安排试验光路系统时正确的选择光学元器件，正确的使用光学元器件有重要的作用 二．实验目的 掌握光学专业基本元件的功能；调整光路，主要包括共轴调节、调平行光和针孔滤波。 三．基本原理 (一)、光学实验仪器概述: 主要含： 激光光源，光学元件，观察屏或信息记录介质 1. 激光光源; 激光器即Laser(Light Amplification by stimulated emission of radiation)，原意是利用受激辐射实现光的放大．然而实际上的激光器,一般不是放大器,而是振荡器,即利用受激辐射实现光的振荡,或产生相干光。 . 960年,梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器.现在被广泛用于各个行业 激光的特性:(1)高度的相干性(2)光束按高斯分布 激光器的分类: (1)气体激光器——He-Ne激光器,Ar离子激光器 (2)液体激光器——染料激光器 (3)固体激光器———半导体激光器,红宝石激光器 本套实验方案的选择的激光器是气体型He-Ne内腔式激光器,波长为632.8nm的红光，功率2mW。个别实验中还会用到白光点光源。 2、用于光学实验的元件一般包括： 防震平台、分束镜、扩束镜、准直镜、反射镜、成像透镜、傅立叶变换透镜、多自由度微调器、可变光栏、观察屏等部件。如果是全息实验还需要快门、干版架、自动曝光和显定影定时器、记录干版等。

（本实验方案中，扩束镜采用针孔空间滤波器，准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜均采用双凸透镜） ⑴防震平台 光学实验需要一个稳定的工作平台。特别是对于全息图制作实验，由于是参考波和物光波干涉条纹的记录，如果在曝光过程中因为振动导致两光波有变化，就要影响干涉条纹的调制度。通常要求该光波的振动变化小于十分之一波长。影响稳定性的因素有震动、空气流和热变化等。震动的主要影响来自地基的震动，如果记录系统部件的机构有松动就会把震动放大，所以必须对工作台采取减震措施。专用全息气浮工作台是最好的减震台。简单的减震方法可用砂箱、微塑料、气垫（用汽车、飞机轮子的内胎）和重1000～2000kg的铸铁或花岗岩，并应安装一个隔离罩。如果不用隔离罩，记录全息图时室内不要通风，工作人员不要大声讲话和距工作台远一些。 ⑵光学元件 ①分束镜: 分束镜是光学实验系统的一个重要元件，它的作用是将激光束分为两束，在干涉仪系统组装的实验中可产生两束有一定夹角的相干波，在全息制作实验中可产生参考光和物体的物光光波。分束镜一般是在玻璃板上镀干涉膜。干涉膜有两种：多层介质膜和金属膜。分光比可以连续变化或分段变化。 ②扩束器(扩束镜): 因激光束的发散角很小，需要用一个扩束镜以加大光束的发散角。通常可用20倍、40倍的显微物镜或焦距很短的单片正透镜或负透镜。本实验方案中，扩束镜采用针孔空间滤波器。 ③双凸透镜: 准直镜、成像透镜、傅立叶变换透镜之功能均可使用不同内径和焦距的双凸透镜来实现。为了提高光的透射率，透镜面要镀增透膜。在选用透镜时，要选用没有缺陷和污脏的透镜.(因为它们会使观察或记录图像产生噪声) ④反射镜: 当光入射到普通反射镜的玻璃基版上时，要先经过折射再反射，反射光的损失很大。同时玻璃片基的两面会因多次反射引入杂散光。所以光学实验需用表面平整度高和涂有多层反射膜的高反射率反射镜。 ⑤其它: 还有一些辅助元件：如多自由度微调器，可三维控制镜架或者滤波器的位置和方向；可变光阑包括可调的狭缝和圆孔光阑、观察屏可用白纸或白屏；电子计时器用来控制曝光时间等。 3、光学信息的记录介质 主要用在全息类实验中。包括两大类,一类银盐感光材料，另一类非银盐感光材料，其中非银盐感光材料又包括，重铬酸盐明胶、光致聚合物等材料。银盐感光材料灵敏度高，但是衍射效率低。非银盐感光材料响应速度快，能及时的记录和显示，材料分辨率高，有些材料能多次反复使用，不用贵金银，免除了暗室的显影定影操作，加工过程简便快速，但灵敏度低。它们各有优缺点，而且不同的非银盐感光材料的性能也是不一样的。 (二)、共轴调节： 光学实验中经常要遇到用一个或多个透镜成像，为了获得较好的像，必须使各个透镜的主光轴重合（即共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。另外，为

应用光学各章知识点归纳

第一章 几何光学基本定律与成像概念 波面：某一时刻其振动位相相同的点所构成的等相位面称为波阵面，简称波面。光的传播即为光波波阵面的传播，与波面对应的法线束就是光束。 波前：某一瞬间波动所到达的位置。 光线的四个传播定律： 1）直线传播定律：在各向同性的均匀透明介质中，光沿直线传播，相关自然现象有：日月食，小孔成像等。 2）独立传播定律：从不同的光源发出的互相独立的光线以不同方向相交于空间介质中的某点时彼此不影响，各光线独立传播。 3）反射定律：入射光线、法线和反射光线在同一平面内，入射光线和反射光线在法线的两侧，反射角等于入射角。 4）折射定律：入射光线、法线和折射光线在同一平面内；入射光线和折射光线在法线的两侧，入射角和折射角正弦之比等于折射光线所在的介质与入射光线所在的介质的折射率之比，即 n n I I ' 'sin sin = 光路可逆：光沿着原来的反射（折射）光线的方向射到媒质表面，必定会逆着原来的入射方向反射（折射）出媒质的性质。 光程：光在介质中传播的几何路程S 和介质折射率n 的乘积。 各向同性介质：光学介质的光学性质不随方向而改变。 各向异性介质：单晶体（双折射现象） 马吕斯定律：光束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。 费马原理：光总是沿光程为极小，极大，或常量的路径传播。 全反射临界角：1 2 arcsin n n C = 全反射条件： 1）光线从光密介质向光疏介质入射。 2）入射角大于临界角。 共轴光学系统：光学系统中各个光学元件表面曲率中心在一条直线上。 物点/像点：物/像光束的交点。 实物/实像点：实际光线的汇聚点。 虚物/虚像点：由光线延长线构成的成像点。 共轭：物经过光学系统后与像的对应关系。（A ，A ’的对称性） 完善成像：任何一个物点发出的全部光线，通过光学系统后，仍然聚交于同一点。每一个物点都对应唯一的像点。 理想成像条件：物点和像点之间所有光线为等光程。

工程光学本科实验讲义

工程光学实验讲义华南师范大学信息光电子科技学院

前言 工程光学实验室是光学专业的专业基础实验室。计划于2012年建成并投入使用，每次可容纳40人进行实验。 对应的实验课程由应用光学实验和物理光学实验两部分组成，是其相应两门理论课程的配套实验室，学生通过实验可获得较完整的光学知识、光学基本理论、基本技能，以进一步学习光信息技术、现代光电子技术的各门课程打下基础。本实验室主要完成《工程光学》课程的实验环节。目前，工程光学实验室初步建设完成2个应用光学实验，3个物理光学实验。 应用光学实验包括薄透镜焦距的测量、显微镜和望远镜的特性研究2个实验；物理光学实验包括等厚干涉、多光束等倾干涉（法布里-珀罗干涉仪）、偏振3个基本实验。带*号的内容为选作实验环节。 2011-12

光学实验守则 1．请准时进入实验室，保持室内卫生，与实验无关的位物品不准带入实验室。2．要认真预习实验内容，按老师的要求做好实验预习报告，无预习者不得做实验。实验后按要求、按时完成实验报告。 3．实验时首先检查所用仪器设备是否齐全完好，了解仪器正确使用方法。不了解仪器的结构和操作方法时不得动用仪器设备。 4．接通电源时，应注意电源电压，要正确选用仪器所需的相应变压器。防止损坏仪器及触电的危险。 5．避免直视激光等强光源，眼睛尽量不要停留在与光源平高的位置，以免带来不必要的伤害； 6．绝对禁止用手指和不洁物品触摸或擦拭光学零件表面。 7．不得随意动用与本次实验无关的仪器，损坏仪器者要按学校规定赔偿。 8．实验完毕，请整理好仪器设备及室内卫生，经老师检查后方能离开实验室。

实验预习要求 1．实验内容：实验目的和老师提出的要求。 2．实验仪器：所使用的仪器和光学物镜。 3．实验原理：实验光路图及公式。 4．实验方法和步骤。 5．实验结果分析。 6．思考题回答。 7．对本实验提出改进意见。 实验报告内容（上交） 班级：学号：姓名： 1．实际实验光路和步骤简述。 2. 实验数据记录. 3．实验结果分析以及结论。 4．思考题回答。 5．对本实验提出改进意见。 备注: 实验报告可以打印或者手写，实验报告上交时间：实验完成后的两周内。 日期：年月日

应用光学习题及答案

应用光学习题及答案 武汉理工大学考试试题纸(A卷) 课程名称应用光学专业班级0501～03 题号一二三四五六七八九十总分 题分 备注:学生不得在试题纸上答题(含填空题、选择题等客观题 一、选择题(每题1分,共5分) 1.发生全反射现象的必要前提就是: A)光线由光疏介质到光密介质传播B) 光线由光密介质到光疏介质传播 C)光线在均匀介质中传播D) 以上情况都可能产生 2.周视照相机可以拍摄大视场景物,其利用的: A)节点的性质B)主点的性质C)焦点的性质D)以上答案都正确 3.在望远镜的视度调节中,为适应近视人群,应采取的就是: A)使物镜远离目镜B)使目镜远离物镜C)使目镜靠近物镜D)应同时调节物镜与目镜 4.棱镜系统中加入屋脊面,其作用就是: A 改变光轴的方向B)改变主截面内像的方向C)改变垂轴于主截面方向上像的方向D)以上都正确 5.光学系统中场镜的作用就是: A)改变成像光束的位置B)减小目镜的尺寸C)不改变像的成像性质D)以上都正确 二、填空题(每题2分,共10分) 1.显微镜中的光学筒长指的就是() 2.光学系统中像方顶截距就是() 3.用波像差评价系统成像质量的瑞利准则就是() 4.望远系统中物镜的相对孔径就是() 5.棱镜的转动定理就是() 三、简答题(共20分) 1.什么叫孔径光阑？它与入瞳与出瞳的关系就是什么？(4 分) 2.什么叫视场光阑？它与入窗与出窗的关系就是什么？(4 分) 3.几何像差主要包括哪几种？(4 分) 4、什么叫远心光路？其光路特点就是什么？(4 分)

应用光学习题及答案 四、分析作图题(共25分) 1、已知正光组的F与F’,求轴上点A的像,要求用五种方法。(8分) 2 、已知透镜的焦距公式为f '= nr1 , l 'H= -f ' n -1 d , l H = - f ' n -1 d , ? r d ? nr nr ( n -1 ) ? n( 1 - ) + ( n -1) ? ? r2 r 2 ? 分析双凹透镜的基点位置,并画出FFL、BFL与EFL的位置。(9分) 3 、判断下列系统的成像方向,并画出光路走向(8分) (a)(b) 五、计算题(共35分) 1.由已知f1'=50mm,f2' = -150mm的两个薄透镜组成的光学系统,对一实物成一放大 4 倍的实像,并 且第一透镜的放大率β1= -2? ,试求:1、两透镜的间隔;2、物像之间的距离;3、保持物面位置不变,移动第一透镜至何处时,仍能在原像面位置得到物体的清晰像？与此相应的垂铀放大率为多大?(15分) 2.已知一光学系统由三个零件组成,透镜1: f1'= -f1=100 ,口径D1=40 ;透镜2: f2' = -f2=120 ,口径D2 =30 ,它与透镜1之间的距离为d1=20 ;光阑3口径为20mm,它与透镜2之间的距离d2=30。物点A 的位置L1= -200 ,试确定该光组中,哪一个光孔就是孔径光阑,哪一个就是视场光阑？(20分)