工程光学实验讲义华南师范大学信息光电子科技学院前言工程光学实验室是光学专业的专业基础实验室。

计划于2012年建成并投入使用，每次可容纳40人进行实验。

对应的实验课程由应用光学实验和物理光学实验两部分组成，是其相应两门理论课程的配套实验室，学生通过实验可获得较完整的光学知识、光学基本理论、基本技能，以进一步学习光信息技术、现代光电子技术的各门课程打下基础。

本实验室主要完成《工程光学》课程的实验环节。

目前，工程光学实验室初步建设完成2个应用光学实验，3个物理光学实验。

应用光学实验包括薄透镜焦距的测量、显微镜和望远镜的特性研究2个实验；物理光学实验包括等厚干涉、多光束等倾干涉（法布里-珀罗干涉仪）、偏振3个基本实验。

带*号的内容为选作实验环节。

2011-12光学实验守则1．请准时进入实验室，保持室内卫生，与实验无关的位物品不准带入实验室。

2．要认真预习实验内容，按老师的要求做好实验预习报告，无预习者不得做实验。

实验后按要求、按时完成实验报告。

3．实验时首先检查所用仪器设备是否齐全完好，了解仪器正确使用方法。

不了解仪器的结构和操作方法时不得动用仪器设备。

4．接通电源时，应注意电源电压，要正确选用仪器所需的相应变压器。

防止损坏仪器及触电的危险。

5．避免直视激光等强光源，眼睛尽量不要停留在与光源平高的位置，以免带来不必要的伤害；6．绝对禁止用手指和不洁物品触摸或擦拭光学零件表面。

7．不得随意动用与本次实验无关的仪器，损坏仪器者要按学校规定赔偿。

8．实验完毕，请整理好仪器设备及室内卫生，经老师检查后方能离开实验室。

实验预习要求1．实验内容：实验目的和老师提出的要求。

2．实验仪器：所使用的仪器和光学物镜。

3．实验原理：实验光路图及公式。

4．实验方法和步骤。

5．实验结果分析。

6．思考题回答。

7．对本实验提出改进意见。

实验报告内容（上交）班级：学号：姓名：1．实际实验光路和步骤简述。

2. 实验数据记录.3．实验结果分析以及结论。

4．思考题回答。

5．对本实验提出改进意见。

备注: 实验报告可以打印或者手写，实验报告上交时间：实验完成后的两周内。

日期：年月日目录实验一薄透镜焦距的测量 (6)实验二望远镜和显微镜实验 (12)实验三偏振现象的观测和分析 (18)附录-实际教学光路图 (27)实验一 薄透镜焦距的测量透镜是各类光学仪器和光学实验的基本光学元件实验目的，掌握透镜的成像规律，学习光路分析和调整技术，对于了解光学仪器的构造、使用及进行光学设计等有很大的帮助。

作为透镜的重要参数之一，焦距指的是透镜主点到焦点的距离。

物体经透镜成像的位置及状态（大小、虚实、正反）均与焦距相关。

焦距值测量的准确度主要取决于主点、焦点定位的准确度。

对于不同的透镜而言，精确测焦有不同的要求。

通过本实验学生可以了解透镜焦距测量的各种方法，以及测量所需的基本仪器和可能达到的准确度，并比较各种测量方法的优缺点；与此同时，学生可通过本实验学会对简单光路的分析和共轴光路的调节方法。

一、 实验目的1 掌握几种测量薄透镜焦距的方法，加深对物像公式及薄透镜成像规律的了解。

2初步掌握光学系统的调节方法。

二、 实验仪器白炽灯，带叉丝的十字形光阑（或带有透明箭头的黑屏等充当物）、待测薄透镜（凸及凹）、接收屏、刻度尺、平面镜、光具座、导轨、平行光管或焦距仪、读数显微镜等。

三、 实验原理1、远物法（利用平行光）测焦距无限远处的物体（如太阳、树木、灯光等）发出的光线近似看作平行光，经待测透镜进行成像，其像由接收屏接收。

根据物像公式：f l l '=-'111（需要与教材对应起来） （1-1）可知，物距l 趋于无穷大时对应的像距l ＇即为薄透镜的像方焦距f ＇（简称焦距）。

因此，只要将透镜面向远方物体，使其在与镜面平行的接收屏上呈现清晰的像，用刻度尺量出透镜中心至屏的距离，即为薄透镜的焦距。

该测量方法简便迅速，但不够精确。

实验过程中也可以用物距f l '>20来近似为无限远的物体。

2、 利用物像公式求焦距该方法可在简易光具座上实现。

把光源、物（如十字光阑、或带有透明箭头的黑屏等）、透镜和接收屏依次放在实验平台的导轨上，利用目视法将它们的中心调成大致等高；然后采用远物法粗测被测透镜的焦距大小，取物平面与透镜的间距大于透镜焦距的条件；当以光源照明物体时，物体将经透镜进行成像，沿导轨前后移动透镜，直至在接收屏上呈现物体清晰的像；调节像的中心与透镜中心等高；利用导轨上的刻线，读取物平面到透镜的距离（即物距l ）、以及接收屏到透镜的距离（即像距l ＇），根据物像公式（1-1）可推出：ll f l l ''='-（1-2）因为薄透镜的厚度远小于其球面半径。

可以认为它的两个主点与透镜中心重合在一起，只要测出物、像距，就可以根据公式（1-2）推出焦距。

3、共轭法测焦距（又称贝塞尔法、或两次成像法）此方法使用的光学元件与物像公式法相同。

当物、像间距L 保持在一固定值，并且L >f '4时，前后移动透镜可以在接收屏上得到两次清晰的实像，此为共轭法测焦的基本原理。

如图1.1所示：图 1.1 共轭法测凸透镜焦距在透镜位置1处可以得到放大的实像，在透镜位置2处可以得到缩小的实像；若透镜的两次成像的位置间距为d ，根据物像公式（1-1）可得待测透镜的焦距：Ld L f 422-=' （1-3）共轭法得到的焦距在理论上是比较准确的，因为它不需测量物距、像距，从而避免测量物距、像距时，以透镜中心为原点而非以主点为准所带来的误差。

4、自准直法测焦距（实验测量）1l -2l -2l '1l '假设发光点与透镜共轴放置，将发光点B 放置在凸透镜的物方焦点F 上（如图1.2），那么它发出的光由透镜作用变换成一束平行光；若采用一个与主光轴垂直的平面镜M ，将从透镜出射的平行光再反射回去，则反射光将被透镜作用重新会聚于物方焦点上，这就是自准直法的基本原理。

图1.2 自准直法测量光路若在透镜的物方焦平面上放置物体AB ，仔细调节透镜与物的距离，由自准直法得到AB 的像A ＇B ＇仍在焦平面上，并且是与原物大小相等、呈倒立的实像。

此时，物与透镜间的距离即为透镜的焦距。

此方法测焦距在实用上是最简便的，光学实验中也经常用此方法调平行光。

5、用平行光管测焦距（实验测量）平行光管主要是用来产生平行光束的光学仪器，是装校和调整其他光学系统的重要工具之一 ，也是光学度量仪器的重要组成部分。

若配用不同的分划板，并选用读数显微镜或测微目镜 ，可以测定光学系统的焦距、分辨率及其成像质量。

光源发出的光经聚光镜会聚与分光板反射后均匀照亮分划板。

当分划板位于物镜的焦面上时，分划板的像在物镜像空间的无穷远处 ，即由平行光管发出的光是平行光束。

A A 'B 'Bf 'F 'f-O MLF图1.3 平行光管的外形图图1.4 平行光管的光路图1 - 光 源：在平行光管中，利用白炽灯作为光源2 - 毛玻璃：由于灯丝发出的光不是均匀的面光源，因此需要通过毛玻璃将其转换成均匀的面光源照射分划板。

3 - 分划板：，玻罗板（或者十字叉丝、鉴别率板、星点板）4 - 物 镜：平行光管物镜图1.5玻罗板刻线图玻罗板：分划板上用真空镀膜的方法镀上五组线对，各线对间距名义值分别是：1mm ，2mm ，4mm ，10mm ，20mm 。

测焦原理如下：光路如图1.6所示，由物（高度为y ）发出的光经平行光管物镜L 后成为平行光，再经待测透镜L x 后成像在焦平面上，像高y ＇。

则由图1.6可得，00tan ,tan ,tan tan x y f y f ωωωω'===则：x y f f y'=（1-4）上式中，f 为平行光管物镜的焦距，其数值已经标在管上（标称值为550mm ）；y 为玻罗板上所选的某一对平行线的线距，其数值已经标在管上，单位为mm ；y ＇为测微物目镜测得的同一对平行线的像的距离，单位为mm ；f x 为待测凸透镜的焦距。

图1.6光路图具体测量方法如下：1、将将已知刻线对的玻罗板置于平行光管的物镜焦平面上，待测透镜放置于透镜夹持器中，并调整透镜、平行光管及测量显微镜三者光轴共轴。

2、微调显微镜，并用测量显微镜对该玻罗板的线对进行调焦，直至视场中出现清晰的像，选择玻罗板的其中一对刻线作为物y，测量出物的像的大小y4、将'y代入到公式（1-4）中，即可求出待测透镜的焦距。

此种测量透镜焦距的方法测量误差较小，精度较高，当待测透镜像质较好、且测量显微镜的实际利用的数值孔径不太小时，可达到更好的效果。

6、凹透镜焦距的测量*值得注意的是以上几种方法仅适用于正透镜的测量，如果待测透镜为负透镜，则需要借助正透镜与负透镜组成一透镜组来加以测量。

四、实验步骤1、用自准直法测薄透镜焦距；2、用平行光管测薄透镜焦距。

五、实验数据测量次数玻罗板刻线间距象左刻线读数象右刻线读数像距透镜焦距1 2六、思考题1、能否用自准直法测凹透镜的焦距，试画出其光路原理图？2、使用共轭法测量凸透镜焦距时，若凸透镜的光心与滑块上的可先不在垂直于导轨的同一平面内，对实验结果有无影响？为什么？3、请证明：用共轭法测焦距时，物像间距必须大于4f，成放大的像时的物距应等于成缩小像时的像距。

4、除了几何光学的方法之外，能否用物理光学的方法测定薄透镜的焦距，试举两例说明其原理。

5、如何确保平行光管、待测物镜与测量显微镜三者共轴？6、当精密测焦距时，对平行光管及测量显微镜有哪些要求？实验二望远镜和显微镜实验望远镜和显微镜都是用途广泛的助视光学仪器。

望远镜主要用于帮助人眼观察远处的目标，显微镜主要用于帮助人眼观察近处的微小物体。

它们基本的工作原理是，物体通过这些仪器后，其像对人眼的张角要远大于直接观察物体时对人眼的张角，通过视角放大的作用实现助视的功能。

一、实验目的1、学会自准法和共轭法测薄透镜的焦距。

2、了解望远镜和显微镜的构造及其原理。

3、测量望远镜和显微镜的放大率。

二、实验仪器白光光源、凸透镜3~5个（不同焦距）、反射镜、物屏、像屏、标尺、光具座、半透半反镜等。

三、实验原理1、望远镜放大率的测量原理望远镜可用于观测远处的物体。

最简单的望远镜由两个凸透镜组成。

其中，焦距较长的为物镜，焦距较短的透镜。

通常，被观测物体离物镜的距离远大于物镜的焦距（l >>2f o）。

物体通过物镜后，将在物镜的后焦面附近形成一个倒立的缩小实像。

此实像比原物小，但与原物相比，大大的接近了与眼睛的距离，从而实现增大视角的作用，可以通过目镜对实像进行再次放大。

由目镜所成的像可在明视距离到无限远处之间的任何位置上。