光学系统像差理论综合实验.doc
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第1篇一、实验目的本次实验旨在通过光学像差实验,加深对光学像差的理解,掌握光学像差的基本原理和分类,并学会使用光学仪器测量和评估光学系统的像差。
二、实验原理光学像差是光学系统中存在的缺陷,会导致成像质量下降。
根据像差与颜色是否有关、像差是轴上点产生的还是轴外点产生的,可以将像差分为多种类型,如球差、慧差、像散、场曲、畸变等。
三、实验仪器与材料1. 光学系统:包括透镜、反射镜、光阑、光束整形器等;2. 光源:激光器;3. 探测器:光电探测器;4. 仪器:成像系统、光束整形器、光路控制器等。
四、实验内容1. 实验一:测量球差(1)搭建实验光路,将光源、透镜、光阑、探测器等按顺序连接;(2)调整光路,使光线通过透镜后聚焦到探测器上;(3)改变物距,记录不同物距下探测器的信号强度;(4)分析信号强度与物距的关系,得出球差值。
2. 实验二:测量慧差(1)搭建实验光路,将光源、透镜、光阑、探测器等按顺序连接;(2)调整光路,使光线通过透镜后聚焦到探测器上;(3)改变光轴倾斜角度,记录不同倾斜角度下探测器的信号强度;(4)分析信号强度与倾斜角度的关系,得出慧差值。
3. 实验三:测量像散(1)搭建实验光路,将光源、透镜、光阑、探测器等按顺序连接;(2)调整光路,使光线通过透镜后聚焦到探测器上;(3)改变光轴倾斜角度,记录不同倾斜角度下探测器的信号强度;(4)分析信号强度与倾斜角度的关系,得出像散值。
4. 实验四:测量场曲(1)搭建实验光路,将光源、透镜、光阑、探测器等按顺序连接;(2)调整光路,使光线通过透镜后聚焦到探测器上;(3)改变物距,记录不同物距下探测器的信号强度;(4)分析信号强度与物距的关系,得出场曲值。
5. 实验五:测量畸变(1)搭建实验光路,将光源、透镜、光阑、探测器等按顺序连接;(2)调整光路,使光线通过透镜后聚焦到探测器上;(3)改变物距,记录不同物距下探测器的信号强度;(4)分析信号强度与物距的关系,得出畸变值。
第1篇一、实验目的1. 理解光学像差的产生原理及分类;2. 掌握光学像差实验的基本方法;3. 通过实验观察不同类型的光学像差,加深对光学像差理论的理解。
二、实验原理光学像差是指实际光学系统在成像过程中,由于光线传播路径的偏差,导致成像质量下降的现象。
根据像差是否与颜色有关,可以分为色像差和色差;根据像差产生的位置,可以分为轴上像差和轴外像差。
本实验主要研究球差、彗差、像散和场曲等基本像差。
球差是由于光线在通过透镜时,不同入射角度的光线在像平面上聚焦到不同的位置,导致成像质量下降;彗差是由于光线在通过透镜时,同一入射角度的光线在像平面上聚焦到不同的位置,导致成像质量下降;像散是由于光线在通过透镜时,同一入射角度的光线在像平面上聚焦到不同的位置,导致成像质量下降;场曲是由于光线在通过透镜时,不同高度的光线在像平面上聚焦到不同的位置,导致成像质量下降。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器:光学像差实验装置、光源、光阑、成像屏、光具座等;2. 实验材料:不同焦距的透镜、不同形状的光阑、成像屏等。
四、实验步骤1. 准备实验装置,将光源、光阑、透镜、成像屏等按照实验要求放置在光具座上;2. 调整光具座,使光源发出的光线垂直照射到透镜上;3. 观察不同类型的光学像差现象,并记录实验数据;4. 分析实验数据,得出结论。
五、实验结果与分析1. 球差实验:观察不同焦距的透镜在成像过程中的球差现象,发现球差随着焦距的增加而增大;2. 彗差实验:观察不同形状的光阑在成像过程中的彗差现象,发现彗差随着光阑形状的变化而变化;3. 像散实验:观察不同高度的光线在成像过程中的像散现象,发现像散随着高度的增加而增大;4. 场曲实验:观察不同高度的光线在成像过程中的场曲现象,发现场曲随着高度的增加而增大。
六、实验结论1. 光学像差是实际光学系统在成像过程中普遍存在的一种现象,对成像质量有较大影响;2. 通过实验,掌握了光学像差实验的基本方法,加深了对光学像差理论的理解;3. 在光学系统设计过程中,应充分考虑像差的影响,采取相应的措施进行像差校正,以提高成像质量。
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---------------------------------------------11.2.实验目的-----------------------------------------11.3.实验原理-----------------------------------------11.4.实验仪器-----------------------------------------41.5.实验步骤-----------------------------------------41.6.思考题-------------------------------------------52. 平行光管的调节使用及位置色差的测量2.1.引言---------------------------------------------62.2.实验目的-----------------------------------------62.3.实验原理-----------------------------------------62.4.实验仪器-----------------------------------------72.5.实验步骤-----------------------------------------82.6.实验数据处理-------------------------------------92.7.思考题-------------------------------------------93. 星点法观测光学系统单色像差3.1.引言---------------------------------------------103.2.实验目的-----------------------------------------103.3.实验原理-----------------------------------------103.4.实验仪器-----------------------------------------113.5.实验步骤----------------------------------------123.6.思考题------------------------------------------144. 阴影法测量光学系统像差与刀口仪原理4.1.引言--------------------------------------------154.2.实验目的----------------------------------------154.3.实验原理----------------------------------------154.4.实验仪器----------------------------------------164.5.实验步骤----------------------------------------164.6.思考题------------------------------------------175. 剪切干涉测量光学系统像差5.1.引言--------------------------------------------185.2.实验目的----------------------------------------185.3.实验原理----------------------------------------185.4.实验仪器----------------------------------------215.5.实验步骤----------------------------------------215.6.思考题------------------------------------------266. 参考文献实验1 光学系统像差的计算机模拟1.1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。
实验名称:光学系统设计实验日期:2023年4月10日实验地点:光学实验室实验人员:张三、李四、王五一、实验目的1. 熟悉光学系统设计的基本原理和方法。
2. 学会使用光学设计软件进行光学系统的设计。
3. 通过实验,提高对光学系统性能参数的评估能力。
二、实验原理光学系统设计是根据光学系统的性能要求,运用光学原理和设计方法,选择合适的元件,确定光学系统的结构参数和光学元件的尺寸。
本实验采用ZEMAX软件进行光学系统设计。
三、实验内容1. 设计一个具有特定性能要求的光学系统。
2. 使用ZEMAX软件进行光学系统设计。
3. 优化光学系统,提高其性能。
4. 分析光学系统的性能参数。
四、实验步骤1. 设计光学系统根据实验要求,设计一个成像系统,要求物距为100mm,像距为150mm,放大倍数为1.5倍,系统分辨率为0.1角秒。
2. 使用ZEMAX软件进行光学系统设计(1)创建新的光学设计项目,设置系统参数。
(2)选择合适的透镜材料,创建透镜元件。
(3)根据设计要求,设置透镜的尺寸和位置。
(4)创建光阑,设置光阑的位置和尺寸。
(5)创建探测器,设置探测器的尺寸和位置。
3. 优化光学系统(1)调整透镜的形状和位置,优化系统性能。
(2)调整光阑的位置和尺寸,提高系统分辨率。
(3)调整探测器的位置和尺寸,提高系统成像质量。
4. 分析光学系统的性能参数(1)计算系统的MTF(调制传递函数)和ROI(光圈直径)。
(2)分析系统的像差,包括球差、彗差、场曲、畸变等。
(3)计算系统的入射光束和出射光束的传播方向和光强分布。
五、实验结果与分析1. 光学系统设计结果根据实验要求,设计了一个成像系统,其物距为100mm,像距为150mm,放大倍数为1.5倍,系统分辨率为0.1角秒。
使用ZEMAX软件进行设计,最终得到一个满足要求的光学系统。
2. 光学系统性能分析(1)MTF分析:根据ZEMAX软件的计算结果,该系统的MTF在0.1角秒处达到0.25,满足设计要求。
像差概述实验报告
《像差概述实验报告》
在光学实验中,像差是一个重要的概念,它描述了光学系统在成像过程中产生
的偏差。
像差的存在会影响成像质量,因此对像差的认识和理解对于光学系统
的设计和优化至关重要。
在本次实验中,我们对像差进行了详细的研究和分析。
首先,我们使用了不同
类型的透镜和光学系统,通过调整焦距、孔径和波长等参数,观察了像差在成
像过程中的表现。
实验结果表明,不同类型的像差对成像质量有着不同的影响,其中球差、色差和像散是最常见的像差类型。
在实验过程中,我们还使用了不同的方法和工具来定量分析像差,例如通过点
扩散函数、MTF曲线和像差曲线等方式来评估成像系统的性能。
通过这些定量
分析,我们可以更加深入地了解像差对成像质量的影响,并为光学系统的优化
提供了重要参考。
总的来说,本次实验对像差的概述和分析为我们深入理解光学系统的成像特性
提供了重要的实验基础。
通过对像差的认识和理解,我们可以更好地设计和优
化光学系统,提高成像质量,为光学技术的发展和应用提供了重要的支持。
希
望本次实验报告能够对读者有所启发,引起更多关于像差的研究和探讨。
关于离轴反射光学系统像差特性相关研究本文在轴对称光学系统的矢量波像差理论的根本之上,结合孔径的缩放因子以及偏移矢量,以得到了离轴反射光学系统的像差特性。
经过研究之后我们能够清楚:离轴反射光学系统的像差主要由球差、彗差和像散构成。
因为缩放因子的影响,由此便导致了离轴反射光学系统的像差特性出现不同程度的变小。
同时此系统当中的高阶像差会于系统里引进低阶的像差。
对于轴对称光学系统里的未校正球差来说,系统里除了需要引进球差之外,还需要引进彗差和像散。
对于像差来说,因为偏移矢量的出现,使得离轴反射光学系统的像差已失去原本的旋转对称的属性,这就很可能造成视场发生像差零点的情况。
标签:离轴反射光学系统;像差特性;研究一、理论模型对于离轴反射光学系统来说,它的构造解答程序和轴对称系统的相同,都是在系统的设置、改善的环节而得到系统的离轴。
从视场离轴的系统上分析,它的光阑都是位于系统的光轴上,因此视场离轴光学系统的像差体现模式和轴对称系统的是相同的,只不过在研究的时候取得的是轴对称系统轴外部的视场。
从孔径离轴的系统上研究,将它的光阑和轴对称系统的相比,其会带有很大的压制和偏动现象,因此无法通过视场离轴的系统展开研究。
通常轴对称反射光学系统的初级矢量波像差的公式(1),即:其中,是代表视场归一化矢量;是代表孔径归一化矢量;Wj是代表系统里每个表面的像差系数(ΣW=ΣjWj)。
其中,代表的是孔径归一化矢量;B代表的是孔径缩放因子;代表的是离轴反射系统和轴对称反射系统孔径的偏移矢量。
如果离轴反射光学系统在建设完毕的时候,则B、都应是常数,当中的B应等于1,应等于0。
如果把公式(2)带进公式(1)中就能够得到此系统的初级像差公式(3),即:二、离轴反射光学系统的矢量像差从上述我们得到的离轴反射光学系统的初级像差公式上看,我们便能够得到其矢量的公式。
通过展开公式(3),便得到了矢量波像差的公式(4),即:(一)离轴反射光学系统的球差如果把公式(3)里的第一项展开之后,便能够得到以下的公式(5),即:通过上式我们能够清楚:如果没有校正轴对称光学系统的球差,则相应的系统球差就会减至B4倍,同时轴对称系统的球差不仅需要引进低阶的孔径像差,而且还会涉及到彗差、像散以及畸变等内容。
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:tst 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。
实验光学像差的观察引言:光学像差是指光线通过透镜或者其它光学系统时,在成像过程中产生的偏差或畸变。
在实际的光学系统中,光学像差是难以避免的,但我们可以通过合适的方法来减小或者消除像差,以提高成像质量。
本次实验旨在观察不同类型的光学像差,同时探讨产生像差的原因和解决方案。
实验材料与装置:-凸透镜-狭缝-光源-平面镜-刻度尺-实验台等实验步骤:1.准备工作将凸透镜安装到实验台上,并调整准直系数,使得光线通过透镜时相交于一点。
安装狭缝装置,用于调节光的强度和角度。
将狭缝移至较大距离处,让光线通过狭缝发出。
移动凸透镜,观察在不同位置成像的焦点情况。
注意观察当凸透镜不处于焦点位置时,成像处出现的模糊现象。
将凸透镜移至一侧,使得光线通过透镜的边缘部分,而非中心部分。
调整狭缝位置并观察光线通过透镜后的成像,与在中心处成像时的情况进行比较。
将凸透镜放置在中心位置,调整狭缝位置使得光线通过透镜中心部分。
放置平面镜在凸透镜前方,使得光线经过反射后重新通过透镜。
观察入射光和反射光通过透镜后的成像情况。
5.色差的观察将凸透镜放置在中心位置,使用白色光源。
观察不同颜色的光经过透镜后的折射角度和成像情况。
结果与讨论:1.对焦像差的观察结果可能显示出图像集中于一点时,焦点清晰,而当凸透镜不处于焦点位置时,图像会变得模糊,无法清晰辨认。
2.普通像差的观察结果可能显示出边缘位置的成像会比中心位置产生更大的模糊和偏移。
3.球面像差的观察结果可能显示出反射光和入射光在透镜两侧成像位置不同,产生偏差,导致图像失真。
4.色差的观察结果可能显示出不同颜色的光线在透镜中折射角度不同,导致成像位置和清晰度有所变化。
通过本次实验,我们可以清楚地观察到不同类型的光学像差,并且了解了像差的产生原因。
在实际应用中,可以通过使用复杂的光学系统设计和校正来减小或消除光学像差,提高成像质量。
例如,通过使用非球面透镜和多片镜片组合,可以有效减小球面像差和色差。
光学像差实验报告模板实验报告模板如下:实验名称:光学像差实验实验目的:通过光学像差实验研究光在透镜中的折射和成像规律,并通过调整光源和透镜的位置来观察和分析不同像差的产生原因。
实验原理:1. 光的折射定律:光从一种介质射入另一种介质中时,入射角、折射角和两种介质的折射率之间存在关系。
2. 几何光学成像定律:对于薄透镜成像来说,物距、像距和透镜焦距之间存在关系。
实验材料与装置:1. 凸透镜2. 凹透镜3. 光源(如白炽灯或激光器)4. 物体(如图钉或光栅)5. 物体架6. 屏幕7. 尺子或游标卡尺实验步骤:1. 将凸透镜固定在透镜架上,并将物体放在物体架上。
2. 调整物体和屏幕的位置,使得成像清晰。
3. 测量物体到透镜的距离为物距,屏幕到透镜的距离为像距。
4. 移动物体和屏幕的位置,使得物距和像距改变,观察成像的变化。
5. 重复步骤4,但使用凹透镜进行实验。
实验数据记录与处理:1. 在不同位置下,测量物距和像距的数值,并计算折射率。
2. 记录和观察成像的情况,分析不同物距和像距对成像的影响。
3. 比较凸透镜和凹透镜的成像情况,分析透镜类型对成像的影响。
实验结果与分析:1. 根据实验数据和观察结果,绘制物距与像距的图像,分析其变化趋势。
2. 分析不同物距和像距下的成像特点,包括倒立、放大缩小等。
3. 比较凸透镜和凹透镜的成像规律,分析透镜类型对成像的影响。
4. 讨论光学像差产生的原因,并探讨如何减小或消除光学像差。
实验结论:通过光学像差实验,我们得出以下结论:1. 光从一种介质射入另一种介质时会发生折射,折射规律与入射角、折射角和两种介质的折射率有关。
2. 凸透镜和凹透镜的成像规律有所不同,凸透镜会形成实像,凹透镜会形成虚像。
3. 物距和像距的改变会影响成像的特点,包括倒立、放大缩小等。
4. 光学像差是由透镜形状和光源位置等因素引起的,可以通过调整光源和透镜的位置来减小或消除光学像差。
实验改进与展望:1. 本实验主要研究了透镜的基本成像规律,未涉及更复杂的光学像差和光学仪器调节等内容,可以在以后的实验中进一步研究和探索。
仪器名称:光学系统像差理论综合实验系统数量:2台,国产用途:教学技术指标(所有参数均不能有负偏离):实验内容:设备包含:氦氖激光器、单色LED光源、特殊镜头组件、平行平晶、平行光管、刀口、像差测量软件、CCD,可完成实验内容:1.星点法测量光学系统色差、球差、像散2.星点法观测彗差3.刀口阴影法测量光学系统色差、球差、像散4.像面分析法测量光学系统场曲、畸变5.激光剪切干涉法测量光学系统初级球差技术指标:1.HeNe激光器:波长632.8nm;功率≥2mW,TEM00,安全双开关(钥匙保护开关、船型开关),安全保护高压插头;2.单色LED光源:红、蓝单色,功耗>1W,亮度可调;3.图像传感器:黑白CMOS,靶面尺寸1/1.8″,灵敏度1.6v@550nm/Lux/s,帧率15帧/秒,分辨率1280*1024,USB2.0;4.平行平晶:Φ50,带保护框,光洁度Ⅲ级,平行度《2″;5.平行光管:Ф50,f400,50μm100μm星孔,Ф8mm环状靶心分划板,LED光源接口;6.刀口组件:带保护套,57mm*52mm*6.5mm,刀刃长30mm,可90°45°双向切割光轴,XY双向切割范围25mm;7.环带光阑:Ф30、20、10mm三种环直径,环宽1mm,分别可模拟离轴到近轴光束;8.像差专用软件:剪切干涉法计算离轴距离及初级球差;9.像差镜头:球差镜头、色差镜头、场曲镜头、畸变镜头、彗差镜头、像散镜头10.精密光学导轨:1200mm(长)×100mm(宽),可搭载GCM系列精密光机调整部件;11.精密机械调整架:角度精度±4′,分辨率0.005mm,调节机构保证等双轴等高,横向偏差1′,纵向偏差1′;12.光学元件:BK7A级精密退火材料,焦距±2%,直径-0.2mm,中心偏差3′,光圈1-5;局部误差0.2-0.5,面粗糙度60/40(Scratch/Dig),MgF2增透膜镀膜,有效孔径90%;13.笔记本计算机:15.6英寸全高清屏(1920×1080),cpu:Intel i5,内存:8G,显卡:GTX950M 4G,硬盘:128GSSD+500G仪器名称:光电成像基础与应用实验平台数量:2台,国产用途:教学技术指标(所有参数均不能有负偏离):(一)面阵CCD传感器1、内置CCD传感器(1) 1/3〃,黑/白面阵CCD,有效像元数:768(水平)×576(垂直);(2) 电子快门:1/50~1/80,000秒,自动连续调整;2、外接面阵CCD传感器(1) 1/3〃,彩色面阵CCD,有效像元数:768(水平)×576(垂直);(2) 电子快门:1/50~1/80,000秒,自动连续调整;3、图像采集卡(1) 分辨率:8bit 黑白、彩色8bit×3采集;(2) 接口方式:USB2.0;(二)线阵CCD传感器1、传感器线阵CCD传感器,TCD1206D,有效像元数:2160;像元尺寸:14μm×14μm,相邻像元中心距14μm;2、信号输出电器特性模拟信号输出5V;数字信号输出,TTL电平;3、操作软件兼容Microsoft Windows98、Windows2000、WindowsXP;4、数据采集系统8位分辨率,USB2.0方式,采集速度不低于5MHz的高速数据采集系统;5、光源白色LED远心照明光源;白色LED均匀光源;6、成像物镜焦距:50mm ;相对孔径: 2 ;(三)CMOS传感器彩色CMOS相机参数:1、图像传感器1/4″CMOS彩色2、感光面积4.9mm×3.7mm3、信号系统PAL/NTSC4、有效像素NTSC:768(H)×494(V)5、水平解析度700电视线6、镜头CS/C7、自动增益控制开启/关闭可选择8、背光补偿开启/关闭支持9、电子快门开启/关闭可选择10、信噪比More than 48dB (AGC OFF), 大于48dB (AGC OFF)11、最低照度12、快门速度1/50(1/60)~1/100,000秒13、自动光圈镜头VIDEO/DC 伺服型可支持14、白平衡Auto tracking white balance/自动跟踪白平衡15、同步系统Internal/内同步16、视频输出1.0Vp-p 75Ω(BNC)17、功率消耗Less than 3.5W, 小于3.5W18、插口VIDEO OUT(BNC)19、电源DC 12V 1A20、工作温度-20°C~+55°C黑白CMOS相机参数:1、感光芯片:1/4"OV5116 B/W CMOS2、视频制式:N制3、感光面积:3.2mm*2.5mm4、清晰度:240TV lines(四)数字存储示波器1、带宽:100MHz,2通道+1个外触发通道,独立的时基控制2、实时采样率:2GS/s,等效采样率:50GS/s3、每通道标配28Mpts存储深度;4、灵敏度范围:1mV/div~20V/div宽范围量程5、8” TFT LCD,WVGA(800×480),波形显示更清晰6、30,000wfms/s波形捕获率;7、高达6.5万帧硬件实时波形录制功能;(五)实验内容1、面阵CCD 原理实验;2、面阵CCD驱动实验;3、面阵CCD 数据采集实验;4、面阵CCD边缘与轮廓检测;5、面阵CCD物体的尺寸测量;6、图像的点运算;7、图像的几何变换;8、图像采集与参数设置;9、投影与差影图像分析;10、图像的滤波与增强;11、形态学处理;12、旋转与缩放;13、颜色识别与变换;14、线阵CCD 工作原理与驱动波形观测;15、线阵CCD 模拟输出信号的调整;16、通过采集卡对线阵CCD的模拟输出信号进行A/D转换和数据采集;17、通过软件浮动阈值对CCD的输出信号进行二值化处理;18、利用线阵CCD 对物体尺寸进行非接触的实时测量;19、利用线阵CCD 对物体的角度进行测量;20、利用线阵CCD 测量物体的振动;21、利用线阵CCD识别一维条形码;22、利用线阵CCD扫描物体的二维图像;23、利用外置相机进行实物尺寸测量24、CMOS原理实验;25、CMOS驱动实验;26、CMOS数据采集实验;27、CMOS用于边缘与轮廓检测实验;28、CMOS用于物体的尺寸测量实验;29、CMOS用于图像采集与参数设置实验;30、CMOS用于投影与差影图像分析实验;31、CMOS用于图像的滤波与增强实验;32、CMOS用于颜色识别与变换实验;33、扩展性实验(1)通过提供的CPLD程序,学生可以了解CPLD对外围器件的控制;(2)有能力的学生还可以自己编程来产生方波;(3)通过提供的SDK和DEMO 程序,编写程序来采集扩展相机的数字信号;利用扩展相机并编写软件进行其他如尺寸测量等实验等;(六)配套文件资料及计算机1、实验指导书;2、实验软件;3、一体式计算机:23英寸显示屏,cpu:Intel i5/6200U,内存:8G/2300MHzDDR4,独显NVIDIA GeForce 930A 2GB/2133MHz,硬盘:500GB,7200转仪器名称:光纤光栅传感实验数量:2台,国产用途:教学技术指标(所有参数均不能有负偏离):实验内容:设备包含:SLED光源、光纤光栅解调仪、光纤环形器、光纤跳线、光纤光栅应变传感组件、光纤光栅温度传感器组件,可完成实验内容有:1.光纤光栅解调原理;2.光纤光栅测量微应变;3.温度传感原理与温度测量;4.位移传感原理与位移测量。
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:xts xtxs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,反之亦然。
图1-4 场曲5.畸变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。
二、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。
图 2-3 轴上点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L FC L F L C (2-1)对近轴去表示为l FC lFlC (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,只需对 F 光和 C 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。
四、仪器用具平行光管、色光滤色片、色差镜头、CMOS 相机、电脑、机械调整件等。
五、实验步骤1.参考示意图 2-4,搭建观测位置色差的实验装置。
12 3 4 56图 2-4 位置色差检测装置示意图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. 色差镜头 6. 一维平移台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 25m 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 X1。
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X3。
a b c d e f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 CLFD LFLDLDC LDLC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)。
二、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I ( r ) 2J1 (2 )I okr D r rf F式中,( )I o 为相对强度(在星点衍射像的中间规定为),r为在像平面上I r 1.0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 相机等五、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 4 56图 3-2 轴上光线像差(球差)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. 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。