应用光学实验指导书-.pdf

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1、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、实验内容测量正透镜的焦距，并给出正确的测量结果三、实验仪器550型焦距仪（或光具座

2、）及相应附件，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11 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mmmmmm8,4,2）。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y，如测量显微镜测量则测得y的象y为：yy（式中为显微物镜的AA.户放大率），则待测物镜的焦距可由下式求得：cfyyf（11）式中cf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

3、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y，则得到测量显微镜的物镜放大率：yy/。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11.严 平千于光管遗镜妥持器测量显敏镜光具座(a）焦距仪示意图待狈6军镜彼罗扳平仔J1t管吻镜测量显微吻镜(b）放大f去率法测量焦距原理国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y代入到公式（11）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孔径不太小

4、时，可达%3.0/ff。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fl20来模拟无限远的物体。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

5、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l，则像距为lLl，故焦距可按下式计算：fll111（12）.二t.二当采用此种方法进行测量时，其焦距相对测量误差约为%5/%1ff。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 L 略大于f4时，前后移动透镜的位置必然能够得到两个位置，在此两个位置处都能够在接收屏上接收到实像（如图12 所示），若透镜的两次成像的位置间距为d，则待测透镜的焦距为：LdLf422（13）该法的相对测量误差约为%2%1。图12 值得注意的是以上几种方法仅

6、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。主二A 二物平面远镜位置1透饶位置2d L 接收屏七、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、实验内容实际测量望远系统的出瞳及出瞳距的大小。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

7、远系统的出瞳D，出瞳到望远系统目镜最后一面的顶点的距离就是出瞳距离P，如图 21 所示。图 21 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22 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5.12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mm800，格值为 mm1（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，以方便的测量出出瞳距。图22 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

8、到零，使仪器处于正常工作状态。物镜目镜分划才岳出瞌D P 靠体物镜分却it反目镜2、将平行光管、被测望远系统、倍率计如图23 依次放置，并调整三者共轴等高。图 23 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1a。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2a。两

9、次读数之差就是被测系统的出瞳距p。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？平行光管待测望远镜倍率计i.矿个L也飞.J,一一如L一一实验三 显微系统特性参数的测量一、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31 所示：图 31 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

10、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 32 所示：图32 物镜物平面/LI、人fil,!分为j板自镜像平面 出瞌身民2待llli!i!微镜J只，1ij.物臼N M 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

11、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：12MN（31）式中21,分别为刻尺 1 及刻尺 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NA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：unNAsin（32）式中n为显微物镜物方介质折射率；u为显微物镜物方半孔径角。当

12、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33 所示：将已知高度为 d 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m，则有：dmtgu2（33）根据式（33）即可求出物方孔径角的大小，再利用式（32）r主工t t t =-即可求出被测量显微镜的数值孔径。图 33 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NA，以提高检测效率。五、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

13、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y2，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公待削显微镜标准因往dJ,1/tl 孔径角u7号l尺l承物台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

14、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（31）

15、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（33）、（32）中，即可求出该被测显微镜的数值孔径。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

16、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)显微镜线视场的检测四、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

17、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41 球差是轴上点像差，它随着孔径的变化而变化。如图41 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42 所示：远镜Lm 唱哇-L=-i 图42 3、像散图43 像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主光

18、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：sttsxxx式中，stxx,分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线至理想像面的距离，如图43 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出t入磁 B .,B A 1111 K童-K 主先绘”b)弧矢焦线子午焦线A 理想像面点像。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

19、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 44所示：图44 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。A-y 1 Et;Bi-B飞 Bo-x,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，

20、如图45 所示：图45 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 46所示：图46 位置色差是轴上点像差，在近轴区就已产生，对目视仪器lJ,-b,y,2 入瞌,-,-出瞌,y,B 1,y.l A.”I-A?|/T T A 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

21、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 47所示：图 47 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，星点的像不是一平行光管遗镜夹持嚣测量显微镜主具座个点像而

22、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

23、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、实验仪器光源、立体判释仪及其相关的待观测的图片等。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mm6562，正是由于基线的存在，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

24、值为体视锐度min，一般情况下01min，但并不是人对任何远近的物体都会产生立体的感t.8 A.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 B倍，故而可以增强观察细小物体的深度感。本实

25、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 B的视觉锐度放大作用来明显增强所观察图片的立体感，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 51-c.e-t.=t.r r r r 飞也王三寺、1；吃吃兰队四、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1、什么是体视锐度？2、通常用以提高体视视觉灵

26、敏度的方法有哪两种？实验六 自组显微镜一、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、实验装置实验工作平台、显微物镜（焦距mmf5040）、显微目镜（焦距mmf4025）、光源、物体（刻尺）、多个磁力表座、接收屏等。三、实验原理显微镜的原理示意如下图61 所示：图 61 物镜分划板E镜可相面f象可f面 出睦从图中可见，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

27、物镜的垂轴放大倍率，目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62 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 62 r=户r户r 光i原h昆如壁物nMK 目镜L 4

28、、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、实验装置实验工作平台、望远物镜(焦距大约为mm300)、目镜（焦距大约为mm40）、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、实验原理亥普勒望远镜的原理示意如下图71 所示：图71

29、 图中可见亥普勒望远镜也是由物镜与目镜构成，与显微镜物镜分划自镜F11)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：eoff/式中，0f为物镜的焦距；ef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。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72 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72 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

30、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r=-平行光营物镜日镜平台组。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、实验装置实验工作平台、JY1 型激光光学综合演示仪（几何光学）、光源、接收屏、透镜（

31、正、负）、反射镜等附件。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.三,.=.J.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81 本次实验的目的就是希望学生通过简易的实验装置，

32、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81 所示。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 81 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

33、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f4时，保持其它元件不动，前后移毛骏璃透镜接收屏D I 光鸟,物平面n皿0.2。o.6 400run U 2 0.3J33 0.4,.CIE1931色品回上式中，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=)()(100yS则色坐标为：x=ZYXXy=ZYXYz=ZYXZ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x()、y()、z()及参考光的功率分布s()，则,X=s()T()x()Y=s()T()y()Z=s()T()z()该样品的色坐标为：x=ZY

34、XXy=ZYXYz=ZYXZ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92所示：+Z补中ZZA +图92 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93 如果当前接收器不是放在出缝2 端

35、，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SI M2 织分E在NJ Ml M1 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 93 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

36、不同？实验十 激光光学系统（演示型实验）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，

37、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

38、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1.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

39、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.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10.6m）：3）Nd:YAG激光器（

40、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、实验装置光电混合联合变换相关器、电脑控制系统四、实验原理1.傅里叶变换傅立叶变换形式如下：dxexgfGfxj 2)()(（1）dfefGxgfxj 2)()(（2）这两个积分即傅立叶积分。)(fG称为)(xg的傅立叶变换或频谱。若)(xg表示某空间域的物理量，)(fG则是该物理量在频率域的表示形式，)(xg和)(fG构成傅立叶变换对。二维傅立叶变换是一维傅立

41、叶变换的推广：dxdyyfxfjyxgffGyxyx)(2exp),(),(（3）yxyxyxdfdfyfxfjffGyxg)(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-1T 1T。=ff-1T+咱。=ff 1T+。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),(yxw上，物体被写入光空间调制器，设输入图像为：),(),(),(yxhyxtyxw（5）（),(),(yxhyxt）其中),(yxt是目标图像，),(yxh是复杂背景图像，

42、另设参考模板为),(yxr，这样，通过目标),(yxt与参考模板),(yxr的光学相关得到的相关峰函数tr或者rt，可以确定目标),(yxt在输入图像),(yxw中的确切位置。yxuvLfftr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，待识别图像（已经二值化）yxt,置于输入平面的一侧，其中心位置0,a，参考图像yxr,（二值化的）置于输入平面的另一侧，中心位于0,b。用准直的激光光束照明，并通过透镜进行傅里叶变换。在透镜的后焦面上的振幅分布为：dxdyyvxufiybxryaxtvuF2exp,（6）式中是照明激光的波长，

43、f是变换透镜的焦距。若将一个平方律探测器CCD 放在傅立叶变换透镜(FTL)的()()+#|/舍。如()=J J(-)+(-埠D。()()后焦平面上，则其记录的联合变换功率谱（JTPS）为：22),()2exp(),()2exp(),(),(vuRubivuTuaivuFvuI),(),()(2ex p(),(),(*vuRvuTbauivuTvuT),(),(),(),()(2exp(*vuRvuRvuRvuTbaui（7）对联合变换功率谱（JTPS）进行逆傅里叶变换。如图2所示，在透镜 L 的前焦面上放置联合变换功率谱，然后用准直的激光光束照明，这样就在透镜的后焦面上就可以得到两个图像的零

44、级自相关和一级互相关峰。uvLff2,vuF,O图 2 联合功率谱的傅里叶变换对联合变换功率谱进行逆傅里叶变换后得到如下的结果：dudvvufivuIO2exp),(,（8）将式（7）代入式（8）得到：,rrttOabrt,bart,（9）式中:表示相关运算，表示卷积。此时，JTPS又变换回到物空间，实现了相关探测。式（9）中第一项和第二项是自相关，两输出信号重叠在输出平面中心+|=|宜+-1T-1T-+|(（巳巳）t 二,x,切（己巳）f f f巳巳 =（己巳）（巳巳;（巳巳）（己巳）（己巳）（己巳）（巳巳)*o（己）（己巳知（巳巳）6（巳+)*附近，可称之为零级项，它们不是所需要探测的信号

45、。第三、第四项是互相关，它们的中心分别位于输出平面的)0,(ba和)0,(ba处，因而与零级分离，为一级衍射项，正是我们要寻求的相关输出信号。当),(yxt与),(yxr相同时，两互相关获得最大的相关峰，其联合变换功率谱可以写作：)2cos(1),(2),(2fbauvuFvuI（10）这样当目标与模板相同时，联合变换功率谱可以认为是两函数上对应的无数点对形成的杨氏条纹的相干叠加。因子：)2cos(1fbau，即是理想的杨氏条纹，2),(2vuF则是杨氏条纹的包络。杨氏条纹比包络更重要,即使包络有变化,仍能观察到相关峰。因此,关键的是探测所产生的杨氏条纹。杨氏条纹经过傅立叶变换后的衍射图包含0

46、 级（直流）衍射光斑和两个+1 级和-1 级衍射亮斑。这两个对称分布的亮斑即是相关峰。五、实验步骤1.接通主电源；2.打开电脑主机，然后依次打开激光器、CCD 相机以及电寻址液晶（注：一定最后打开电寻址液晶）；3.首先在其中一台电脑上显示原始图片，通过数据线将图片传送到一个电寻址液晶上，通过平行光照明，经过一次傅立叶变换得到功率谱，由 CCD 接收显示在第二台电脑上；然后通过数据线把功率谱图片传送到另一个电寻址液晶上，用平行光照明，再次经过傅立叶变换得到相关点图片，由 CCD 接收显示在第三台电脑上，观测最后的实验现象（可对多种背景形式的-+1T一一+1T 一 图片进行实验，并观测结果）；4.实验结束后，按照先关闭液晶，再关闭 CCD 及激光器的顺序关闭系统，最后断掉总电源。六、实验结果展示光电混合实时联合变换相关器光电混合联合变换相关器控制系统E旦.（a）（b）（c）输入图像、功率谱和相关峰图像