光学测量实验指导书.doc

1、0光学测量实验指导书牟达 刘智颖 编写1目录实验一 平行光管调校（自准直法） .1实验二 平行光管调校（五棱镜法） .3实验三 V 棱镜折光仪测折射率和色散 .6实验四 简式偏光应力仪测量玻璃双折射 .10实验五 光学零件曲率半径测量 .12实验六 平面光学元件的光学不平行度测量 .15实验七 刀口阴影法检验面形偏差 .18实验八 光学系统分辨率检测 .21实验九 光学系统的星点检验 .25实验十 光学系统杂光系数测量 .271实验一 平行光管调校（自准直法）一、实验项目1了解自准直法调校平行光管的原理，并掌握其调校方法。2分析调校误差，并总结其特点。二、实验要求及所用器具1把待校平行光管的分

2、划面校到其物镜的焦面上，并给出调校精度。2所用器具：装有十字丝分划板的焦距为 550mm 的待校平行光管、高斯式自准目镜、可调的标准平面反射镜（其有效孔径要大于平行光管物镜通光孔径） 。三、实验原理及方法自准直法调校平行光管的原理图如图 1.1 所示。若忽略平行光管物镜的像差和光的波动性影响，当分划面 4 位于物镜焦面处时，则由平面反射镜自准回来的分划像 3 与分划均重合于物镜焦面处。若分划面离开物镜焦平面一小距离（离焦量）x，则由平面反射镜反射回来的自准分划像将位于焦面另一侧，并且分划像离焦面的距离 d 近似等于 x，即分划像至分划间的距离是离焦量x 的两倍。故利用自准直法可使调焦精度提高一

3、倍。图 1.1 自准法调校平行光管的原理图1平面反射镜；2平行光管物镜；3分划像；4分划；5自准目镜自准直法调校平行光管的步骤：（1）将装有十字分划板的待检平行光管、标准平面反射镜及高斯式自准目镜按图 1.1 自准光路摆好，并调出自准分划像。（2）当用清晰度法调准时，应调到使自准分划像与分划同样清晰，则认为平行光管已调好。（3）如以消视差法调焦，即通过眼瞳在出瞳面处横向摆动，由分划像相对分划是否存在横向错动（有无视差） ，来判定分划面是否位于物镜焦面处。若分划像措动方向与眼瞳摆动同向，则表明分划像比分划离眼瞳更远些。即分划像位于焦点之内，而分划面必然位于焦点之外，即图 1.1 所示情况。反之，

4、若分划像措动方向与眼瞳摆动反向，则分划面位于焦内。然后，按照判定的分划面调整方向，微调分划板镜2框，直至分划像与分划间消视差止。反复调校几次，调好后再拧紧分划板的压圈，此时表明平行光管已调好。四、调校误差分析（1）当以清晰度为准进行自准直法调校时，平行光管的调焦极限误差为（1-1）)(m)8()29.0(112/KDSDe式中 ae人眼的极限分辨角（角分） ；K系数，一般取 6； 波长，单位为微米； 平行光管与自准目镜组成的自准望远镜的视放大率； D平行光管物镜的实际通光孔径；注：当眼瞳直径 De 大于自准望远镜的出瞳直径 D时，D 取平行光管物镜通光孔径；当 De D时，应以D e 替代式中

5、的 D。如考虑标准平面反射镜在口径 D 范围内的面形误差为 N 个光圈，由此引入的调焦误差为（1-)m(412S2）则平行光管的调校极限误差为（1-)(121D3）（2）当以消视差为准进行自准直调校时，平行光管的调焦极限误差为（1-)m(2(9.011eS4）式中 人眼的对准误差（单位为角分） 。同样，如考虑平面反射镜面形误差，引入的调焦误差SD 2，则调校极限误差可参看式（1-3）求得。3实验二 平行光管调校（五棱镜法）一、实验项目1了解五棱镜法调校平行光管的原理，并掌握其调校方法。2分析调校误差，并总结其特点。二、实验要求及所用器具1把待校平行光管的分划面校到其物镜的焦面上，并给出调校精度

6、。2所用器具：装有十字丝分划板的焦距为 550mm 的待校平行光管、高斯式自准目镜、五棱镜及承物台、适当倍率的前置镜。三、实验原理及方法1五棱镜法调校平行光管的原理及方法理想的五棱镜有如下特点：在五棱镜的入射光轴截面内，不同方向入射的光线经五棱镜后，其出射光束相对入射光束折转 90。本方法即是利用五棱镜这一特点来对平行光管进行调校的。调校原理如图 2.1 示。图 2.1 五棱镜调校平行光管的原理图s分划；1待校平行光管；2五棱镜；3前置镜将五棱镜 2 放置在平行光管物镜前的承物台上，五棱镜可沿垂直于平行光管光4轴方向平稳地移动。沿五棱镜出射光束方向放置前置镜 3（望远镜） ，用以观察平行光管的

7、分划像。若分划位于平行光管焦面上，则由平行光管物镜射出一束平行光。当五棱镜沿垂直于平行光管光轴方向，由位置向位置移动时，平行光管分划经前置镜所成的分划像将不产生任何横向移动，如图 2.1（a）所示。若分划面 s 不位于平行光管物镜焦面上，则随着五棱镜由向位置移动，前置镜中形成的分划像将产生左右方向的横向移动，如图 2.1（b） 、 （c）所示。利用这一现象可将平行光管分划面准确调到焦面位置。五棱镜法调校平行光管的步骤（1）将五棱镜放置在可沿垂直物镜光轴方向移动的承物台上，并使五棱镜的入射面对向平行光管物镜，其出射面对向前置镜。调整承物台的高低位置，并调前置镜的俯仰手轮和方位手轮，使分划像呈现于

8、前置镜视场中，并使平行光管的竖线分划像与前置镜相应分划对准（若两分划均为竖线，则应利用两者间的横向微小间隙的变化进行对准，以提高调校精度） 。（2）转承物台的手轮，使其上的五棱镜沿垂直于平行光管物镜光轴的方向，向着前置镜移动。若在前置镜中形成的平行光管的分划像由右向左移动，表明分划面位于焦前，如图 2.1（b）所示；反之，分划面在焦后，见图 2.1（c） 。（3）松开分划板镜框压圈，按步骤（2）确定的分划面移动方向，沿轴向微调分划板框，直至五棱镜移动时，平行光管的分划像相对前置镜分划不发生横向移动（或两者间的微小间隙宽度不再变化） ，则表明分划面已准确位于平行光管物镜焦面上了。（4）调好后，拧

9、紧分划镜框的压圈。四、调校误差分析本法的实质是将纵向调焦变为对人眼较灵敏的横向对准，故与消视差为准的调焦误差相当。主要是由前置镜的横向对准误差确定，所不同的是：该法是由五棱镜在平行光管物镜前方沿垂直光轴方向移动，替代了眼瞳在出瞳面内的摆动。故参看（1-4）式可得五棱镜法的调校极限误差为（2-)m(29.01WMD1）式中 前置镜的视放大率； 人眼对准误差，单位为角分；D平行光管物镜通光口径；D w五棱镜通光口径。分析式（2-1）可知当 Dw0.5D，且选择最好对准方式时，可使本法达最高调校精度。五棱镜法最适于较大口径的平行光管调校。五、思考题1比较自准直法与五棱镜法调校平行光管的各自特点？2为

10、提高自准直法调校平行光管的精度在实验设置上应考虑那些因素？3对 f550mm ，D/f1/10 的平行光管，以消视差为准进行自准直法调焦时，5若所选高斯自准目镜的焦距 f e44.0mm，求平行光管的调焦误差（ 取 0.5，眼瞳直径 De2mm）？4若上题中，平面反射镜在 100mm 范围内凸一个光圈，其余条件不变，求分划面的调校位置精度有多高？5两种方法，各自是如何判别分划面相对平行光管物镜焦面位置的？6五棱镜法调校中，有人提出在五棱镜入射面前放置一垂直于入射光轴截面的狭缝光阑，这样做是否可提高平行光管的调校精度？为什么？7五棱镜法调校平行光管的光路安排中，若平行光管位于观察者右方，或五棱镜

11、背离前置镜方向移动，应如何判别分划面的调节方向？8五棱镜法调校平行光管时，若五棱镜的入射面与出射面间的夹角不是严格的90角，试分析对调校结果有无影响？9从对准误差与分辨率的关系，分析五棱镜法调校平行光管的实验装置中，诸参量应如何正确选择？10用五棱镜法调校平行光管，平行光管物镜的球差曲线如图 2.2 所示，且分划面落于球差曲线以内某一位置处。当移动五棱镜时，分析平行光管分划像相对前置镜分划应如何措动？图 2.2附录：平行光管技术性能及其主要附件介绍。550 型和 1200 型平行光管的技术数据型号 物镜 相对孔径 高斯目镜 照明灯规格名称焦距 口径 焦距 视放大率550 型平行光管 5W 55

12、0mm 55mm 110 44mm 5.7 6V2.1W1200 型平行光管 32W 1200mm 80mm 115 44mm 5.7 6V30W主要附件：（1）可调式平面反射镜：口径 100mm，装在可绕左右上下两相互垂直的轴线微转动的调节架上。调节时，每一方向由一只调节螺钉控制。（2）四种分划板a十字分划板，调校平行光管用。6b傅科型分辨率板，用于测透镜分辨率。c星点板通光孔径 0.05mm，用于星点法检验透镜像质。dPorro 板，有间距分别为 1、2、4、10、20mm 的五对线，线间距精度0.001mm，供测透镜焦距用。实验三 V 棱镜折光仪测折射率和色散一、实验目的1掌握 V 棱镜

13、法测量光学玻璃折射率与色散的原理及其测量方法。2熟悉 V 棱镜折光仪的结构与操作方法，了解影响测量精度的诸因素。二、实验要求及所用器具1用 WYV 型 V 棱镜折光仪分别测光学玻璃对 D、C 、F、e、g、h 谱线的折射率，并求得色散值。2所用器具：WYV 型 V 棱镜折光仪、钠灯、汞灯、氢灯、待测玻璃试样、折射浸液等。三、测量原理及方法1测理原理V 棱镜法测理折射率的原理如图 3.1 所示。V 棱镜乃是一块带有 “V”形缺口的组合棱镜，它由两块材料性能完全相同的直角棱镜胶合而成。V 棱镜的材料折射率 n0是已知的。V 形缺口的张角AED 为 90，两个棱角 A、 D 均为 45。图 3.1

14、V 棱镜法测折射率原理图1 V 棱镜；2待测试样待测试样应磨出两个互成 90的平面，置于 V 形缺口内，为使两者的表面很好地贴合，其间加入少量的与试样折射率大致相同的折射浸液。单色平行光垂直 AB 面射入。经 V 棱镜和试样，最后从 CD 面射出。若待测试样折射率 n 与 n0 相同，则入射的单色平行光将不发生住何偏折地从 CD 面射出。此时仪器的度盘有一零位读数。若 nn0，出射光线相对于入射光线将有偏角 。显然7角的大小、正负与 n 有关。测出 角，则待测试样在测量条件下对某一波长的折射率为（3-1）221/200(sisin)当 nn 0 时，出射光线向上偏折，取“”号。 角由度盘的 0

15、30范围读值；当 nn 0 时，出射光线向下偏折取“-”号， 由度盘的 360330范围读值。2V 棱镜折光仪简介按上述原理制成的专用仪器称为 V 棱镜折光仪，如图 3-2 所示，主要由准直系统 1、对准望远镜 2 和精密测角系统 3 组成。准直系统由平行光管及照明装置组成，以给出垂直射向 V 棱镜的单色平行光。其分划线（单线）平行于 V 棱镜的 V 型缺口底棱。对准望远镜可绕度盘主轴转动，以便确定透过 V 棱镜的光束方向。为减少杂光，准直系统的分划选用狭缝方式照明细丝；为确保系统对各单色光均有良好的像质，准直物镜和望远物镜均采用复消色差物镜。图 3.2 V 棱镜折光仪光学系统略图1准直系统；

16、2对准望远镜；3精密测角系统精密测角系统由度盘及其照明系统和读数显微镜组成。由于对准望远镜在瞄准时带动度盘一道转动，故通过读数显微镜可读得偏折角 值。其中“ 度”， “十分”由度盘直接读得，小数部分由测微尺读出，仪器最小格值为 0.05 分。为扩大仪器的测量范围，仪器附有三块不同折射率的 V 棱镜供选用。3测量方法（1）制备试样：两直角面细磨或抛光，直角误差1。（2）制备折射浸液，其折射率 nL 与待测试样折射率 n 之差控制在 0.01 范围内。（3）依据被测样品折射率选定 V 棱镜，使n- n00.2。（4）校零位读数：将校正零位用的标准玻璃块涂以相应的折射浸液后，放入 V8棱镜 V 槽内

17、，并注意排除其间气泡。用对准望远镜的双线对准平行光管的单线像。此时读数应校成 00.00。如校后仍有余数，则以该数作为零位读数。更换 V 棱镜或改变单色光的波长时均需校零位。（5）取下标准块，仿上述办法放入试样，重新对准读数五次。各数经零位修正后，再求平均值。即得被测试样对某一谱线的偏角 ，依次测得试样对D、C 、 F、e、g、h 谱线的偏折角。参看表 3-1 进行记录。表 3-1 V 棱镜法测量玻璃折射率的数据记录表V 棱镜编号 noD _ noC _ noF _noe _ nog _ noh_被测试样编号 No_ 浸液折射率 nLD_零位读数 _ _ _ _ _ _复测次数 D C F e g h12345平均值 （6）由平均值 查 -（n- n0） 表或代入式（3-1 ） ，即得到待桧试样对各单色光的折射率，并求得色散值。四、测量误差分析折射率的测量标准偏差为（3-2 ）)()()( 202nn式中 （n 0）V 棱镜的折射率标准偏差； （ ）偏角的测量标准偏差。上式中的微商可由式（3-1）求得 )(2sin100no4ii0