典型光学系统.doc

典型光学系统一、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1、深入理解显微镜系统、望远镜系统光学特性及基本公式2、掌握显微镜系统、望远镜系统光学特性的测量原理和方法（一）望远镜特性的测定1、实验内容： 测定望远镜的入瞳直径D、出瞳直径D和出瞳距；测定望远镜的视觉放大率；测定望远镜的物方视场角2W，像方视场角2W；测定望远镜的最小分辨角。2、测量原理和测量装置对于望远镜系统来说，任意位置物体的放大率是常数，此值由物镜焦距和目镜焦距确定，其视觉放大率可表示为 （1）D、D、和的测定 将被测望远镜（由物镜L1和目镜L2组成）和读数显微镜（由L3和L4组成）固定于光学导轨上，调整L4使读数显微镜焦平面上的十字分划丝成像清楚，并通过调整使望远镜和读数显微镜的光轴一致。图为望远镜参数的测定装置：套上物镜盖P1P2，因十分接近入瞳，故可视为入瞳，可用三角板直接测得其直径D，通过读数显微镜的调焦，获得P1P2的清晰像。然后通过读数显微镜的侧面鼓轮的转动，使其在水平方向移动，当十字丝竖丝切于P1P2像二端时，由水平刻尺（格值为1mm）和侧面鼓轮（格值为0.01mm）读取二种情况时的读数，二者之差即为出瞳直径D。出瞳距的测量：以被测望远镜目筒的某个台阶作为基准面，测出读数显微镜的位置A1。然后移动读数显微镜，直至看清望远镜目镜最后一面上的擦镜纸（擦镜纸紧贴在镜面上），再记下读数显微镜的位置A2，两次读数之差即为出瞳距的值。（2）2W的测定完成上述实验后，取下读数显微镜，调整望远镜和广角平行光管的光轴一致。通过望远镜观察广角平行光管焦平面上的分划板，所看到的刻度数就是被测望远镜的物方视场范围。广角平行光管，焦距 =240mm，分划板格值1mm，由图明显可见，只要读取视场范围内的刻度数，就很易计算出2W，并可由以上公式求出2W（3）最小分辨角的测定将被测望远镜移到高分辨率的平行光管前（焦距1000mm），只是其焦平面用标准鉴别率板代替分划板，人眼通过被测望远镜观察，如能将鉴别率板上某一组的四个方向线条同时看清楚，而线条更密更细的更高一组看不清了，则这一组就是刻望远镜能分辨的最高组数了。根据所用的鉴别率板号数（没有特殊说明的是3号鉴别率板），可在有关手册（置于实验装置旁）查到刻组的线条宽度d值，并由下式求出被测望远镜的最小分辨角本实验所用望远镜是内调焦式物镜，倍数较大，较小因而出瞳距也较小。3、实验数据记录和处理入瞳直径D=35mm项目次数物方视场角2W出瞳直径D（mm）放大率J出瞳距lp(mm)像方视场角2W最小分辨角第一次130141.42-24.653.8355121d=17.8m第二次128481.42-24.653.9351921第三次131401.44-24.313.935557=13.35平均130141.43-24.543.873541564、思考题 当将镜盖移离物镜时，出瞳大小和出瞳距离将起什么变化？答：当将镜盖移离物镜时，出瞳变大（微小变化），出瞳距变大（微小变化） 改变被测望远镜和广角平行光管的相对位置，测量结果会改变吗？为什么？答：不会改变，因为广角平行光管出射光是平行光，所以平行光入射通过望远镜系统和望远镜和广角平行光管的相对位置无关，对测量出瞳直径和出瞳距无影响，测量物方视场角时，需要调整望远镜使望远镜物镜焦点位于广角平行光管焦平面上，所以不会改变物方视场角的测量。 设广角平行光管的视场为30度，能否用来测量实验中被测望远镜的像方视场角？答：不能，被测望远镜像方视场角大于30度，不能直接测量，要通过测量物方视场角进行计算 如何调节被测望远镜和广角平行光管的同轴性？答：将望远镜移至广角平行光管前，粗调节望远镜的高度与角度，使其与广角平行光管的同轴，移动望远镜，微调使能通过望远镜能观察到平行光管焦面上的分划板，倒置望远镜，前后移动也能观察到分划板，若不能看到则微调望远镜，最终使正倒都能观察到分划板，则望远镜和广角平行光管同轴。 测量鉴别率时，对所用平行光管的鉴别率有何要求？答：平行光管的分辨率要高，能使得鉴别率板通过平行光管后，在望远镜里观察，至少需要使得有一组鉴别图像的像方视场角小于人眼的最小分辨角。(二)显微镜视场及显微镜放大率的测定1、仪器显微镜灯，显微镜，标准玻璃刻尺，测微目镜（格值0.01mm）。 2、 原理 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、测量方法如图所示，调整好照明灯和显微镜聚光系统之间的相互位置，以满足显微镜使用时所需要符合的柯拉照明条件，在显微镜载物台上放置一把分划值已知的标准玻璃刻尺（有盖玻片的一面朝向显微镜物镜）。通过调节手轮上下移动镜筒进行调焦，直到看到刻尺像最清晰为止，取下目镜，换上测微目镜。这种目镜除了在焦面上装有一固定的毫米刻尺分划板外，还有一块刻有平分丝和十字线的活动分划板，在精密丝杆的推动下，后者可沿推动的方向移动，移动值可以从固定刻尺上和测微鼓轮上刻度读出（前者最小分划值为1mm，后者最小格值为0.01mm）。此时若刻尺像的清晰度发生变化，可直接用手移动抽筒位置重新获得最清晰的像。任意选定刻尺上两条刻线（相隔距离尽可能大些），转动测微鼓轮使目镜分划平分线对准其中一条选定刻线a（即置此刻线于平分线的中央），记下此时的a，然后再对选定的第二条刻线b对准又得读数b，此二读数之差即为二刻线像的间隔大小，则物镜的横向放大率为：显微镜视场的测定 在测定显微物镜的放大率的同时，还可以测出显微镜视场的大小。为此，只需要重新换上目镜，并直接从目镜视场中读出所能见到的最大刻尺长度，此即为显微镜的物方线视场值。4、实验数据记录和处理显微镜放大率测定：选定的y=0.01mm10=0.1mmaba-b10.7865.028-4.242-42.4220.7154.912-4.197-41.9730.0084.206-4.198-41.98-42.12显微镜视场L的测量格值 0.01mm格数 45格视场 L=0.45mm（三）显微物镜数值孔径的测定1、测量原理显微物镜的数值孔径为NA=nsinu，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NA=sinu。2、测量方法数值孔径通常用所谓数值孔径计来测定，数值孔径计的结构如图所示，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），内圈刻度为角度值，以度为单位。半圆柱体上表面的圆心附近8mm范围内镀铝，铝面上有透光狭缝，底座上装有一金属框，它可绕圆柱轴线转动，金属框的侧面装有一片乳白玻璃，上面刻有十字线，可以通过狭缝看到十字线的反射像。推动手柄，金属框便带着十字线一起围绕孔径计的圆柱面移动，金属框的上表面装有一块刻有指标线的玻璃，指标线在随着十字线一起运动时通过两组刻度值，所以两组刻度都能反映十字线的位置。数值孔径计的45度斜面用以转折光路，若把数值孔径计的光路图拉直则如图四所示，狭缝置于被测显微物镜的物面位置，经物镜成像在目镜的物方焦点上，狭缝前面的十字线经物镜后成像在显微镜像方焦面后不远的地方，去掉目镜，人眼位于狭缝的像面附近，便能看到一个明亮的圆，此即被测物镜的出瞳，出瞳对像面中心的张角为像方孔径角，入瞳对物面中心的张角为物方孔径角。3、测量步骤a把数值孔径计放在显微镜的载物台上，刻度分划线向上，利用调焦手轮上下移动镜筒对准镀铝面上狭缝进行调焦，移动孔径计使狭缝大致落在视场中央。 b若被测物镜是低倍的(NA<0.4)，测量过程较简单，即取下目镜，换上一个小孔光阑，以便使人眼观测时，保持在固定位置上。通过小孔光阑便能看到一明亮的圆斑，此即被测物镜的出瞳。推动数值孔径计的手柄，使十字线的像出现在亮斑上，并使十字线交点正好与圆的左（或右）侧相切，并由指标线按外圈刻度读数，再推动手柄，使十字线交点移动亮斑的另一边缘上与其相切，再行读数目字,两次读数的平均值就是被测物镜的实际数值孔径。 c若被测的是高倍物镜，因十字线经物镜所成的像很小而不易看见，为此，需要用辅助物镜。测量时，首先按步骤a做，然后拨出抽筒，在抽筒上与目镜相对的一端拧上辅助物镜（孔径计附件），再把抽筒插进镜筒（注意在拨出或推入抽筒时，不得使被测物镜的调节位置变动，插上目镜后，辅助物镜与目镜组成一个辅助低倍显微镜，将辅助显微镜在主镜筒内移动，直到看清楚在被测物镜出瞳附近十字线像，然后按照上述方法进行测量。 4、实验数据记录和处理显微镜物镜数值孔径NA的测定NA1NA2NA=（NA1+NA2）/210.200.220.2120.210.210.2130.200.230.22平均0.215、讨论、心得思考题1、 为什么数值孔径计上的刻度间隔与孔径计玻璃有关？答：数值孔径NA=nsinW，NA的值与物方折射率有关，所以数值孔径计上的刻度间隔与孔径计玻璃有关。 2、 高倍物镜的数值孔径的测定为何要用辅助物镜？答：因十字线经物镜所成的像很小而不易看见，为此，需要用辅助物镜。3、 为何高倍物镜的调节比较困难？答：高倍物镜视场小，光通量小，所以视野小，而且较暗，所以调节较困难。4、 数值孔径计的零点位置对测定有无影响？为什么？答：有影响，对于NA=nsinW，要使，只有在W1=W2的情况下成立，所以数值孔径计的零点位置要位于视场中线处。通过典型光学系统的实验，对望远镜及显微镜的特性进行了测定，实验测量中存在一定的误差：读数的误差，由于较长时间看读数显微镜，使得眼睛产生疲劳，对读数造成影响；光学系统在光具座上未达到严格的共轴，倒置像方视场角测量的误差；计算结果用了近似计算；观察视场中的圆与十字叉丝相切时，由于各人的观测标准不同，对读数造成影响。