《 光学测量 》

1. 《光学测量》 课件制作人：苏燕云 实践教学中心光机电教研室

2. 目录 • 实验一 光学玻璃或液体的折射率和色散的测量(临界角法) • 实验二DI-90°棱镜角度误差的测量 • 实验三放大率法测量焦距和顶焦距 • 实验四DII-180°棱镜角度误差的测量 • 实验五用星点板评价象质 • 实验六用刀口仪检验光学零件 • 实验七鉴别率板评价象质 • 实验八夫琅禾费圆孔衍射

3. 《光学测量》 实验一 光学玻璃或液体的折射率和色散的测量(临界角法)

4. 一、实验目的 掌握阿贝折光仪测量光学玻璃或液体的折射率和色散的方法 熟悉阿贝折射仪的结构和使用方法 二、实验仪器 实验使用的是2W型阿贝折射仪，仪器结构如下 照明系统 照明系统由反光镜和照明棱镜组成，反光镜反射外来光线到照明棱镜，照明棱镜通光面制成毛玻璃，因此形成漫反射光源，作为仪器的照明光源，沿不同的方向射向试样，保证望远镜视场中一半为明，一般为暗。 标准棱镜 标准棱镜除了和试样一起给出测量方程式外，还是仪器的定位元件，起支撑试样的作用。 色散棱镜 由于照明光源是白光，因此会产生色散现象，影响瞄准精度。为了消除这种不良影响，引入了色散棱镜。它由两个相对转动的棱镜组组成，其不同的相对位置状态，可以引入不同的色散值，以抵消试样和标准棱镜所引起的色散作用。色散棱镜在不同状态位置，用色散刻度圈上的Z值表示。 望远镜 仪器的瞄准系统。 示值机构和读数装置 阿贝折射仪使用度盘来示值，但度盘上给出的D光的折射率，读数用显微镜。 恒温套 测量液体的折射率时，易受温度的影响，因此设置了恒温套三、实验原理 当光线从光密介质进入光疏介质，则入射角小于折射角，改变入射角可使折射角为90o，此时入射角称为全反射临界角。阿贝折射仪测量折射率就是基于测定临界角的原理。

5. 沿BA掠射的光线经AB面折射后以全反射临界角进入折射棱镜，然后以i角从AC面进入空气中。所有入射角小于90o的入射光线经AB面折射后的折射角均小于临界角，在AC边出射时光线均在光线上方。因此，用阿贝折射仪观察时能够看到明暗分界的现象，分界线即对应着光线。不同折射率有不同的临界角，故一定的i角对应于一定的折射率值。根据光路原理图，可以得出以下关系：沿BA掠射的光线经AB面折射后以全反射临界角进入折射棱镜，然后以i角从AC面进入空气中。所有入射角小于90o的入射光线经AB面折射后的折射角均小于临界角，在AC边出射时光线均在光线上方。因此，用阿贝折射仪观察时能够看到明暗分界的现象，分界线即对应着光线。不同折射率有不同的临界角，故一定的i角对应于一定的折射率值。根据光路原理图，可以得出以下关系： 若已知角和n1，测出i角就可以计算出n值。

6. 四、实验内容和步骤 仪器校准 用已知折射率的标准样检查仪器示值是否正确 将标准样的抛光面涂少许折射液(折射率应大于标准样的折射率，小于标准棱镜的折射率)； 引入照明光源，照明试样； 转动标准棱镜，使显微镜中的读数为标准样的折射率； 转动色散棱镜，使标准用望远镜视场中的明暗场分界线消色； 检查调节使视场中明暗分界线通过望远镜分划板上的叉丝交点。 2．试样测量 重复上述1。(1)引入试样； 重复上述1。(2)、(4)，引入照明光源，并消色差； 瞄准、读数。用望远镜瞄准视场分界线后，于读数用的显微镜中读取折射率，并由色散刻度圈上读取Z值。

7. 下面给出的是阿贝折射仪的原理图和外貌图 1.测量望远镜 2.消散手柄 3.恒温水入口 4.温度计 5.测量棱镜 6.铰链 7.辅助棱镜 8.加液槽 9.反射镜 10.读数望远镜； 11.转轴 12.刻度盘罩 13.闭合旋钮 14.底座。 图1 阿贝折射仪外形图

9. 五、注意事项 1．每一试样应连续读取三个读数，取平均值。方法是：读一个数后，转动手轮，使分界线离开斜十字线的交点，然后还原再读一个数。如此向上、向下各转动一次后再还原，共读三个数。 2．每次测定前，都需用丙酮擦拭，并等干燥后才能进行测试。测定结束后，也同样要擦拭干净。通恒温水部分的积水要倒尽或用滤纸吸干、擦净。最后在上、下棱镜之间夹入擦镜纸后收藏。 3．要注意保持折射仪的清洁，严禁污染光学零件，必要时可用干净的擦镜纸或脱脂棉轻轻地擦拭。 4．认真填写实验报告书。

10. 《光学测量》实验二 DI-90°棱镜角度误差的测量

11. 一、实验目的 1。掌握用比较测角仪测量棱镜角度误差的基本方法。 2。熟悉210º比较测角仪的基本结构及合理使用与维护。 二、实验仪器 实验使用的是210º比较测角仪。仪器结构如下： 本仪器以比较法用角度杠杆来测量棱镜的角度。也可以用来测量平行平面玻璃的平行差。适宜于光学棱镜加工及检验工作。

12. 三、实验原理 若反射棱镜存在角误差或棱差，则展成的玻璃平板将存在不平行度，称为反射棱镜的光学不平行度。其中，在入射光轴截面内的不平行度分量称为第一光学不平行度θⅠ（它是由角度误差引起的）；而垂直于光轴的不平行度分量称为第二光学不平度θⅡ（由棱差产生）。 由自准望远镜射出的一束平行光，分别经过玻璃平板的前后反射，在望远镜的视场中得到互成角的两个像，则玻璃平板的不平行度式中n为玻璃平板的折射率。考虑到自准望远镜分划是按实际角度值之半标注的，故 式中n为玻璃平板的折射率。考虑到自准望远镜分划是按实际角度值之半标注的，故

13. 四、实验内容及测量方法 测直角棱镜DI-90º的光学不平度如下图

14. 待测棱镜放承物台上，使其入射光轴截面与承物台平行。将自准望远镜对向棱镜入射面。调自准望远镜与承物台，在视场中可看到两个像、，它们分别为棱镜入射面与出射面的自准像。将像①、②各自调到分划板的垂直分划线上和水平分划线上，并测得 、 ，则根式 进一步求出棱镜的两45°角之差及δ45°及棱差γA。分别为 两45°角大小的判别：在AB面哈气，则出射面的自准像②将变暗或消失。由像②在①左侧可知角A﹤角B。 棱镜大小端判别：由②在①的上方，则棱镜大端是垂直于纸面向着读者方向。 棱镜大小端判别：由②在①的上方，则棱镜大端是垂直于纸面向着读者方向。

15. 五、测量内容 实验二测量直角棱镜DI-90º的45º角度误差并完成以下内容： 1．视场中能看到几个象？并算出θ1、θ2和γA 2．分析产生的原因 六、注意事项 1．每一试样应连续读取三个读数，取平均值。 2．每次测量前，都需擦拭干净，并等干燥后才能进行测试。测定结束后，也同样要擦拭干净。 3．要注意保持仪器的清洁，严禁污染光学零件，必要时可用干净的擦镜纸或脱脂棉轻轻地擦拭。 4。认真填写实验报告书。

16. 《光学测量》实验三 放大率法测量焦距和顶焦距

17. 一、实验目的： 1。掌握用放大率法测正透镜焦距的基本原理 2。熟悉焦距仪的基本结构并掌握焦距的测量技术 二、实验内容及所用器具 测量正透镜的焦距与后截距，并要求给出正确结果 所用器具：光具座(平行光管，透镜夹持器，测量显微镜，玻罗板) 三、测量原理和方法 测量原理：放大率法测量正透镜焦距的原理如图： 待测透镜置于平行光管物镜前。若平行光管物镜焦面处的玻罗板的线间距离为y，则在待测透镜焦面上成象为y’。若用测量显微镜测得y’ 的象为 y”=βy’(β为显微镜物镜的垂轴放大率)，则用下式可算得待测透镜的焦距： 式中：平行光管物镜焦距。y"：测微目镜测得的βy’值。 玻罗板图案： 在分划板中，我们能看到的只有三对线：1mm，2mm，4mm，如图

18. 四、焦距测量方法 校验实际放大率：将玻罗板夹在夹持器上，用显微镜观察，找到一对能测量的线对y，(如间距1mm)，线条方向必需与测微器运动方向垂直。测出在目镜视场中的间隔y’。则β=y’/y； 将玻罗板装到平行光管后焦面上，将被测透镜置于透镜夹持器上，并调整光轴与平行光管，显微镜光轴一致； 用一张透明纸，在透镜光轴沿轴寻找玻罗板的象； 将显微镜前焦点调到刻线象的位置，边观察边调，直到看到清晰无视刻线象为止；转动显微镜，使分划板叉线运动方向与玻罗板竖线垂直；测出一对线的距离y’’。就可用以上公式计算焦距。

19. 五、顶焦距测量方法 测完焦距后，记下显微镜在光具座底座上的位置； 将显微镜移向透镜，(只能动底座，不能动上部)直到看到透镜顶点象； 两位置之差即顶焦距。 六、测量误差 放大率法测量焦距的相对误差为： 式中：分别为平行光管，玻罗板，象高和显微镜物镜放大倍数的标准偏差。

20. 七、注意事项 待测透镜的测试状态尽量与使用状态一致或相近； 平行光管，待测物镜和测量显微镜三光轴应调重合； 平行光管焦距最好为待测透镜焦距的二倍以上； 显微镜物镜的数值孔径大于待测物镜的象方孔径角； 玻罗板分划在显微镜视场中应对称分布，且位于带视场附近为好。 八、要求 测出所给透镜的焦距和后顶焦距．测三遍取平均值； 设平行光管物镜相对误差为бfc/f=0.1%； 显微镜物镜放大率误差： бβ/β=0.05%； 玻罗板刻线误差：0.001mm； 读数误差：0.001mm； 求所测透镜的相对误差； 取测量误差公差为3бf用焦距=f’± 3бf的形式写出测量结果，如：f’=100±0.85mm

21. 《光学测量》实验四 DII-180°棱镜角度误差的测量

22. 一、实验目的 1.掌握用比较测角仪测量棱镜角度误差的基本方法。 2.熟悉210º比较测角仪的基本结构及合理使用与维护。 二、实验仪器 实验使用的是210º比较测角仪。仪器结构如下： 本仪器以比较法用角度杠杆来测量棱镜的角度。也可以用来测量平行平面玻璃的平行差。适宜于光学棱镜加工及检验工作。

23. 三、实验原理 若反射棱镜存在角误差或棱差，则展成的玻璃平板将存在不平行度，称为反射棱镜的光学不平行度。其中，在入射光轴截面内的不平行度分量称为第一光学不平行度θⅠ（它是由角度误差引起的）；而垂直于光轴的不平行度分量称为第二光学不平度θⅡ （由棱差产生）。 由自准望远镜射出的一束平行光，分别经过玻璃平板的前后反射，在望远镜的视场中得到互成角的两个像，则玻璃平板的不平行度。 式中n为玻璃平板的折射率。考虑到自准望远镜分划是按实际角度值之半标注的，故

24. 四、实验内容和步骤 自准望远镜对向棱镜的入射面AB，调自准望远镜和承物台，直至视场中看到五个分离的自准像。其中像①是从AB面直接反射的自准像；像②、③是两次全反射像，故像最亮且不随棱镜在入射光轴截面内转动而移动；像④、⑤是五次反射像（四次内反射和AB面的反射），故像最暗。 读出自准像①与④（或⑤）间相对应的角距离和值，则待测棱镜的角度误差Δ90º及棱差γA为

25. Δ90º的正负判别：在棱镜与望远物镜间用黑纸沿箭头1方向移入光路，等价于箭头2方向的栏挡效果。若五次反射像消失的方向与箭头2拦挡方向相同，则Δ90º为正；反之，Δ90º为负。Δ90º的正负判别：在棱镜与望远物镜间用黑纸沿箭头1方向移入光路，等价于箭头2方向的栏挡效果。若五次反射像消失的方向与箭头2拦挡方向相同，则Δ90º为正；反之，Δ90º为负。 棱镜大小端判别：若自准像②、③、④、⑤在想①的上方，则棱镜端是垂直纸面向着读者；反之，棱镜大端是垂直纸面远离读者。 五、测量内容 实验三测量DII-180°的Δ90º角度误差并完成以下内容； 1．视场中能看到几个象？画出这五个象的位置；并算出每个零件的θ1、θ2和γA； 2．分析产生的原因。 六、注意事项 1．每一试样应连续读取三个读数，取平均值。 2．每次测量前，都需擦拭干净，并等干燥后才能进行测试。测定结束后，也同样要擦拭干净。 3．要注意保持仪器的清洁，严禁污染光学零件，必要时可用干净的擦镜纸或脱脂棉轻轻地擦拭。 4.认真填写实验报告书。

26. 《光学测量》实验五 用星点板评价象质

27. 一 、实验目的 掌握用星点评价象质的基本原理 熟悉光具座的基本结构并实际操作各项光学测量方法 能正确选定检验装置的相关参量。 二 、实验内容及所用器具 检查光学系统的共轴性 观察单透镜的星点衍射象及其变化特征 结合单一象差或典型的星点衍射图特征，评估待测透匀的象质 所用器具：光具座(平行光管，透镜夹持器，测量显微镜，星点板) 三 、测量原理和方法 测量原理及用星点评价象质的配置：

28. 使待检光学系统对一点光源(星点)成象，则星点象必然反映系统存在的象差、工艺疵病、材料缺陷等状况。故观察待检物镜象面及象面附近的衍射象的光强颁布，并与理论衍射光强颁布比较。就可定性地评价象质。使待检光学系统对一点光源(星点)成象，则星点象必然反映系统存在的象差、工艺疵病、材料缺陷等状况。故观察待检物镜象面及象面附近的衍射象的光强颁布，并与理论衍射光强颁布比较。就可定性地评价象质。 星点板图案：星点板为一个黑暗的背景下，一个直径为dmax的小孔 小孔直径的确定： 式中：D ——待检物镜的入瞳直径 f ——平行光管物镜焦距 λ——照明光源波长。白光照明取平均波长0.56μ 小孔只能小于由上式所算出的直径，大于它，就看不到衍射光斑，为对星点象的细节进行放大观察，显微镜除要求象质好外，还要求显微镜总率，并使显微物镜的NA大于待检物镜的象方孔径角。

29. 四、检测方法 按要求选定星点直径和观测显微镜参量。将待检透镜装到夹持器上，调夹持器和观测显微镜视场中看到的星点象。微调夹持器，直至显微镜调焦时看到星点衍射环同心的扩张并达到尽可能圆。这表明星点象已位于待检透镜光轴上，并以此检验系统的共轴性。 五、球差判别 光能由中央亮斑向外环带弥散，暗环光强不再为零。 典型球差星点图特征： 六、注意事项 待测透镜的测试状态尽量与使用状态一致或相近； 平行光管，待测物镜和测量显微镜三光轴应调重合； 平行光管焦距最好为待测透镜焦距的二倍以上； 显微镜物镜的数值孔径应大于待测物镜的象方孔径角； 星点和鉴别率板成象在显微镜视场中应位于视场中心。

30. 七、要求 对于所检测的透镜，其口径为30mm，平行光管焦距f’c=550 mm； 波长=0.56μ。计算星孔的最大直径； 记录所观察的星点象在焦点处，焦有，焦后的衍射图案变化情况，颜色变化及形状； 根据所学知识，对所检测透镜进行象质评价。

31. 《光学测量》实验六 用刀口仪检验光学零件

32. 一、实验目的 掌握用刀口仪检验光学零件的基本原理 熟悉刀口仪的基本结构并实际操作 能正确判别阴影图 二、实验内容及所用器具 检验光学玻璃中的缺箔，如条纹，不均匀性； 观察光学零件表面的各种缺陷； 使用基于傅科阴影原理的刀口仪； 根据检验对象选择相应的配置。 三、测量原理和方法 仪器原理 • 聚光镜6 ，9 把灯泡11发出的光线会聚在刀片16 的反射面上，光被反射后成像在光栏片4中的星点孔纸1(或刀片16与光栏片4组成的狭缝)上，从星点孔(或块缝)射出的光线，经地过被检验镜17 的反射，又会聚在刀片16的左刀口上，若刀口恰在光束会聚点上，则在刀口后边将看到阴影图。见图2。 • 图2(a)是刀口从右向左切割光束时所看到的阴影图，整个说面亮度均匀变暗，这个镜面是无缺陷的。 图2(b)所示阴影图表示镜面右边有一局部凸起。 图2(c)所示阴影图表示镜面有带区误差，镜面高低情况如图(c)。下边所示为试样，如果被检验的是透镜，则这个镜面高低情况与上相反。

34. 在检验平面的像散或系统的像差时，将刀口由会聚点前方移向会聚点后方。就会看到阴影图中的亮暗交线发生旋转。见图3。 图中N代表刀口方向。如采集系统有慧差将看到图4 的阴影图。

35. 图中N代表刀口，箭头是刀口移动方向，当切割慧差象点不同位置时，将得到不同的结果。采用两台刀口仪就能看到轴外星点而检查轴外像散与慧差。 图中N代表刀口，箭头是刀口移动方向，当切割慧差象点不同位置时，将得到不同的结果。采用两台刀口仪就能看到轴外星点而检查轴外像散与慧差。 四、刀口仪的用途 1 、在光学冷加工中用于检验球面和非球面(如平面、抛物面等)。 2 、测定光学系统的像差，如球差、慧差、像散等。 3、直接测量凹球面的曲率半径。 4、检验光学玻璃中的缺箔，如条纹，不均匀性。 5、光学系统的检验和装配。 在配备某些装置后，还能扩展大仪器的应用。例如检验玻璃内应力。

36. 五、结构 WS-4 型刀口仪共4个部件，见图。

37. 镜管：主要零件如下：光栏片：上有6 个小孔。其中有三个是在贴于卡环底面的锡铂纸上加工出来的，(图1中的1和2) ，然后放入光栏片1中。光栏片1上还有两个刀口，它们能和刀片3的刀口组成。0。05 和0。15两种宽度的狭缝。转动转动螺母4 时， 不应松开压紧螺钉3，因为它是借助一个组簧压住光栏片的。刀片2的一个面用来反射光线(图1 ) ， 其刀口用来切割光线以获得阴影图。通过调焦螺钉5便可移动调焦镜筒进行调焦。 光源：主要零件如下：灯口用连接在胶木套上一弹性顶柱和两个调整螺钉支撑，可便灯泡摆动，图5(6)，调整这两个螺钉使灯丝对中光轴借助胶木套可使灯泡前后移动。3、立柱：主要零件如下： 刻线管12用来粗调升降，将刻线管上长刻线对正30゜则光线就会由观察所在位置垂直射出。微调螺母：用来微调升降，松开锁紧手柄9 后，镜管向下转45゜。 4、底卒：主要零件有：测微鼓轮13和14用以取得纵向横向移动。

38. 六、检验与测量前的调整 1.射出光束的调整　 采用星点孔时，调节灯泡位置，以及调焦．使得从星点孔射出的光在一纸屏上显现为圆面亮度均匀的亮边为止采用狭缝时，用磨砂灯泡做光源或在光路中放入滤光片。(安放滤光片时把聚光镜框落下，放上滤光片用紧圈紧住)。 2 .纵向移动和被检验系统光轴一致性的调整：前面所述阴影图均为刀口在光束会聚点处的情况，如果刀口在光束会聚点的前或后方，将有图6 的情况出现。 调整刻线管仅(图5)直到转动纵向侧微鼓轮13使刀口由光束会聚点前方移到光束会聚点后方而阴影图中亮暗交线没有左右移动为止。

39. 3 、星点孔的选择： 对于不同口径的零件以得到高反衬度为原则，并使阴影图亮度不过多的超过1-104cd/m3来选择星点孔。 七、检测方法 1、光学玻璃材料的检验见图7 。

40. 当看到阴影图时测量L 用下面公式计算半径R 测量精度： △L—L的测量误差。

41. 3 、光学冷加工中的检测：凹球面晚检验前面已述(见图1)其他的曲面检验见图9 。 检验平面时可以用测量显微镜在后边观测像散，检测椭球面时需另加星点光源，检测透镜时可用滤光片刘到单色光。

42. 4 、像差测定：　　球差：图1在镜面17的各带区上用红笔画以记号，看倒阴影图后，转动纵向测微鼓轮13(图5)使阴影图中的亮暗交界的半影区和各带区的红笔记号分别重合记下各相应位置读数，这些数就代表各带区光束会聚点的位置从而可知球差。 色差：在光路中加滤光片测知各色光束会聚点后可知色差。　　像散：前面已述，注意w8-4型刀口仪的星点孔与刀口一起移动。故应把测得的象散值再乘以2方为真正的象散值。　　慧差：按图4(a)或(b)情况下记下阴影图，从开始出现黑影到全黑的横向测微鼓轮14的读数，二者之差为慧差之大小(子午慧差)。 八、注意事项 (1)眼睛在刀口后的位置应该能看到整个波检验镜面。 (2)仪器应放在无振动的台子上。 (3)测量室内不应有强烈的气流和过多的落灰。 九、问题 1.对于所检测的零件，你能看到哪些缺陷？ 2.记录所观察的阴影象在焦点处，焦前，焦后的阴影图案变化情况， 3.根据所学知识，对所检测透镜表面质量进行评价。

43. 《光学测量》实验七 鉴别率板评价象质

44. 一、实验目的 掌握鉴别率板评价象质的基本原理。 熟悉光具座的基本结构并实际操作各项光学测量方法。 二、实验内容及所用器具 用鉴别率板观察光学系统有象质，并要求给出观察后的体会。 所用器具：光具座(平行光管，透镜夹持器，测量显微镜，星点和鉴别率板) 三、测量原理和方法 测量原理： 用鉴别率板评价象质的配置：

45. 鉴别率板图案：

46. 鉴别率板为栅格状图案如图： 它由黑白相间，线宽相等的矩形光栅状线条组成。整套图案的线宽由粗到细按公比的几何级数规律依次递减，共有七块板，我们用的是三号和四号板。 线宽的计算： n的确定： 对于#1-#5板n=(A-1)x12+单元号，如三号板为24+单元号；四号板为36+单元号。

47. 四、鉴别率测量方法 先调待检光组与平行光管，测量显微镜共轴 通过显微镜对鉴别率板由粗线条单元向细线条单元逐组分辨。直至刚能将某单元四个方向的线条全部分辨清楚，而下一单元的线条不能全部分辨为止； 根据此单元号和分辨率板号，计算出线条宽度P/μm。则被测系统的分辨角为： 五、注意事项 待测透镜的测试状态尽量与使用状态一致或相近； 平行光管，待测物镜和测量显微镜三光轴应调重合； 平行光管焦距最好为待测透镜焦距的二倍以上； 显微镜物镜的数值孔径应大于待测物镜的象方孔径角； 星点和鉴别率板成象在显微镜视场中应位于视场中心。 六、要求 写出所给透镜的分辨率观测情况，并进行分析。

48. 《光学测量》实验八 夫琅禾费圆孔衍射 (临界角法)

49. 一、实验目的 观察夫琅禾费圆孔衍射图样 二、实验仪器 1、钠光灯（加圆孔光阑） 2、多孔架（Ф1mm）：SZ-21 3、凸透镜L： f=70mm 4、二维调整架： SZ-07 5、测微目镜Le（去掉其物镜头的读数显微镜） 6、读数显微镜架： SZ-38 7、三维底座： SZ-01 8、二维底座： SZ-04 9、一维底座： SZ-01

50. 三、实验原理 将单缝衍射装置中得单缝以一小孔代替，应用钠灯光源，可以再透镜的焦平面上看到圆孔衍射图样，衍射图样是一组同心的明暗相间的圆环，可以证明以第一暗环为范围的中央亮斑的光强占整个入射光束光强的84%，这个中央光斑称为艾里斑。经计算可知，艾里斑的半角宽度为： 式中D是圆孔的直径。 若透镜L2的焦距为f，则艾里斑的线半径由图一可知，为 由于一般很小，故，则