1、光学测量试验讲义光学测量实验指导书牟达 刘智颖 编写目录实验一 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 27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划面校到其物
2、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倍。图1.1 自准法调校平行光管的原理
3、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，若分划像措动方向与眼瞳摆动反向，则分划面位于焦内。
4、然后，按照判定的分划面调整方向，微调分划板镜框，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）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DeD时，应以 De替代式中的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 （1-2）则平行光管的调校极
5、限误差为 （1-3）（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 （1-4）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SD2，则调校极限误差可参看式（1-3）求得。 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。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
6、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
7、。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
8、，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
9、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 （2-1）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；Dw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，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
10、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
11、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名称型号物镜相对孔径高斯目镜照明灯规格焦距口径焦距视放大率550型平行光管5W550mm55mm11044mm5.76V2.1W1200型平行光管32W1200mm80mm11544mm5.76V30W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
12、校平行光管用。b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
13、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 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
14、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）当nn0时，出射光线向上偏折，取“”号。 角由度盘的030范围读值；当nn0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
15、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；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
16、零位用的标准玻璃块涂以相应的折射浸液后，放入V棱镜V槽内，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 _ _ _ _
17、 _ _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）式中 （n0）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）求得偏折角 的测量标准偏差包括下述三个因素：度盘刻线的标准偏差1，对准望远镜的单次对准标准偏差2以及读数显微镜的读数标准偏差3。在测角 时，需要两次对准和两次读数，故角 的测量偏准偏差为(n0)通常是用精密测角仪以最小偏向角法测得的。一般不大于510-6；而( )一般可控制在1.510-5弧
18、度范围内。对应的（n）可达到（12）10-5，这满足一般的折射率测量精度要求。五、思考题1要使V棱镜折光仪达到预期的测量精度，你认为实验过程中应满足那些测试要求？2本仪器中对准直物镜与对准望远镜物镜的像差校正有什么要求？3为何要规定一块V棱镜只适用测量折射率为某一范围的玻璃试样？4若采用一对样品法（即用同一待检玻璃做成两块偏差不大于5的直角形试样，然后再将两直角的一个面胶合在一起，磨另一面成平角），应如何测折射率？这样做有什么好处？5若已知V棱镜折光仪的对准望远镜放大率6，读数显微镜总倍率 M58，度盘刻度直径t114.6mm，格值中读差2，请你估算一下 角的测量误差有多大？6实验过程中，放入
19、折射浸液有什么作用？对折射浸液有什么要求？应如何配制？7平行光管的分划面的单线应按什么方向放置？其透光狭缝有什么用？8度盘转轴为什么要与V棱镜的V型缺口棱边平行？9测各谱线的折射率时，共用一个D光的零位读数可以吗？为什么？附录按我国无色光学玻璃的国家标准规定：每种玻璃应给出7种光谱线的折射率。表3-2列出7种谱线的波长，符号及产生这些谱线的元素灯。表3-2列出了常用折射液的折射率及色散值。表3-2谱线符号波长（nm）元素灯备注h404.7汞（Hg）灯当元素灯同时发出几条光谱线时，为得到某一波长的谱线，需配用相应波长的滤光片。g435.8汞（Hg）灯F486.1氢（H）灯e546.1汞（Hg）灯
20、D589.3钠（Na）灯C656.3氢（H）灯A766.5钾（K）灯表3-2常用折射液的折射率和色散（表中*为常用的） 液体名称nDnFnC煤油*1.4460.0088液体石腊1.4800.0086丁香油1.5330.0174三溴甲烷1.5930.0181碘苯1.6200.0253 溴代萘*1.6560.0320 碘代萘*1.7050.0375二碘甲烷1.7410.0375二碘甲烷加硫磺的饱和液1.7870.0423溴化硒（Se2Br2）1.960实验四 简式偏光应力仪测量玻璃双折射一、实验目的1掌握简式偏光应力仪测量玻璃双折射的原理和方法。2会根据干涉色来计算双折射，并确定光学玻璃的等级。二
21、、实验内容及所用器具1 利用简式偏光应力仪测量被测试样的双折射2所用器具：简式偏光应力仪、被测试样。三、实验原理及方法1测量原理 光学玻璃在退火过程中，由于各处温度不均匀而保留下来的应力称为残余应力，它会引起双折射。 光学玻璃的质量指标是以光通过1cm厚的玻璃时，由o光和e光所产生的光程差表示的。若玻璃厚度为d，通过该玻璃时，o光和e光的光程差为，则双折射为 （4-1）式中，no，ne分别为o光与e光的折射率。光学玻璃双折射的测量实际上就是测量o光和e光的光程差。由于o光和e光都是线偏振光，故双折射测量都是用偏振光干涉实现的。干涉色法是利用线偏振光干涉，由干涉色的识别来确定光程差的大小。为此，
22、自然光须经起偏器变成线偏振光入射。若玻璃不产生双折射，则仍以线偏振光射出。使检偏器的主方向与起偏器正交，则人眼看到的是暗视场。若玻璃具有双折射，则出射的o光和e光之间具有稳定光程差，通过检偏器将发生干涉。由干涉色可判定光程差，并确定双折射等级。玻璃的双折射以垂直应力方向上单位厚度内o光与e光的光程差（nm/cm）表示，按表4-1分为四类。表4-1类别玻璃中部光程差（nmcm-1）121a4263104205502测量方法 带有全波片的偏光仪如图4.1所示。起偏器与检偏器正交，两者间放有全波片。全波片的两个主方向（快慢轴）与起偏器的主方向成45。打开光源后，人眼通过检偏器看到视场中干涉色为均匀的
23、紫红色。将待检试样放在台面玻璃板上，视场中的干涉色将依据试样各部位光程差的大小发生相应的变化。图 4.1 偏光仪光学系统1 光源；2隔热片；3聚光镜；4反射镜；5起偏器；6全波片；7发散透镜；6台面玻璃；9待检玻璃；10检偏器 测量时，可一边绕着仪器光轴转动试样，一边观察干涉色变化，找出试样中干涉色变化较大的某一部位（一般研究试样的中部），并确定最高色序和最低色序的两个位置，然后查表求得这两个色序对应的光程差，取二者的平均值，然后带到公式4.1中求出双折射，再在表4-1找到试样所对应的玻璃等级。 由于该法存在着对干涉色判别的主观误差，其灵敏度较低，只适用于测量精度要求不高的场合。四、思考题1.
24、提高简式偏光应力仪测量精度的方法有哪些？2.测量圆板玻璃时，将观察到什么现象，试分析之。3.为什么用双折射光程差来表示光学玻璃应力的大小，试分析之。实验五 光学零件曲率半径测量一、实验目的1掌握自准显微镜法测量球面曲率半径的原理和方法。2熟悉3C型自准球径仪的结构特征及其测量范围。 3了解影响测量精度的主要因素，并能正确地给出测量误差。二、实验内容及所用器具1用3C型自准球径仪分别测量凸、凹球面的曲率半径。2所用工具： 3C型自准球径仪、待测凸、凹球面光学零件。三、实验原理及方法 1.测量原理：自准球径仪测量凹球面曲率半径的原理如图5.1所示。 自准球径仪的核心部分是自准显微镜。利用自准显微镜
25、分别对待测球面的球心C和顶点A进行自准直调焦（可由自准分划像清晰无视差的成在分划处判定）。借助投影测长机构测出两次调焦时，自准显微镜（或待测球面）沿轴移动的距离，即为衍测球面的曲牵半径。在实际测量中，为了获得尽可能高的测量精度，仪器备有一套不同放大率的物镜供选用。国产3C型自准球径仪结构如图5-2所示，主要由测量座、夹持器组件以及底座等三大部分组成。图5.1 自准球径仪测曲率半径的原理图1待测球面；2自准显微镜图5.2 自准球径仪结构示意图1测量座； 2夹持器组件；3底座测量座由可沿底座导轨方向移动的上、下滑板、自准显微镜、200mm长精密玻璃刻尺以及投影读数器组成。借助手轮，自准显微镜能沿光
26、轴方向进行粗动和微调，其位置可由玻璃刻尺经投影读数器（最小格值0.001mm）测得。夹持器可依据待测面曲率半径的名义值，沿导轨床面定位在某一刻线标志处。夹持器用于装卡和调整待测光学件。转动其上的两调节螺，即可使待测球面分别沿水平和垂直方向做倾斜微调，以将球心准确调到显微镜瞄准轴线上。 2.测量步骤由待测球面的口径、曲率半径尺寸及要求的精度选用适当倍率的显微镜。仪器备有4、10和40物镜供选用。由待测球面曲率半径名义值，将夹持器沿导轨床面装定到需要刻线标志位置。将待测件装卡到夹持器上。轴向微动测量座并微调待测件使自准显微镜的目镜视场中，观察到过球心的清晰且无视差的自准像。在投影读数器读得对应球心
27、的位置读数x1。移动测量座，使自准显微镜对待测面顶点调焦，直至目镜视场中再次看到清晰无视差的自准像。读得对应球面顶点的位置读数x2，则被检面的曲率半径R应为 Rx2x1x0 （5-1）式中x0为夹持器装定位置的刻线标志读数（0、200、400、600、）。测凸球面曲率半径的步骤也大致类同，只是所测半径范围受到显微镜工作距限制。四、测量误差 （5-2）式中 1夹持器的定位误差； 2投影读数器的读数标准偏差； 3自准显微镜的两次调焦误差； 4玻璃刻尺的刻线标准偏差。五、思考题1自准球径仪测球面曲率半径时，球面顶点自准像与球心自准像，哪个好找些？为什么？2为提高自准显微镜的清晰度法的调焦精度，其光学
28、参量应怎样选择？3凸球面曲率半径的测量范围由什么限定？在不降低测量精度条件下，可否增大凸球面的半径测量范围？4测R200mm的凹球面曲率半径，夹持器座的定位误差对曲率半径测量精度有否影响？为什么？5用自准球径仪测R为30mm，口径为25mm的凸凹对板，发现所得数据不一致，问哪个结果更可靠些？实验六 平面光学元件的光学不平行度测量一、实验目的1掌握比较测角仪的使用和测量玻璃平板光学不平行度的原理和方法。2掌握测量反射棱镜光学不平行度的原理和方法。二、实验内容及所用器具1测量直角棱镜D 90的光学不平行度，并判别角度误差和棱差。2测量直角棱镜D 180的光学不平行度，判别角误差和棱差。3所用器具：
29、GXY型比较测角仪、待测玻璃平板、直角棱镜D90和D180。三、测量原理和方法1测量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 （它是由角度误差引起的）；而垂直光轴截面方向的不平行度分量称第二光学不平行度 （由棱差产生的）。自准直法测量光学不平行度的原理如图6.1所示。由自准望远镜射出的一束平行光，分别经玻璃平板的前后面反射，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 （6-1）图6.1 自准直法测光学不平行度原理图1待测玻璃平板； 2自准望远镜式中n玻璃平板的析射率。考虑到自准望远镜分划是按实际角度值之半标注的，故 （6-2）2比较测角仪简介测量光学不平行度常用的
