第五节光学系统像差实验
一、引言
如果成像系统是理想光学系统, 则同一物点发出的所有光线通过系统以后应该聚焦在理想像面上的同一点, 且高度同理想像高一致。但实际光学系统成像不可能完全符合理想, 物点光线通过光学系统后在像空间形成具有复杂几何结构的像散光束, 该像散光束的位置和结构通常用几何像差来描述。
二、实验目的
掌握各种几何像差产生的条件及其基本规律，观察各种像差现象
三、基本原理
光学系统所成实际像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，像差是由球面本身的特性所决定的，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
轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点（理想像点）有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，简称球差（L ）。如图1-1 所示。
图1-1 轴上点球差
2．慧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1-2 所示。
图1-2 慧差
3.像散像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主光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：
x ts x t x s
式中，x t , x s分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线会得到不同形状的
物至理想像面的距离，如图1-3 所示。
图1-3 像散
当系统存在像散时，不同的像面位置会得到不同形状的物点像。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。
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1-4 所示。
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
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，如图1-5 所示。
由畸变的定义可知，畸变是垂轴像差，只改变轴外物点在理想像面的成像位置，使像的形状产生失真，单不影响像的清晰度。
图1-5 畸变
实验一应用平行光管测量位置色差
一、引言平行光管是一种长焦距、大口径，并具有良好像值的仪器，与前置镜或测量显微镜组合使用，既可用于观察、瞄准无穷远目标，又可作光学部件，光学系统的光学常数测定以及成像质量的评定和检测。
、实验目的
1) 了解平行光管的结构及工作原理
2) 掌握平行光管的使用方法
3) 了解色差的产生原理
4) 学会用平行光管测量球差镜头的色差
三、基本原理
根据几何光学原理,无限远处的物体经过透镜后将成像在焦平面上;反之,从透镜焦平面上发出的光线经透镜后将成为一束平行光。如果将一个物体放在透镜的焦平面上,那么它将成像在无限远处。
图2-1 为平行光管的结构原理图。它由物镜及置于物镜焦平面上的分划板, 光源以及为使分划板被均匀照亮而设置的毛玻璃组成。由于分划板置于物镜的焦平面上,因此,当光源照亮分划板后,分划板上每一点发出的光经过透镜后,都成为一束平行光。又由于分划板上有根据需要而刻成的分划线或图案,这些刻线或图
案将成像在无限远处。这样,对观察者来说,分划板又相当于一个无限远距离的目标。
图2-1 平行光管的结构原理图
根据平行光管要求的不同,分划板可刻有各种各样的图案。图2-2 是几种常见的分划板图案形式。图2-2(a)是刻有十字线的分划板,常用于仪器光轴的校正;图2-2 (b) 是带角度分划的分划板,常用在角度测量上;图2-2 (c) 是中心有一个小孔的分划板,又被称为星点板;图2-2 (d) 是鉴别率板,它用于检验光学系统的成像质量。鉴别率板的图样有许多种,这里只是其中的一种;图2-2 (e) 是带有几组一定间隔线条的分划板,通常又称它为玻罗板,它用在测量透镜焦距的平行光管上。
图2-2 分划板的几种形式
光学材料对不同波长的色光有不同的折射率， 因此同一孔径不同色光的光线 经过光
学系统后与光轴有不同的交点。 不同孔径不同色光的光线与光轴的交点也 不相同。在任何像面位置，物点的像是一个彩色的弥散斑，如图 2-3 所示。各种 色光之间成像位置和成像大小的差异称为色差。
轴上点两种色光成像位置的差异称为位置色差， 也叫轴向色差。 对目视光学
系统用 L FC 表示，即系统对蓝光和红光的色差
平行光管、色光滤色片、色差镜头、 CMOS 相机、电脑、机械调整件等。
1. 光纤光源 4. 可调节棱镜支架
l FC l F l C
（2-2） 根据定义可知，位置色差在近轴区就已产生。为计算色差，
光进行近轴光路计算，就可求出系统的近轴色差和远轴色差。 只需对 F 光和 C
L FC L F L C 对近轴去表示为
四、 仪器用具
2-1)
图 2-3 轴上点色差
五、 实验步骤
2．调节平行光管、被测镜头和 CMOS 相机，使它们在同一光轴上。具体操作步 骤：先取下星点板，使人眼可以直接看到通过平行光管和被测镜头后的会聚光斑。 调节被测镜头和 CMOS 相机的高度及位置，使平行光管、被测镜头和 CMOS 相 机靶面共轴，且会聚光斑打在 CMOS 相机靶面上。
3．装上 25 m 的星点板，微调 CMOS 相机位置，使得 CMOS 相机上光斑亮度最 强，如图 2-5a 所示。此时在平行光管上加上蓝光( F )滤色片，可以看见视场变 暗，此时调节 CMOS 相机下方的平移台，使 CMOS 相机向被测镜头方向移动， 直到观测到一个会聚的亮点，如图 2-5b 所示，记下此时平移台上螺旋丝杆的读 数 X 1。此时将 F 光滤色片换成绿光 (D)滤色片，可看见视场图案如图 2-5c 所示， 然后调节平移台，使 CMOS 相机向远离被测镜头方向移动，又可观测到一个会 聚的亮点，如图 2-5d 所示，记下此时平移台上螺旋丝杆的读数 X 2。再将 D 光滤 色片替换为红光 (C)滤色片，可看见视场图案如图 2-5e 所示，再次调节平移台， 使 CMOS 相机继续想远离镜头方向移动， 又可观测到一个会聚的亮点， 如图 2-5 所示，记下此时平移台上螺旋丝杆的读数 X 3 。
a b c d e
图 2-5 色差实验效果图 4．数据处理：
位置色差 L F C L F L C
L FD L F L D
L DC L D L
C
实验二星点法观测光学系统单色像差
一、引言
根据几何光学的观点，光学系统的理想状况是点物成点像，即物空间一点发出的光能量在像空间也集中在一点上，但由于像差的存在，在实际中式不可能的。评价一个光学系统像质优劣的根据是物空间一点发出的光能量在像空间的分布情况。在传统的像质评价中，人们先后提出了许多像质评价的方法，其中用得最广泛的有分辨率法、星点法和阴影法(刀口法) 。
实验目的
1. 了解星点检验法的测量原理
2. 用星点法观测各种像差三、基本原理
光学系统对相干照明物体或自发光物体成像时，可将物光强分布看成是无数个具有不同强度的独立发光点的集合。每一发光点经过光学系统后，由于衍射和像差以及其他工艺疵病的影响，在像面处得到的星点像光强分布是一个弥散光斑，即点扩散函数。在等晕区内，每个光斑都具有完全相似的分布规律，像面光强分布是所有星点像光强的叠加结果。因此，星点像光强分布规律决定了光学系统成像的清晰程度, 也在一定程度上反映了光学系统对任意物分布的成像质量。上述的点基元观点是进行星点检验的基本依据。
星点检验法是通过考察一个点光源经光学系统后在像面及像面前后不同截面上所成衍射像通常称为星点像的形状及光强分布来定性评价光学系统成像质量好坏的一种方法。由光的衍射理论得知, 一个光学系统对一个无限远的点光源成像, 其实质就是光波在其光瞳面上的衍射结果, 焦面上的衍射像的振幅分布就是光瞳面上振幅分布函数亦称光瞳函数的傅里叶变换, 光强分布则是振幅模的平方。对于一个理想的光学系统, 光瞳函数是一个实函数, 而且是一个常数, 代表一个理想的平面波或球面波, 因此星点像的光强分布仅仅取决于光瞳的形状。在圆形光瞳的情况下, 理想光学系统焦面内星点像的光强分布就是圆函数的傅里叶变换的平方即爱里斑光强分布,即
式中，I(r) I o 为相对强度(在星点衍射像的中间规定为1.0)，r 为在像平面上离开星点
衍射像中心的径向距离，J1( ) 为一阶贝塞尔函数。
通常，光学系统也可能在有限共轭距内是无像差的，在此情况下k ( 2 ) siun ，其中u 为成像光束的像方半孔径角。
无像差星点衍射像如图3-1 所示，在焦点上,中心圆斑最亮, 外面围绕着一系列亮度迅速减弱的同心圆环。衍射光斑的中央亮斑集中了全部能量的80%以上,
其中第一亮环的最大强度不到中央亮斑最大强度2%的。在焦点前后对称的截面上, 衍射图形完全相同。光学系统的像差或缺陷会引起光瞳函数的变化, 从而使对应的星点像产生变形或改变其光能分布。待检系统的缺陷不同, 星点像的变化情况也不同。故通过将实际星点衍射像与理想星点衍射像进行比较, 可反映出待检系统的缺陷并由此评价像质。
图3-1 无像差星点衍射像
四、仪器用具
平行光管、球差镜头、慧差镜头、像散镜头、场曲镜头、畸变镜头、CMOS 相机
五、实验步骤
1．参考示意图3-2，搭建观测轴上光线像差（球差）的实验装置
12
3-2
1. 光纤光源 4. 可调节棱镜支架
2. 平行光管 5. CMOS 数字相机
3. 球差镜头 6. 一维平移台
2．调节各个光学元件与 CMOS 相机靶面同轴，沿光轴方向前后移动 CMOS 相 机，找到通过球差镜头后，星点像中心光最强的位置。
3．前后轻微移动 CMOS 相机，观测星点像的变化，可看到球差的现象。效果图 可参考图 3-3。
图 3-3 球差效果图
4．参考示意图 3-4，搭建观测轴外光线像差（慧差，像散，场曲）的实验装置
1 2 3 4 5
图
3-4
轴外光线像差星点法观测示意图
1. 光纤光源
4. 可调节棱镜支架 2. 平行光管
5. CMOS 数字相机 3. 轴外像差镜头
6. 旋转台
5．先按照图 3-2，调节各个光学元件与 CMOS 相机靶面同轴，沿光轴方向前后 移动 CMOS 相机，找到通过像差镜头后，星点像中心光最强的位置。 6．轻微调节像差镜头下方的旋转台， 使像差镜头与光轴成一定夹角， 观测 CMOS 相机中星点像的变化。轴外像差的效果图可参考图 3-5。
6
(a) 慧差效果示意图
(b) 场曲效果示意图
(c) 像散效果示意图图3-5 轴外像差效果图
实验三光学系统像差的计算机模拟
一、引言
如果成像系统是理想光学系统, 则同一物点发出的所有光线通过系统以后, 应该聚焦在理想像面上的同一点, 且高度同理想像高一致。但实际光学系统成像不可能完全符合理想, 物点光线通过光学系统后在像空间形成具有复杂几何结构的像散光束, 该像散光束的位置和结构通常用几何像差来描述。
二、实验目的掌握各种几何像差产生的条件及其基本规律，观察各种像差现象的计算机模拟效果图。
三、仪器用具电脑主机及显示器一套、像差模拟软件
四、实验步骤本实验主要是应用像差模拟软件，在电脑上观测球差、慧差及像散的光场分布图及三维效果图，以便学生更加深刻的理解各种单色像差的概念及对光学系统的影响。
实验四阴影法测量光学系统像差与刀口仪原理
一、引言
刀口阴影法可灵敏地判别会聚球面波前的完善程度。物镜存在的几何像差使得不同区域的光线成到像空间不同位置上。刀口在像面附近切割成像光束，即可看到具有特定形状的阴影图；另一方面，物镜的几何像差对应着出瞳处的一定波像差，并由此可求得刀口图方程及其相应的阴影图。反之，由阴影图也可检测典型几何像差。刀口阴影法所需设备简单，检测法改变，直观，故非常有实用价值。
二、实验目的
1．熟悉刀口阴影法检测几何像差原理
2．掌握球差的阴影图特征
3．利用图像处理方法测量轴向球差
三、基本原理
对于理想成像系统, 成像光束经过系统后的波面是理想球面（如图4-1 所示） , 所有光线都会聚于球心O。此时用不透明的锋利刀口以垂直于图面的方向向切割该成像光束, 当刀口正好位于光束会聚点O 点处（位置N2）时, 则原本均照亮的视场合变暗一些, 但整个视场仍然是均匀的（阴影图M2）。如果刀口位于光束交点之前（位置
N1） , 则视场中与刀口相对系统轴线方向相同的一侧视场出现阴影, 相反的方向仍为亮视场（阴影图M1）。当刀口位于光束交点之后（位置N3） , 则视场中与刀口相对系统轴线方向相反的一侧视场出现阴影, 相同的方向仍为亮视场（阴影图M3）。
图4-1 理想系统刀口阴影图
实际光学系统由于存在球差, 成像光束经过系统后不再会聚于轴上同一点。此时, 如果用刀口切割成像光束, 根据系统球差的不同情况, 视场中会出现不同的图案形状。图4-2 所示是4 种典型的球差以及其相应的阴影图。图4-2 中（a）和（b）图为球差校正不足和球差校正过度的情况, 相当于单片正透镜和单片负透镜球差情况。这两种情况在设计和加工质量良好的光学系统中一般极少见到, 除非是把有的镜片装反了, 检验时把整个光学镜头装反了, 或是系统中某个光学间隔严重超差所致。（c）和（d）图所示为实际光学系统中常见的带球差情况。
利用刀口阴影法对系统轴向球差进行测量就是要判断出与视场图案中亮2 暗环带分界（呈均匀分布的半暗圆环）位置相对应的刀口位置, 一般系统球差的表示以近轴光束的焦点作为球差原点。
四、 仪器用具
平行光管、色光滤波片、球差镜头、简易刀口、白屏、机械调整件等。
五、 实验步骤
1．参考示意图 4-3，搭建刀口阴影法测量球差的实验装置。
4-3
1. 光纤光源
6. 白屏 2. 平行光管
7. 旋转台 3. 轴外像差镜头
8. 一维平移台 4. 可调节棱镜支架
5. 简易刀口
2．调节平行光管，球差镜头，刀口装置， CMOS 相机成像靶面共轴。在平行光 的照射
及视场光阑的作用下，被测系统将在 CMOS 相机靶面形成一具有明显边 界轮廓、可反映被测系统孔径大小的图案。 调整刀口装置的螺旋丝杆， 使刀刃正 好切在光轴上， 若刀
口轴前后移动时， 刀口阴影图上的亮暗环带对称地扩大或缩
小，说明此时刀口的轴向一定那个方向已与光轴一致 杆，直到正好使刀刃切在被测系统的光轴上。
否则应该继续调节螺旋丝
图 4-2 系统存在球差时的阴影图
实验五剪切干涉测量光学系统像差
一、引言利用玻璃平行平板构成简单的横向剪切干涉仪可以观察到单薄透镜的剪切干涉条纹，并由干涉条纹分布求出透镜的几何象差和离焦量。
二、实验目的利用大球差镜头的剪切干涉条纹分布测算出该镜头的初级球差比例系数和光路的轴向离焦量。
三、基本原理
剪切干涉是利用待测波面自身干涉的一种干涉方法，它具有一般光学干涉测量方法的优点即非接触性、灵敏度高和精度高，同时由于它无需参考光束，采用共光路系统，因此干涉条纹稳定，对环境要求低，仪器结构简单，造价低，在光学测量领域获得了广泛的应用。横向剪切干涉是其中重要的一种形式。由于剪切干涉在光路上的简单化，不用参考光速，干涉波面的解比较复杂，在数学处理上较繁琐，因此发展利用计算机里的剪切干涉技术是当前光学测量技术发展的热
如图5-1 所示，假设W 和W 分别为原始波面和剪切波面，原始波面相对于平面波的波像差（光程差）为W , ，其中P , 为波面上的任意一点P 的坐标，当波面在方向上有一位移s （即剪切量为s）时，在同一点p 上剪切波面上的波象差为W（ s, ），所以原始波面与剪切波面在P点的光程差（波象差）为：
W( , ) W( , ) W( s, ) (1)
图5-1 横向剪切的两个波面
由于两波面有光程差W 所以会形成干涉条纹，设在P 点的干涉条纹的级次为
N ，光的波长为，则有，
W N (2) 能产生横向剪切干涉的装置很多，最简单的是利用平行平板。如图5-3 为平行平板横向剪切干涉仪的装置图。由于平行平板有一定厚度和对入射光束的倾角，因此通过被检测透镜后的光波被玻璃平板前后表面反射后形成的两个波面发生横向剪切干涉，剪切量为s，s 2 dn cosi ' ，其中d 为平行平板的厚度，n 为平行平板的折射率，i'为光线在平行平板内的折射角。s一般为1到3毫米左右。当使用光源为氦氖激光时，由于光源的良好的时间和空间相干性，就可以看到很清晰的干涉条纹。条纹的形状反映波面的像差。
分析计算如下：
y
图5-2 计算原理图
如图5-2 所示为光学系统的物平面和入射光瞳平面，其坐标分别为x,y 和,
平面,AO为光轴。对于旋转轴对称的透镜系统，只需要考虑物点在y 轴上的情形 (物点的坐标为0,y0 )。波面的光程W 只是、和y0的函数，即
W , ,y0 E1 E3 (3) 其中E1 是近轴光线的光程
E1 a1 2 2 a2y0 (4) 上式中，a1 z 2f 2，a2 1 f ，y0是物点的垂轴离焦距离，z物点的轴向离焦距离。
E3是赛得像差(初级波像差系数：b1场曲，b2畸变，b3球差，b4慧差，b5像散)
E3b1y02 2 2b2y03b3 2 2 2b4 y0 2 2b5y02 2
(5) 为了计算结果的表达方便起见将( 1)式写成对称的形式，光瞳面, 上原始波面与剪
切波面的剪切干涉的结果为：
W( , ,s ) W( s/2, ) W( s/2, ) (6) 将前面的公式( 4)(5)代入( 6)
式就可得具体的表达式，下面只讨论透镜具有初级球差和轴向离焦的情况。
(一)扩束镜(短焦距透镜)焦点与被测准直透镜焦点F 不重合(即物点与F 不重合)，但只有轴向离焦( z 不为零，y0 =0 )：
W( , ) a1( 2 2 ) a2y0 (7) 由于剪切方向在方向，所以：
W( , ,s) 2a1 s (8)
所以干涉条纹方程为：m( m=0, 1, 2, ?)(为平行于轴，间隔为的
2a1s 2a1s
直条纹，剪切条纹的零级条纹在0 )
(二) 扩束镜焦点与被测准直透镜焦点 F 不重合，只有轴向离焦( z不为零,
y0=0)，透镜具有初级球差( b3不为零)，.剪切方向在方向：
W( , ) a1( 2 2) b3( 2 2)2(9) 所以波象差方程为
W( , ,s) 2 s(a1 2b3( 2 2)) b3 s3(10)
此时亮条纹方程为
2 s(a1 2b3( 2 2)) b
3 s3 m (m=0, 1, 2, ?) (11)
三)初级球差L 与孔径的关系式为：
L A f h
其中h2 2 2，和为孔径坐标，f 为透镜的焦距f，A 为初级几何球差比例系数
(12)
而对应的波象差为其积分，即
n h h W n 2 Ld( f h )2 2 0 f
将（ 12）代入（ 13）积分结果为，
由于h 2 2 2 ，所以由（ 14）可以求出 b 3与 L 、A 的关系式为：
因此，在公式 （11）中，令 W 1 m 就得到实验中的暗条纹方程，即：
3 2 3 1
2 sa 1 4sb
3 3 4sb 3 2 b 3 s 3 m （16）
1 3 3 3 2
利用最小二乘法拟合由实验图上暗条纹的分布解出 a 1和b 3 ，由公式 （4）的说明和 公式
（15）分别求出轴向离焦量 z 和初级球差 L 。
四、 仪器用具
He-Ne 激光器、衰减片、显微物镜（扩束镜） 、针孔、可调孔径光阑、平凸 薄透
镜（ 100mm ）、平行平晶、白屏、带变焦镜头的 CCD 、处理软件、轨道、支 杆、调节支座、平移台、旋转台、滑块、磁性表座。
1 2 3 4 5 6 7 8
图 5-3 剪切干涉实验装置
(13)
W( L ) 4A f h 4 b 3( 2 2)2
(14)
4f 2h 2 A 4f
(15)
9 10 11 12
五、实验步骤
1. 按图5-3 搭建好光路，准直镜即为被测透镜。摆放器件前应调整各自的高度，让激
光通过扩束镜、针孔和薄透镜后为平行光（扩束镜的焦点和准直镜的焦点重合），此时扩束镜下方轴向的平移丝杆读数为L1 。使激光从平行平板的中心通过，白屏上的光点高度应和CCD 上的变焦镜头在同一高度。此时在白屏上出现的图案为：
图 4 焦点处的图像
2. 把可调光阑放置在薄透镜和平行平晶之间，把光阑孔径调制到最小，这样白屏上会
出现两个亮点。用CCD 采集图像，保证CCD 的成像面和白屏平行且白屏上的刻度尺要保证水平，否则会影响计算精度。用计算机软件进行标定并求出这两个亮点之间的距离，这个距离就是剪切量s。
图 5 剪切量计算图
3. 移去可调光阑，调节薄透镜支座下的平移台，让透镜产生轴向离焦，并记录读数
L2 ，轴向离焦Z L2 L1 。为了保证计算精度，这是白屏上出现的图案应为（保证图像中心
条纹为亮条纹，且图中亮纹个数至少为7 条）：
图 6 离焦时的图像
用CCD 采集此图案（采集时让实验室处于暗环境）
4. 利用软件求出被测透镜的轴向离焦量和初级球差（见附录），并与样本测量的轴向离
焦量及初级球差。实验结束时要将调节短焦距透镜支架的微调旋钮
旋转到零位，以避免内部的器件因长期受力而变形
思考题
1 要得到理想图形时，各光学元件必须严格同心，为什么？
2 这个实验可以有哪些实际应用？
物理光学实验题及答案文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
第三章光学（一）概述 光学的学生实验共有4个，它们分别是“光反射时的规律”、“平面镜成像的特点”、“色光的混合与颜料的混合”、“探究凸透镜成像的规律”。 （二）光学探究实验对技能的要求 1.明确探究目的、原理、器材和步骤。 2.会正确使用各种实验器材，知道它们的摆放要求。 3.知道各种器材在实验实践与探究能力指导 中的作用，并能根据实验原理、目的，选择除教科书规定仪器之外的其他器材完成实验。 4.会设计实验步骤并按合理步骤进行实验。 5会设计实验报告，会填写实验报告。 6.会正确记录实验数据。 7.会组装器材并进行实验。 8.明确要观察内容，会观察实验现象，并能解释实验中的一般问题。 9.会分析实验现象和数据，并归纳实验结果。 实验与探究能力培养 探究光反射时的规律 基础训练 1.为了探究光反射时的规律，小明进行了如图19所示的实验 （1）请在图19中标出反射角的度数。
（2）小明想探究反射光线与入射光线是否在同一平面内，他应如何操作 --————————————————————————————————。（3）如果让光线逆着OF的方向射向镜面，会发现反射光线沿着OE方向射出，这表明：————————————————————————————————。 图19 2.雨后天晴的夜晚，为了不踩到地上的积水，下列判断中正确的是（）。 A.迎着月光走，地上暗处是水，背着月光走地上发亮处是水 B.迎着月光走，地上发亮处是水，背着月光走地上暗处是水 C.迎着月光走或背着月光走，都应是地上发亮处是水 D.迎着月光走或背着月光走，都应是地上暗处是水 探究平面镜成像的特点 基础训练 1.平面镜能成像是由于平面镜对光的————射作用，所称的想不能在光屏上 呈现， 是————像，为了探究平面镜成像的特点，可以用————代替平面镜，选用两只 相同的蜡烛是为了————。
初中物理光学综合测试卷 一、选择题：（共24分，每小题2分，1、2题为双选,其余为单选） 1、下列叙述中用到了与图1所示物理规律相同的是( ) A．“海市蜃楼” B.“杯弓蛇影” C.“凿壁偷光” D.“立竿见影” 2、关于以下四种光学仪器的成像情况说法正确的是( ) A.放大镜成正立放大的实像 B.照相机成倒立缩小的实像 C.潜望镜成正立等大的虚像 D.幻灯机成正立放大的实像 3、晚上，在桌面上铺一张白纸，把一小块平面镜放在纸上，让 手电筒的光正对着平面镜照射，如图2所示，则从侧面看去：（）图1 A．镜子比较亮，它发生了镜面反射 B．镜子比较暗，它发生了镜面反射 C．白纸比较亮，它发生了镜面反射 D．白纸比较暗，它发生了漫反射 4、夜晚，人经过高挂的路灯下，其影长变化是（） A．变长 B.变短 C.先短后长 D.先长后短图2 6、光从空气斜射向水面发生折射时，图3所示的光路图中正确的是( ) 图3 7、潜水员在水中看见岸上的“景物”实质是( ) A. 景物的虚像，像在景物的上方 B. 景物的实像，像在景物的下方 C. 景物的实像，像在景物的上方 D.景物的虚像，像在最物的下方 8、如图4所示，小明家的小猫在平面镜前欣赏自己的全身像，此时它所看到的全身像应是图中的（） 图4 图5 9、如右上图5所示有束光线射入杯底形成光斑，逐渐往杯中加水，光斑将（） A、向右移动 B、向左移动 C、不动 D、无法确定 11、图6所示的四种现象中,由于光的折射形成的是( ) 图6
二、填空题（共30分，每空1分） 13、都说景德镇瑶里风光很美“鱼在天上飞，鸟在水里游”，这美景奇观中的“鱼”是由于 光的形成的像；“鸟”是由于光的形成的像。 14、1997年3月9日，在我国漠河地区出 现了“日全食”现象，图7中表示日 全食对太阳、地球、月球的位置，则 图中的A是，B是。 这是由于形成的。图7 15、太阳发出的光到达地球需要500s，地球与太阳间的距离约为km。 16、如图8所示，将一块厚玻璃放在一支铅笔上，看上去铅笔似乎被分 成了三段，这是光的现象。 17、一条光线垂直射向平面镜，反射光线与入射光线 的夹角是度，若保持光的传播方向不变， 而将平面镜沿逆时针方向转动20°角,则反射光线 又与入射光线的夹角是度。图8 19、丹丹同学身高1.5m，站在平面镜前3m处，她的像到镜面的距离为_______m，像高是 m；若将一块和平面镜一般大的木板放在镜子后1m处如图10所示，这时她_______（填“能”或“不能”）在镜中看到自己的像。若她以0.5m/s的速度向平面镜靠近，则像相对于人的速度为m/s，像的大小（填变大、变小或不变）。 图10 图11 20、图11为光从玻璃斜射人空气的光路图,由图可知，反射角是度，折射角是 度。 三、作图或简答题（共18分，每小题2分） 23、平面镜反射光的方向如图14所示，请你在图上作出入射光线并标明入射角的 大小。 24、根据平面镜成像的特点画出图15中物体AB在平面镜MN中所成的像。 25、如图16所示，AB是由点光源S发出的一条入射光线，CD是由S发出的另一条入射光 线的反射光线，请在图中画出点光源S的位置。 图14 图15 图16 26、如图17所示，太阳光与水平面成60度角，要利用平面镜使太阳光沿竖直方向照亮井底，
光学系统像差测量实验 RLE-ME01 实 验 讲 义 版本：2012 发布日期：2012年8月
前言 实际光学系统与理想光学系统成像的差异称为像差。光学系统成像的差异是《工程光学》课程重要章节，也是教学的难点章节，针对此知识点的教学实验产品匮乏。RealLight?开发的像差测量实验采用专门设计的像差镜头，像差现象清晰；涉及知识点紧贴像差理论的重点内容，是学生掌握像差理论的非常理想的教学实验系统。
目录 1．光学系统像差的计算机模拟 1.1.引言---------------------------------------------1 1.2.实验目的-----------------------------------------1 1.3.实验原理-----------------------------------------1 1.4.实验仪器-----------------------------------------4 1.5.实验步骤-----------------------------------------4 1.6.思考题-------------------------------------------5 2. 平行光管的调节使用及位置色差的测量 2.1.引言---------------------------------------------6 2.2.实验目的-----------------------------------------6 2.3.实验原理-----------------------------------------6 2.4.实验仪器-----------------------------------------7 2.5.实验步骤-----------------------------------------8 2.6.实验数据处理-------------------------------------9 2.7.思考题-------------------------------------------9 3. 星点法观测光学系统单色像差 3.1.引言---------------------------------------------10 3.2.实验目的-----------------------------------------10 3.3.实验原理-----------------------------------------10
物理光学实验题及答案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN
第三章光学 （一）概述 光学的学生实验共有4个，它们分别是“光反射时的规律”、“平面镜成像的特点”、“色光的混合与颜料的混合”、“探究凸透镜成像的规律”。（二）光学探究实验对技能的要求 1.明确探究目的、原理、器材和步骤。 2.会正确使用各种实验器材，知道它们的摆放要求。 3.知道各种器材在实验实践与探究能力指导 中的作用，并能根据实验原理、目的，选择除教科书规定仪器之外的其他器材完成实验。 4.会设计实验步骤并按合理步骤进行实验。 5会设计实验报告，会填写实验报告。 6.会正确记录实验数据。 7.会组装器材并进行实验。 8.明确要观察内容，会观察实验现象，并能解释实验中的一般问题。 9.会分析实验现象和数据，并归纳实验结果。 实验与探究能力培养 探究光反射时的规律 基础训练 1.为了探究光反射时的规律，小明进行了如图19所示的实验 （1）请在图19中标出反射角的度数。 （2）小明想探究反射光线与入射光线是否在同一平面内，他应如何操作？--————————————————————————————————。（3）如果让光线逆着OF的方向射向镜面，会发现反射光线沿着OE方向射出，这表明：————————————————————————————————。
图19 2.雨后天晴的夜晚，为了不踩到地上的积水，下列判断中正确的是（）。 A.迎着月光走，地上暗处是水，背着月光走地上发亮处是水 B.迎着月光走，地上发亮处是水，背着月光走地上暗处是水 C.迎着月光走或背着月光走，都应是地上发亮处是水 D.迎着月光走或背着月光走，都应是地上暗处是水 探究平面镜成像的特点 基础训练 1. 平面镜能成像是由于平面镜对光的————射作用，所称的想不能在光屏上 呈现， 是————像，为了探究平面镜成像的特点，可以用————代替平面镜，选用两只 相同的蜡烛是为了————。 2.水平桌面上放置一平面镜，镜面与桌面成45度角，小球沿着桌面向镜滚去，如图5-3所示，那么镜中小球的像如何云动？5—3
光电综合实验
课程名称及性质：光电技术综合实验必修课 英文名称：Comprehensive Optical Experiment 课程编号：110129 课程类别：实践教学环节 课程总学时：56 实验学时：56 开设学期：5、6、7 面向专业：电子科学与技术 一、课程的目的与任务 按照专业教学计划，本课程是在大学物理实验的基础上，按循序渐近的原则，学习并掌握光电技术实验的原理，基础仪器设备（包括基本光学仪器、光电子学仪器、光电转换仪器等）组成，它们的调整技术及使用方法，通过实验对光电技术基本的常用元器件（包括各种形式光源、光电探测器件、光学调制解调器件等）的特性及使用规范有初步的了解。选择一些设计性和工程应用性较强的（电路设计、纤维光学）实验，培养学生在光电技术方面的科学实验能力，提高学生的动手能力和科学研究能力。 二、实验教学的基本要求 第一阶段：要求了解掌握典型光学基础实验，重点掌握基本光学（物理光学、近代光学等）仪器的使用，（实验序号1-4），共16学时。 第二阶段：实验重点在光电探测技术与光电探测器性能测量实验方面，（实验序号5-15）选择24学时。 第三阶段：为提高学生的独立实验技能和解决实际问题的能力，选择一些有一定应用背景的光电类设计性实验（实验序号16-31）选择16学时。 三、实验项目、内容及学时分配 序实验项目提要学时分实验实验
号配类型地点 1 绪论及单色仪实验实验注意事项、安排与要求；通过 实验了解单色仪原理，利用单色仪 测量汞灯光源各个谱线的波长 4 验证 光电技术 综合实验 室 2 Michelson干涉的调节与 使用利用Michelson干涉仪测汞灯光 源绿光波长，了解双光束干涉的 特点 4 验证 光电技术 综合实验 室 3 声光效应实验调节并观察声光衍射实验曲线， 利用声光效应测定声光介质中超 声波速度。 4 验证 4 F—P干涉实验用F—P干涉仪测汞灯绿光波长， 观察钠灯双线F—P干涉花样，了 解多光束干涉的特点。 4 验证 5 可见光分光光度计实验分光光度计测液体的吸收特性 4 验证 6 电光效应电光调制 4 验证7 光电倍增管静态和时间 特性的测试 测试光电倍增管静态和时间特性 4 验证8 发光管(LED)的发射光谱 测量 测量发光二极管的发射光谱 4 验证 9 光导管光谱响应测量光导管光谱响应测量 4 验证 10 半导体泵浦激光实验半导体泵浦激光原理 4 验证 11 黑体测量实验黑体辐射测量 4 综合 12 单光子计数实验单光子计数测量实验 4 验证 13 多功能激光椭园偏振仪 实验 激光椭园偏振测量 4 验证 14 自动数显旋光仪实验旋光度测量 4 验证 15 硅光电池光谱特性测量硅光电池相对光谱响应的测量 4 验证 16 温度传感器及测量电路 设计 温度传感器元件应用8 设计
一、光的反射： 例：为了探究光反射时的规律，某同学将一个平面镜放在水平桌面上，再把纸板ENF放置在平面镜上，如图甲所示 1、让光沿着白纸的表面照射，这样做的目的是显示光的传播路径 2、使一束光贴着纸板EON沿某一角度入射到O点，纸板FON上观察到了反射光；接着他让白纸沿ON折叠90°，这时他只观察到了入射光，而反射光在纸上看不到了，这样做的目的是探究反射光线、入射光线和法线在同一平面上； 3、其中使用可绕ON转动的纸板的目的是①呈现反射光线；②验证反射光线与入射光线及法线在同一平面内 4、使一束光贴着纸板EON沿某一角度入射到O点，纸板FON上没有观察到反射光，原因可能是纸板EON与FON不在同一平面上（纸板没有与平面镜垂直） 5、正确操作实验，并在纸板上记录每次光的径迹，如图乙所示．取下纸板，接下来进行的操作是测量入射角和对应反射角的大小，将数据记录在表格中，并比较反射角与入射角 6、为了得到反射角等于入射角的规律，应当改变入射角大小，进行多次实验，进行多次测量． 7、实验中，放置平面镜和白纸的顺序是：先把一个小平面镜竖直立在一块长方 形木板上，然后把一张白纸平铺在木板上，使白纸边缘紧贴平面镜放置，而不 是先放白纸再把平面镜竖直立在白纸上，这样做的好处是什么？ 因为法线与镜面垂直，所以先把一个小平面镜竖直立在一块长方形木板上，然 后把一张白纸平铺在木板上，使白纸边缘紧贴平面镜放置，这样能准确确定白 纸的镜面的垂直关系，而先放白纸再把平面镜竖直立在白纸上，若桌面不是水 平的，那么白纸和平面镜就不一定垂直，因此不是先放白纸再把平面镜竖直立在白纸上． 二、平面镜成像： 进行探究“平面镜成像特点”的实验．实验步骤如下： （1）将一块薄玻璃板竖直立在铺有白纸的水平桌面上； （2）取两支相同的蜡烛A和蜡烛B，点燃玻璃板前的蜡烛A，并移动玻璃板后的蜡烛B，使它与蜡烛A在玻璃板后所成的像完全重合，并用笔在白纸上标记出蜡烛A和蜡烛B的位置；（3）多次改变蜡烛A的位置，重复前面的步骤； （4）用刻度尺分别测量蜡烛A和蜡烛B到玻璃板的距离． 在此实验中：
1：概述： 2：单色像差：由于光线系统的成像均具有一定的孔径和视场，对不同孔径的入射光线其成 像的位置不同，不同的视场的入射光线其成像的倍率也不同，子午面和弧失 面光束成像的性质也不同。故单色光成像会产生性质不同的5种像差。 色差：白光进入光学系统后，由于折射率不同而有不同的光程，导致了不同色光成像 的大小和位置也不相同，这种不同色光的成像差异称为色差。 波像差：由于衍射现象的存在，经过光学系统形成的波面已不是球面，实际波与理想波 的偏差称为~~，简称波差。 3：球差：远轴光线的光路计算结果L ’和U ’随入射高度h 1或孔径角U 1的不同而不同。因 此，轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度h （U) 的光线交光轴与不同位置，相对近轴像点有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向 球差，简称球差。用'L δ表示。'''l L L -=δ 由于球差的存在，在高斯像面上的像点已不再是一个点，而是圆形的弥撒斑，弥 撒斑的半径用'T δ表示，称作垂轴球差，与轴向球差的关系 'tan )''('tan 'U l L U L T -==δδ 球差是入射高度h 1或者孔径角U 1的函数，球差随h 1或者U 1变化，可以有h 1或者U 1的幂级数表示，由于球差具有轴对称性，当h 1或者U 1变号时，球差'L δ不变，故不存在奇次幂；当h 1或者U 1为0时，''l L -=0，'L δ=0故无常数项；球差是轴上点像差，与视场无关，故展开式......'422211++=h A h A L δ或者......'4 22211++=U a U a L δ。 习题6-6：球面反射镜有几个无球差点？ 2个。 像几何像差：基于几何光波像差：基于波动关学 由于衍射存在，理想球面波成像后其波面已不是单色像色像由于折射率不同而有不同的光学系统的成像中入射光线的孔径，视场不同，子午面和弧度面光束成像的性质不同 球差 彗差 像散 场曲 畸变 位置色差 倍率色差
初中物理光学实验精选 1. 平面镜成像 1．小明利用平板玻璃、两段完全相同的蜡烛等器材探究平面镜成像的特点。 (1)选用玻璃板的目的是 。 (2)选取两段完全相同蜡烛的目的是 。如果将点燃的蜡烛远离玻璃板， 则像将 移动。 2.．在探究“平面镜成像规律”时 （1） 用平面镜做实验（填“能”与“不能”） （2）用平板玻璃代替平面镜做实验，其好处是： 。 3.．一组同学在探究平面镜成像的特点时，将点燃的蜡烛A 放在玻璃板的一侧，看到玻璃板后有蜡烛的像。 （1）此时用另一个完全相同的蜡烛B 在玻璃板后的纸面 上来回移 动，发现无法让它与蜡烛A 的像完全重合（图甲）。你分析出现 这种情况的原因可能是： 。 （2）解决上面的问题后，蜡烛B 与蜡烛A 的像能够完全重合，说 明 。 （3）图乙是他们经过三次实验后，在白纸上记录的像与 物对应点的位置。他们下一步应该怎样利用和处理这张“白纸” 上的信息得出实验结论。 ____________________________________________。 （4）他们发现，旁边一组同学是将玻璃板和蜡烛放在方格纸上进行 实验的。你认为选择白纸和方格纸哪种做法更好？说出你的理由： ____________________________________________。 2. 凸透镜成像 1．小明用蜡烛、凸透镜和光屏做“探究凸透镜成像的规律”实验（如图）： ⑴要使烛焰的像能成在光屏的中央，应将蜡烛向 ▲ （填“上”或“下”）调整． ⑵烛焰放距凸透镜20cm 处，移动光屏至某位置，在光屏 上得到一个等大清晰的像，则凸透镜的焦距是 cm ． ⑶使烛焰向右移动2cm ，此时应该将光屏向 （填“左” 或“右”）移至另一位置，才能得到一个倒立、 （填“放大”、“缩小”或“等大”）的清晰实 2.在“探究凸透镜成像规律”时，所用的凸透镜的焦距为10cm 。 ①现将凸透镜、蜡烛和光屏放在如图16所示的光具座上进行实验。若图中C 位置上放置光屏，则B 位置上应放置＿＿＿＿＿＿。 ②如图16所示，，现要在光屏上成缩小 的像，蜡烛应向＿＿＿＿＿＿移动，光 屏应向＿＿＿＿＿移动。（填“左”或 “右”） 3.关于凸透镜： （1）在探究凸透镜成像的实验中，王聪同学先将凸透镜对着太阳光， 调整凸透镜和白纸间的距离，直到太阳光在白纸上会聚成一个最小、 最亮的点，如图所示，这一操作的目的是 ； 图乙 原放置 玻璃板图甲 纸
几何光学综合实验公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
几何光学综合实验实验报告 一、实验目的与实验仪器 实验目的： 1、了解透镜的成像规律。 2、学习调节光学系统共轴。 3、掌握利用焦距仪测量薄透镜焦距的方法。 实验仪器： JGX-1型几何光学实验装置，含光源、平面镜、透镜、目镜、测微目镜、透镜架、节点架、通用底座、物屏、像屏、微尺、毫米尺、标尺、幻灯片等。 二、实验原理 1）贝塞尔法测凸透镜焦距：贝塞尔发是一种通过两次成像能够比较精确地测定凸透镜焦距的方法，物屏和像屏距离为l（l>4f），凸透镜在 O1、O2两个位置分别在像屏上成放大和缩小的像，成放大的像时，有 1/u+1/v=1/f,成缩小的像时，有1/（u+d）+1/(v-d)=1/f,又由于u+v=l,可得f=(l2-d2)/4l。 2）自准法测凸透镜焦距：物体AB置于凸透镜L焦平面上，物体各点发出的光线经透镜折射后成为平行光束（包括不同方向的平行光），有平面镜M反射回去仍为平行光束，镜头经汇聚必成一个倒立放大的实像
A’B’于原焦平面上，能比较迅速直接测得焦距的数值。子准发也是光学仪器调节中常用的重要方法。 3）物距-像距法测凹透镜焦距：将凹透镜与凸透镜组成透镜组，用凸透镜L1使物AB成缩小到里的实像A’B’，然后将待测凹透镜L2置于凸透镜L1与像A’B’之间，如果O’B’<|f2|（凹透镜焦距），则通过L1的光束经过L2折射后，仍能成一实像A’’B’’。对凹透镜来 讲,A’B’为虚物，物距u=O’B’,像距v=O’B’’,代入成像公式可计算出凹透镜焦距。 三、实验步骤 1.光学元件共轴等高的调节 （1）粗调将光源透镜物屏像屏靠近，调节高度使其中心线处于一条直线上。 （2）细调主要依靠仪器和光学成像规律来鉴别和调节。可以利用多次成像的方法，即只有当物的中心位于光轴上时，多次成像的中心才会重合。 2.透镜焦距的测定 1）自准法测薄透镜焦距 （1）按光源、物屏、透镜、平面镜从左到右摆放仪器，调至共轴。 （2）靠紧尺子移动L直至物屏上获得镂空图案倒立实像。 （3）调平面镜与凸透镜，使像最清晰且与物等大，充满同一圆面积。
c 2?解：由 n -得: v I =30 °有几何关系可得该店反射和折射的光线间的夹角为 6、若水面下 200mm 处有一发光点，我们在水面上能看到被该发光点照亮的范围 （圆直 径） 有多大？ 解：已知水的折射率为 1.333,。由全反射的知识知光从水中到空气中传播时临界角为： 1 Sin l m 半= =0.75，可得I m =48.59 ； tanl m =1.13389，由几何关系可得被该发光点照 n 1.333 光在水中的传播速度：V 水 3 1Q8(m/S) 2.25(m/s) 1.333 光在玻璃中的传播速度：v 玻璃 C 3 1 沁 1.818(m/s) 1.65 n 玻璃 5米的路灯（设为点光源）1.5米处，求其影子长度。 1 7 x 解：根据光的直线传播。设其影子长度为 X ,则有 可得x =0.773米 5 1.5 x 4.一针孔照相机对一物体于屏上形成一 60毫米高的像。若将屏拉远 70毫米。试求针孔到屏间的原始距离。 3?—高度为1.7米的人立于离高度为 50毫米，则像的高度为 解：根据光的直线传播，设针孔到屏间的原始距离为 X ，则有 卫_ 50 x 60 可得x =300 (毫米) x 5.有一光线以60 的入射角入射于■:'的磨光玻璃球的任一点上, 到球表面的另一点上，试求在该点反射和折射的光线间的夹角。 其折射光线继续传播 解：根据光的反射定律得反射角 I =60 °而有折射定律 n sin I nsin I 可得到折射角 90 °
亮的范围（圆直径）是2*200*1.13389=453.6（mm） 7、入射到折射率为；- ..「1二的等直角棱镜的一束会聚光束（见图1-3）,若要求在斜面上发生全反射，试求光束的最大孔径角--' 解：当会聚光入射到直角棱镜上时，对孔径角有一定的限制，超过这个限制，就不会发生全反射了。 1 由sinl m —,得临界角I m 41.26 n 得从直角边出射时，入射角i 180 l m 90 45 3.74 由折射定律■S匹丄，得U 5.68即2U 11.36 sinU n
物理光学实验 华中科技大学光电子科学与工程学院 2011.9
前言 本实验教材是根据光电子科学与工程学院物理光学教学大纲中规定的实验要求选编的。 本实验教材共选入8个实验。内容涉及光的干涉、衍射、偏振等方面。 本实验教材所列实验项目均选自本院物理光学实验室参编及长期使用的《物理光学实验》，适用于光电子信息类专业学生使用，亦可作为非光电类专业学生的选修教材。
光学实验室的一般规则 光学实验要求测量精度高，所用仪器和装置比较精密，对测量条件、周围环境以及对实验者的实验技能都有较高的要求。因此，在做实验之前，除必须认真阅读实验教材及有关资料，了解清楚实验的目的、原理、方法、步骤和要求外，进入实验室后还必须自觉遵守实验室的规则和对某些实验的特殊要求。现将实验室的一般规则叙述如下： 1.光学仪器多是精密贵重仪器。取放仪器时，思想要集中，动作要轻、慢。在没有了解清楚仪器的使用方法之前，切勿乱拧螺丝，碰动仪器或随意接通电源。 2.大部分光学元件用玻璃制成，光学面经过精细抛光，一般都具有Ra0.010的粗糙度。使用时要轻拿轻放，勿使元件相互碰撞，挤压，更要避免摔坏；暂时不用的元件，要放回原处，不要随意乱放，以免无意中将其扫落地面导致损坏。 3.人的手指带有汗渍脂类分泌物，用手触摸光学面会污染该光学面，影响其透光性和其它光学性质。因此，任何时候都不能用手去触摸光学表面，只能拿元件的磨砂面。正确的姿势如图所示。 4.不要对着光学元件和光学系统讲话，打喷嚏和咳嗽，以免涎液溅落镜面造成污痕。 5.光学面若落有灰尘，应先用干净、柔软的脱脂毛刷轻轻掸除，或用“橡皮球”吹除。严禁用嘴去吹。一般不能随意擦拭光学表面。必要时可用脱脂棉球蘸上酒精乙醚混合液轻轻擦拭，切忌用布直接擦拭。 6.光学面上若沾有油污等斑渍时，不要立即动手擦拭。因为很多光学表面镀有特殊的光学薄膜，在擦拭之前，一定要了解清楚情况，然后再在教师或实验工作人员指导下，采取相应的措施，精心处理。 7.光学仪器中有很多经过精密加工的部件。如光谱仪和单色仪的狭缝、迈克耳逊干涉仪的蜗轮蜗杆、分光计的读数度盘等，都要小心使用，按规则操作，切忌拆御仪器，乱拧旋钮。 8.要讲究清洁卫生，文明礼貌，不得大声喧哗，打闹。 9.实验完毕，要向指导教师报告实验结果和仪器的使用情况。整理好仪器，填写仪器使用卡，经允许后方可离开实验室。
光学综合实验报告 班级： 姓名： 学号： 日期： 序号实验项目课时实验仪器（台套数）房间指导教师 1 焦距测量 （分别在焦距仪和光学平台上测 量）4 焦距仪（3-4）、 光学平台及配件（1-2） 西北付辉、樊宏 2 典型成像系统的组建和分析 （在光学平台上搭建显微镜、望远 镜、投影仪） 4 光学平台及配件（1-2）东南付辉、樊宏 3 典型成像系统的使用 （使用商用典型成像系统）4 显微镜（3）、望远镜（3）、 水准仪（2） 东南付辉、樊宏 4 分光计的使用 （含调整、测量角度和声速）4 分光计（3-4）、超声光栅 （2） 东南付辉、樊宏 5 棱镜耦合法测波导参数 4 棱镜波导实验仪（2）西南郎贤礼、李建全 6 半导体激光器的光学特性测试 4 半导体激光器实验仪（2）西南郎贤礼、李建全 7 电光调制 4 电光调制仪（2）西南郎贤礼、李建全 8 法拉第效应测试 4 法拉第效应测试仪（2）东北郎贤礼、李建全 9 声光调制 4 声光调制仪（2）西南郎贤礼、李建全
目录 1、焦距测量--------------------------------------4 2、典型成像系统的组建和分析----------------------7 3、典型成像系统的使用----------------------------10 4、分光计的使用----------------------------------10 5、棱镜耦合法测波导参数--------------------------14 6、半导体激光器的光学特性测试--------------------22 7、电光调制--------------------------------------29 8、法拉第效应测试--------------------------------38 9、声光调制--------------------------------------46 10、干涉、衍射和频谱分析--------------------------47 11、迈克尔逊干涉仪--------------------------------58 12、氦氖激光器综合实验----------------------------63
第三章光学 （一）概述 光学的学生实验共有4个，它们分别是“光反射时的规律”、“平面镜成像的特点”、“色光的混合与颜料的混合”、“探究凸透镜成像的规律”。 （二）光学探究实验对技能的要求 1.明确探究目的、原理、器材和步骤。 2.会正确使用各种实验器材，知道它们的摆放要求。 3.知道各种器材在实验实践与探究能力指导 中的作用，并能根据实验原理、目的，选择除教科书规定仪器之外的其他器材完成实验。 4.会设计实验步骤并按合理步骤进行实验。 5会设计实验报告，会填写实验报告。 6.会正确记录实验数据。 7.会组装器材并进行实验。 8.明确要观察内容，会观察实验现象，并能解释实验中的一般问题。 9.会分析实验现象和数据，并归纳实验结果。 实验与探究能力培养 探究光反射时的规律 基础训练 1.为了探究光反射时的规律，小明进行了如图19所示的实验 （1）请在图19中标出反射角的度数。 （2）小明想探究反射光线与入射光线是否在同一平面内，他应如何操作 --————————————————————————————————。 （3）如果让光线逆着OF的方向射向镜面，会发现反射光线沿着OE方向射出，这表明：————————————————————————————————。 图19 2.雨后天晴的夜晚，为了不踩到地上的积水，下列判断中正确的是（）。 A.迎着月光走，地上暗处是水，背着月光走地上发亮处是水 B.迎着月光走，地上发亮处是水，背着月光走地上暗处是水 C.迎着月光走或背着月光走，都应是地上发亮处是水 D.迎着月光走或背着月光走，都应是地上暗处是水
探究平面镜成像的特点 基础训练 1.平面镜能成像是由于平面镜对光的————射作用，所称的想不能在光屏上呈现，是————像，为了探究平面镜成像的特点，可以用————代替平面镜，选用两只 相同的蜡烛是为了————。 2.水平桌面上放置一平面镜，镜面与桌面成45度角，小球沿着桌面向镜滚去，如图5-3所 示，那么镜中小球的像如何云动5—3 3．在“探究平面镜成像特点”的试验中在平薄玻璃板前放一只点燃的蜡烛A，在玻璃板后放上一只相同的蜡烛，如图22所示： （1）移动后面的蜡烛B，直到看上去跟前面的蜡烛A的像完全重合，这样做的目的是（）A验证像与物到镜面的距离相等 B验证像与物的大小相等图22 C验证平面镜所成的是虚像 D验证平面镜成像满足他的反射条件 （2）烛焰在平面镜中所成的像是————像（选填“实”或“虚”）放在图中B处“烛焰” 上的手指————被烧痛（填“会”或“不会”） （3）操作中某同学在桌面上无论怎样调整后方的蜡烛都不能与像重和，其原因可能是—————————————————————————————————————。
第五节光学系统像差实验 一、引言 如果成像系统是理想光学系统, 则同一物点发出的所有光线通过系统以后, 应该聚焦在理想像面上的同一点, 且高度同理想像高一致。但实际光学系统成像不可能完全符合理想, 物点光线通过光学系统后在像空间形成具有复杂几何结构的像散光束, 该像散光束的位置和结构通常用几何像差来描述。 二、实验目的 掌握各种几何像差产生的条件及其基本规律，观察各种像差现象。 三、基本原理 光学系统所成实际像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，像差是由球面本身的特性所决定的，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 轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点（理想像点）有不同程度的偏离，这种偏离 δ'）。如图1-1所示。 称为轴向球差，简称球差（L 图1-1 轴上点球差 2．慧差 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1-2所示。
图1-2 慧差 3.像散 像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主光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： ts t s x x x '''=- 式中，t x ',s x '分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线会得到不同形状的物至理想像面的距离，如图1-3所示。 图1-3 像散 当系统存在像散时，不同的像面位置会得到不同形状的物点像。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。 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1-4所示。 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
初二物理光学实验题专项练习 一、光的反射定律 实验序号入射光线入射角反射角 1 AO 50°50° 2 CO 40°40° 3 EO 20°20° 1．如图1所示为研究光的反射规律的实验装置，其中O点为入射点，ON为法线，面板上每一格对应的角度均为10°．实验时，当入射光为AO时，反射光为OB；当入射光为CO时，反射光为OD；当入射光为EO时，反射光为OF．请完成下列表格的填写． 分析上述数据可得出的初步结论是：当光发生反射时，反射角等于入射 角． 2、如图2是探究光的反射规律的两个步骤 （1） 请你完成以下表格的填写。
实验序号入射角反射角 1 50°50 2 40°40° 3 20°20° （2）实验中，纸板应_“垂直”）__于平面镜。（填“平行”或“垂直”） （3）由甲图我们可以得到的结论是：_____当光发生反射时，反射角等于入 射角 ____； （4）由乙图我们可以得到的结论是：___当光发生反射时，反射光线和入射 光线、法线在同一平面内___。 （5）如果光线沿BO的顺序射向平面镜，则反射光线____会_____（填“会”或“不会”）与OA重合，说明了______当光发生反射时，_光路是可逆的 _ ____。 3、如图3在研究光的反射定律实验中，第一步：如图3A改变入 射光线的角度，观察反射光线角度是怎样改变？实验结论是：_当光发生反射时，反射角等于入射角；第二步：如图3B把纸张的右半面向前折或向后折，观察是否还能看到反射光线，实验结论是：看不到，说明当光发生反射时，反射光线和入射光线、法线在同一平面内。
4、如图4所示，课堂上，老师用一套科学器材进行“研究光的反射定律” 的实验演示，其中有一个可折转的光屏，光屏在实验中的作用是：(写出两条) ①显示光的传播路径，②探究反射光线、入射光线、法线是否共面 实验序号入射角反射角 1 15°75° 2 30°60° 3 45°45° （2）根据光的反射定律，如果入射角为20o，则反射角的大小是 20o。 （3）课后，某同学利用同一套实验器材，选择入射角分别为15o、30o、45o 的三条光线进行实验，结果得到了不同的数据，如图所示。经检查，三次试验中各 角度的测量值都是准确的，但总结的规律却与反射定律相违背。你认为其中的原因 应该是将反射光线与反射面（或镜面）的夹角作为反射角。 5、为了探究光反射时的规律，小明进行了如图5所示的实验。 ⑴请在图5中标出反射角的度数。
1.项目光学系列之一：杨氏双缝干涉matlab 1.基本原理 杨氏干涉实验是两点光源干涉实验的典型代表。杨氏干涉实验以极简单的装置和巧妙构思 实现了普通光源干涉。无论从经典光学还是从现代光学的角度来看，杨氏实验都具有十分 重要的意义。 杨氏双缝实验的装置如图2-18所示，按照惠更斯- 菲涅耳原理，线光源S上的点将作为次波源向前发射次波<球面波），形成交叠的波场。在 较远的地方放置一观察屏，屏上可以观测到一组几乎是平行的直线条纹。 图杨氏干涉实验原理图 2.matlab源代码 clearlam=500e-9。a=2e-3。D=1。ym=5*lam*D/a。xs=ym。n=101。ys=linspace(-ym,ym,n>。for i=1:nr1=sqrt((ys(i>-a/2>.^2+D^2>。r2=sqrt((ys(i>+a/2>.^2+D^2>。phi=2*pi*(r2-r1>./lam。B(i,:>=sum(4*cos(phi/2>.^2>。endN=255。Br=(B/4.0>*N。subplot(1,2,1>image(xs,ys,Br>。colormap(gray(N>>。subplot(1,2,2>plot(B,ys> 3.实验现象
2. 项目光学系列之二：等倾干涉matlab 2.1 基本原理 等倾干涉是薄膜干涉的一种。薄膜此时是均匀的，光线以倾角i入射，上下两条反射光线经过透镜作用会汇聚一起，形成干涉。
图等倾干涉薄膜 因为入射角相同的光经薄膜两表面反射形成的反射光在相遇点有相同的光程差，也就是说，凡入射角相同的就形成同一条纹，故这些倾斜度不同的光束经薄膜反射所形成的干涉花样是一些明暗相间的同心圆环．这种干涉称为等倾干涉。倾角i相同时，干涉情况一样<因此叫做“等倾干涉”） 2.2 matlab源代码 %等倾干涉 clear all close all clc %% k=2000。 s=500。 D=0.2。 bochang=s*10^(-9>。 theta=0.15。 d=k*bochang/4。 rMax=D*tan(theta/2>。 N=501。 fori=1:N
几何光学综合实验〃实验报告 【实验仪器】 带有毛玻璃的白炽灯光源、物屏、1/10分划板、凸透镜2个、白屏、目镜、测微目镜、二维调整架2个、可变口径二维架、读数显微镜架、幻灯底片、干板架、滑座5个、导轨。 【实验内容（提纲）】 一、测量透镜焦距 1、自成像法测量凸透镜（标称f=190mm ）的焦距。 测3次。翻转透镜及物屏，再测3次。求平均。 2、两次成像法测量凸透镜（标称f=190mm ）的焦距。 测3次。 3、放大倍数法测量目镜焦距。 至少测5次，做直线拟合求焦距。 二、组装望远镜 用第一部分测量的凸透镜和目镜组装望远镜。调节透镜高低、方向以及水平位置，使能看清楚远处的标尺。画出光路图，标明元件参数。用照相法测量放大倍数。 三、组装显微镜、投影机：画出光路图，标明元件参数。 【注意事项】 1、光学元件使用时要轻拿轻放。 2、注意保持光学元件表面清洁，不要用手触摸，用完后放回防尘袋。 3、光源点亮一段时间后温度很高，不要触摸，以防烫伤。 4、本实验光学元件比较多，实验前后注意清点，不要搞混 【实验一·测量透镜焦距】 〃自成像法 把凸透镜放在十字光阑前面，是两者等高共轴。在凸透镜后放一平面反射镜，使通过透镜的光线反射回去。仔细调节透镜与物间的距离，直到在物面上得到十字叉丝的清晰像为止。这时物与透镜的距离即为透镜的焦距。用该方法测量透镜的焦距十分简便。光学实验中经常用这种方法调节出平行光。例如平行光管射出的平行光就是用此方法产生的。 〃两次成像法 这种方法也称为共轭法或贝塞尔法 这种方法使用的测量器具与前 面相同。其特点是物与屏的距离L 保持一固定的值，且使f L '>4。通 过移动透镜，可在屏上得到两次清 晰的像。如左图，透镜在位置I 得到 放大的像；在位置II 得到缩小的像。 由左图可知 s s d s s L '--='+-=, d 为透镜两次成像所移动的距离。由 此可得：
3.光学实验专题复习（3课时） 1.探究：光反射时的规律 一、知识考点 实验目的探究光反射时遵循什么规律 实验器材平面镜、纸板、激光电筒、、笔。 实验装置 ' 实验步骤①把平面镜放在桌面上，把纸板竖直地立在平面镜上，纸板上的直线ON垂直于镜面； 】 ②让一束光贴着纸板沿着某一角度射到o点，经平面镜反射，沿另一个方向射出，在纸板上用笔描出和的路经； ③改变光束的入射方向，重做一次，用另一种颜色的笔描出入射光和反射光的路经； ④取下纸板，用分别测量两次的入射角和反射角，记录在下表中； ⑤把纸板一半向前折或向后折，不能看到反射光线； , 实验数据* 实验次数入射角i反射角r 1— 30° 30°245° 360°
实验结论 （1）在反射现象中，反射光线、入射光线和法线都在同一个 ； （2）反射光线，入射光线分居在法线的 ； （3）反射角 入射角。 二、解答方法 " 做到“七会”： 1.会提出探究的问题； 2.会选择实验器材； 3.会安装实验装置； 4.会设计实验表格； 5.会操作实验步骤； 6.会分析实验数据得出结论； 7.会对实验进行评估。 三、典型例题 例题.如图所示，小明和小刚两位同学用激光手电、平面镜、白色硬纸板和量角器做光的反射规律实验，实验数据如下表： ， 从这些数据得出的结论是： （1）入射光线偏离法线，反射光线_____ 法线；入射角增大，反射角________ ； （2）反射角_______ 入射角。（填“大于、小于、等于”）； （3）当把纸板B 向后折，不能看到反射光线，说明 ； （4）入射光线垂直平面镜时，反射角为_______ 度。 四、达标检测 、 1.如图是小明探究光的反射规律的实验装置，在平面镜上放置一块硬纸板，纸板由可以 绕ON 转动的E 、F 两部分组成。 入射光线与法线的夹角 反射光线与法线的夹角 450 ， 45 300 300 600 600
本科实验报告 课程名称：姓名：系：专业：学号：指导教师： 物理光学实验郭天翱 光电信息工程学系信息工程（光电系） 3100101228 蒋凌颖 2012年1 月7日 实验报告 实验名称：夫琅和弗衍射光强分布记录实验类型：_________ 课程名称：__物理光学实验_指导老师：_蒋凌颖__成绩： 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．掌握单缝和多缝的夫琅和费衍射光路的布置和光强分布特点。 2．掌握一种测量单缝宽度的方法。 3．了解光强分布自动记录的方法。 二、实验内容 一束单色平面光波垂直入射到单狭缝平面上，在其后透镜焦平面上得到单狭缝的夫琅禾费衍射花样，其光强分布为： i?i0( 装 式中 sin? ? ) 2 （1） 订 ?? 线 ??sin?? （2） ?为单缝宽度，?为入射光波长，?为考察点相应的衍射角。i0为衍射场中心点（??0处）的光强。如图一所示。 由（1）式可见，随着?的增大，i有一系列极大值和极小值。极小值条件 asin??n?(n?1,n?2) （3） 是： 如果测得某一级极值的位置，即可求得单缝的宽度。 如果将上述单缝换成若干宽度相等，等距平行排列的单缝组合——多缝，则透镜焦面上得到的多缝夫琅禾费衍射花样，其光强分布： n? sin?2 )2 i?i0()( ?
2 （4） sin 式中 ?? sin??2???dsin? ? ?? （5） ?为单缝宽度，d为相邻单缝间的间距，n为被照明的单缝数，?为考察点相应的衍射角；i0为衍射中心点（??0处）的光强。 n? )2 (sin?2() 2称?为单缝衍射因子，为多缝干涉因子。前者决定了衍射花 sin （干涉）极大的条件是dsin??m?(m?0,?1,?2......)。 dsin??(m? m )?(m?0,?1,?2......;m?1,2,.......,n?1)n 样主极大的相对强度，后者决定了主极大的位置。 （干涉）极小的条件是 当某一考虑点的衍射角满足干涉主极大条件而同时又满足单缝衍射极小值条件，该点的光强度实际为0/，主极大并不出现，称该机主极大缺级。显然当d/??m/n为整数时，相应的m 级主极大为缺级。 不难理解，在每个相邻干涉主极大之间有n-1个干涉极小；两个相邻干涉极小之间有一个干涉次级大，而两个相邻干涉主级之间共有n-2个次级大。 三、主要仪器设备 激光器、扩束镜、准直镜、衍射屏、会聚镜、光电接收扫描器、自动平衡记录仪。 四、操作方法和实验步骤 1．调整实验系统 （1）按上图所示安排系统。 （2）开启激光器电源，调整光学元件等高同轴，光斑均匀，亮度合适。（3）选择衍射板中的任一图形，使产生衍射花样，在白屏上清晰显示。 （4）将ccd的输出视频电缆接入电脑主机视频输出端，将白屏更换为焦距为100mm的透镜。 （5）调整透镜位置，使衍射光强能完全进入ccd。 （6）开启电脑电源，点击“光强分布测定仪分析系统”便进入本软件的主界面，进入系统的主界面后，点击“视频卡”下的“连接视频卡”项，打开一个实时采集窗口，调整透镜与ccd的距离，使电脑显示屏能清晰显示衍射图样，并调整起偏/检偏器件组，使光强达到适当的强度，将采集的图像保存为bmp、jpg两种格式的图片。 2．测量单缝夫琅和费衍射的光强分布（1）选定一条单狭缝作为衍射元件（2）运用光强分布智能分析软件在屏幕上显示衍射图像，并绘制出光强分布曲线。 （3）对实验曲线进行测量，计算狭缝的宽度。 3．观察衍射图样 将衍射板上的图形一次移入光路，观察光强分布的水平、垂直坐标图或三维图形。