《工程光学》课程实验指导书（共六个实验）

光学实验预备知识 光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中 经常用到的知识和调节环节。初学者在做实验前应认真阅读这些内容， 并且在实验中遵守有关规则和灵活运用有关知识。 一、光学元件和仪器的维护 透镜、棱镜等光学元件，大多数是用光学玻璃制成的，它们的光学 表面都是经过仔细研磨和抛光，有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元 件或其材料的光学性能（如折射率、反射率、透射率等）都有一定要求， 但它们的机械性能和化学性能可能较差，若使用和维护不当，则会降低 光学性能甚至损坏报废。造成损坏的常见原因有：摔坏、磨损、污损、 发霉、腐蚀等。为了安全使用光学元件和仪器，必须遵守以下规则： 1、必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。 2、轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔 落。不使用的光学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子里，最好 放入干燥器中保存。 3、切忌用手接触元件的光学表面。如必须用手拿光学元件，只能接 触其磨沙面，如棱镜的边缘、棱镜的上下底面等。见图1。 图1手持光学元件的方式 【一光学面，Ⅱ一磨砂面 4、光学表面如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡 皮球吹掉。 5、光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去， 但不要加压擦拭，更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较 1

1 光学实验预备知识 光学实验是普通物理实验的一个重要部分。这里先介绍光学实验中 经常用到的知识和调节环节。初学者在做实验前应认真阅读这些内容， 并且在实验中遵守有关规则和灵活运用有关知识。 一、光学元件和仪器的维护 透镜、棱镜等光学元件，大多数是用光学玻璃制成的，它们的光学 表面都是经过仔细研磨和抛光，有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元 件或其材料的光学性能（如折射率、反射率、透射率等）都有一定要求， 但它们的机械性能和化学性能可能较差，若使用和维护不当，则会降低 光学性能甚至损坏报废。造成损坏的常见原因有：摔坏、磨损、污损、 发霉、腐蚀等。为了安全使用光学元件和仪器，必须遵守以下规则： 1、必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。 2、轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔 落。不使用的光学元件应随时装入专用盒内并放入平台的箱子里，最好 放入干燥器中保存。 3、切忌用手接触元件的光学表面。如必须用手拿光学元件，只能接 触其磨沙面，如棱镜的边缘、棱镜的上下底面等。见图 1。 图 1 手持光学元件的方式 Ⅰ—光学面，Ⅱ—磨砂面 4、光学表面如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡 皮球吹掉。 5、光学表面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去， 但不要加压擦拭，更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较

严重的污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均 不能接触或擦拭。 6、防止唾液或其它溶液溅落在光学表面上。 7、调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻 慢，严禁盲目及粗鲁操作。 8、仪器用完后应放回箱内或加罩，防止灰尘玷污。 二、消视差 光学实验中经常要测量像的位置和大小，经验告诉我们，要测准物 体的大小，必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。如果标尺远离被测 物体，读数将随眼睛的位置不同而有所改变，难以测准，如图2所示。 可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸不着的像，怎样才能确定 标尺和待测像是紧贴在一起的呢？利用“视差”现象可以帮助我们解决 这个问题。为了认识“视差”现象，我们可做一个简单实验：双手各伸 出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距离，且两指平行。用 一只眼睛观察，当左右（或上下）晃动眼睛时（眼睛移动方向应与被观 察手指垂直)，就会发现两指间有相对移动，这种现象称为“视差”。而 且还会看到离眼近者，其移动方向与眼睛移动方向相反；离眼远者则与 眼晴移动方向相同。若将两指紧贴在一起，则无上述现象，即无“视差” 由此可以利用视差现象来判断待测像与标尺是否紧贴。若待测像和标尺 间有视差，说明它们没有紧贴在一起，则应该稍稍调节像或标尺位置， 并同时微微晃动眼睛观察，直到它们之间无视差后方可进行测量。在光 学实验中，“消视差”常常是测量前必不可少的操作步骤。 图2眼睛位置不同所得测量结果不同

2 严重的污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均 不能接触或擦拭。 6、防止唾液或其它溶液溅落在光学表面上。 7、调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻、 慢，严禁盲目及粗鲁操作。 8、仪器用完后应放回箱内或加罩，防止灰尘玷污。 二、消视差 光学实验中经常要测量像的位置和大小，经验告诉我们，要测准物 体的大小，必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起。如果标尺远离被测 物体，读数将随眼睛的位置不同而有所改变，难以测准，如图 2 所示。 可是在光学实验中被测物往往是一个看得见摸不着的像，怎样才能确定 标尺和待测像是紧贴在一起的呢？利用“视差”现象可以帮助我们解决 这个问题。为了认识“视差”现象，我们可做一个简单实验：双手各伸 出一只手指，并使一指在前，一指在后相隔一定距离，且两指平行。用 一只眼睛观察，当左右（或上下）晃动眼睛时（眼睛移动方向应与被观 察手指垂直），就会发现两指间有相对移动，这种现象称为“视差”。而 且还会看到离眼近者，其移动方向与眼睛移动方向相反；离眼远者则与 眼睛移动方向相同。若将两指紧贴在一起，则无上述现象，即无“视差”。 由此可以利用视差现象来判断待测像与标尺是否紧贴。若待测像和标尺 间有视差，说明它们没有紧贴在一起，则应该稍稍调节像或标尺位置， 并同时微微晃动眼睛观察，直到它们之间无视差后方可进行测量。在光 学实验中，“消视差”常常是测量前必不可少的操作步骤。 图 2 眼睛位置不同所得测量结果不同

三、共轴调节 光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。为了获得质量好的像， 必须使各个透镜的主光轴重合（共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。 此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的，为了测 量准确，必须使透镜的主光轴与带有刻度的标尺平行，因此要进行共轴 调节。具体调节方法如下： 1、粗调。将光源、物和透镜靠拢，调节它们的取向和高低左右位置， 凭眼睛观察，使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上，使透镜的主 光轴与标尺平行，并且使物和成像平面与平台垂直。因调节效果与实验 者的经验有关，称为粗调。 2、细调。这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节，不同的 装置可能有不同的具体调节方法，以物与单个凸透镜共轴的调节方法为 例。 使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上某一点调到主光轴上。 首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成像 规律即可判断。如图3所示，当物AB与像屏之间的距离b大于4f时， 将凸透镜光轴移到O,或O2位置都能在屏上成像，一次成大像AB,一次 成小像AB2。物点A位于光轴上，则两次像的A:和A2点都在光轴上而且 重合。物点B不在光轴上，则两次像的B,和B2一定都不在光轴上，而且 不重合。但是，小像的B2点总是比大像的B:点更接近光轴。 图3共轴调节的光路图 可见，若要将B点调到凸透镜光轴上，只需记住像屏上小像的B:点 位置（可用坐标纸作参照物），调节透镜（或物）的高低左右，使B,向B 3

3 三、共轴调节 光学实验中经常要用一个或多个透镜成像。为了获得质量好的像， 必须使各个透镜的主光轴重合（共轴），并使物体位于透镜的主光轴附近。 此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的，为了测 量准确，必须使透镜的主光轴与带有刻度的标尺平行，因此要进行共轴 调节。具体调节方法如下： 1、粗调。将光源、物和透镜靠拢，调节它们的取向和高低左右位置， 凭眼睛观察，使它们的中心处在一条和标尺平行的直线上，使透镜的主 光轴与标尺平行，并且使物和成像平面与平台垂直。因调节效果与实验 者的经验有关，称为粗调。 2、细调。这一步骤要靠其他仪器或成像规律来判断和调节，不同的 装置可能有不同的具体调节方法，以物与单个凸透镜共轴的调节方法为 例。 使物体与单个凸透镜共轴实际上是指将物上某一点调到主光轴上。 首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成像 规律即可判断。如图 3 所示，当物 AB 与像屏之间的距离 b 大于 4f 时， 将凸透镜光轴移到 O1 或 O2 位置都能在屏上成像，一次成大像 A1B1，一次 成小像 A2B2。物点 A 位于光轴上，则两次像的 A1和 A2 点都在光轴上而且 重合。物点 B 不在光轴上，则两次像的 B1 和 B2 一定都不在光轴上，而且 不重合。但是，小像的 B2 点总是比大像的 B1 点更接近光轴。 图 3 共轴调节的光路图 可见，若要将 B 点调到凸透镜光轴上，只需记住像屏上小像的 B2 点 位置（可用坐标纸作参照物），调节透镜（或物）的高低左右，使 B1 向 B2

靠拢。反复调节几次直到B,与B,重合，说明B点已调到透镜的主光轴上 了。 若要调多个透镜共轴，则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴 上，然后，同样根据轴上物点的像总在轴上的原理，逐个增加待调透镜 调节它们使其与第一个透镜共轴

4 靠拢。反复调节几次直到 B1 与 B2 重合，说明 B 点已调到透镜的主光轴上 了。 若要调多个透镜共轴，则应先将物上 B 点调到一个凸透镜的主光轴 上，然后，同样根据轴上物点的像总在轴上的原理，逐个增加待调透镜， 调节它们使其与第一个透镜共轴

实验一用自准法测薄凸透镜焦距 一、实验目的 (1)掌握简单光路的分析和调整方法 (2)了解、学握自准法测凸透镜焦距的原理及方法 二、实验原理 当发光点（物）处在凸透镜的焦平面时，它发出的光线通过透镜后 将成为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反射回去， 反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，会聚点将在发光点相 对于光轴的对称位置上。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源$ 2、品字形物象屏P:SZ-14 3、凸透镜L:f=190mm(f=150mm 4、二维调整架：SZ-07(两个) 5、平面反射镜M 6、通用底座：SZ-04(三个) 7、二维底座：SZ-02 四、仪器实物图及原理图

5 实验一 用自准法测薄凸透镜焦距 一、实验目的 （1）掌握简单光路的分析和调整方法 （2）了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法 二、实验原理 当发光点（物）处在凸透镜的焦平面时，它发出的光线通过透镜后 将成为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反射回去， 反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，会聚点将在发光点相 对于光轴的对称位置上。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源 S 2、品字形物象屏 P：SZ-14 3、凸透镜 L：f=190mm(f=150mm) 4、二维调整架：SZ-07（两个） 5、平面反射镜 M 6、通用底座：SZ-04（三个） 7、二维底座：SZ-02 四、仪器实物图及原理图

毛玻形 .50 190 190 图4实物及原理图 五、实验步骤 1、把全部元件按图4的顺序摆放在平台上，靠拢，调至共轴，而后 拉开一定距离，可调成图4所示的距离。 2、前后移动凸透镜L,使在物像屏P上成一清晰的品字形像。 3、调M的倾角，使P屏上的像与物重合。 4、再前后微动透镜L,使P屏上的像既清晰又与物同大小。 5、分别记下P屏和透镜L的位置a,a2。 6、把P屏和透镜L都转180度，重复做前四步。 7、再记下P和L的新位置b,b2。 8、分别把f=150mm和f=190mm的透镜各做一遍，并比较实验值和真 实值的差异，并分析其原因。 9、可选择更多规格的透镜进行实验 六、数据处理 。=a2-af6=b2-b 被测透镜焦距为： f-(E+f6)/2 6

6 图 4 实物及原理图 五、实验步骤 1、把全部元件按图 4 的顺序摆放在平台上，靠拢，调至共轴，而后 拉开一定距离，可调成图 4 所示的距离。 2、前后移动凸透镜 L，使在物像屏 P 上成一清晰的品字形像。 3、调 M 的倾角，使 P 屏上的像与物重合。 4、再前后微动透镜 L，使 P 屏上的像既清晰又与物同大小。 5、分别记下 P 屏和透镜 L 的位置 a1,a2。 6、把 P 屏和透镜 L 都转 180 度，重复做前四步。 7、再记下 P 和 L 的新位置 b1 ,b2。 8、分别把 f=150mm 和 f=190mm 的透镜各做一遍，并比较实验值和真 实值的差异，并分析其原因。 9、可选择更多规格的透镜进行实验。 六、数据处理 2 1 2 1 a b f a a f b b = − = − 被测透镜焦距为： ( ) 2 a b f f f = +

实验二用位移法测薄凸透镜焦距 一、实验目的 了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法 二、实验原理 对凸透镜而言，当物和像屏间的距离L大于4倍焦距时，在它们之 间移动透镜，则在屏上会出现两次清晰的像，一个为放大的像，一个为 缩小的像。分别记下两次成像时透镜距物的距离O,O(e=O-O),距 屏的距离O',根据光路可逆的原理，这两个位置是“对称”的。即 0=0,02=0,则：L-e=0+O=20=20-0=O=(L-e)/2 而C=L-O=L-(亿-e)/2=(L+e)/2,把结果代入透镜的牛顿公式 1/s+1/s=1/f,得到透镜的焦距为： f-(2-e2)/4L 由此便可算得透镜的焦距，这个方法的优点是：把焦距的测量归结为对 于可以精确测定的量L和e的测量，避免了在测量u和v时，由于估计 透镜中心位置不准确所带来的误差。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源$ 2、品字形物象屏P:SZ-14 3、凸透镜L:f=190mm(f=150mm) 4、二维调整架：SZ-07 5、白屏H 6、通用底座：SZ-04(三个) 7、二维底座：SZ-02 四、仪器实物图及原理图（见图5） 五、实验步骤

7 实验二 用位移法测薄凸透镜焦距 一、实验目的 了解、掌握位移法测凸透镜焦距的原理及方法。 二、实验原理 对凸透镜而言，当物和像屏间的距离 L 大于 4 倍焦距时，在它们之 间移动透镜，则在屏上会出现两次清晰的像，一个为放大的像，一个为 缩小的像。分别记下两次成像时透镜距物的距离 O O e O O 1 2 1 2 , ( = − ) ，距 屏的距离 1 2 O O,   ，根据光路可逆的原理，这两个位置是“对称”的。即 1 2 2 O O O O = =   , ，则： L e O O O O O O L e − = + = =  = = − 1 2 1 2 1 2    2 2 2 ( ) 而 O L O L L e L e 1 1  = − = − − = + ( ) 2 2 ( ) ， 把 结 果代 入 透镜 的 牛顿 公 式 1 1 1 s s f + = ，得到透镜的焦距为： ( ) 2 2 f L e L = − 4 由此便可算得透镜的焦距，这个方法的优点是：把焦距的测量归结为对 于可以精确测定的量 L 和 e 的测量，避免了在测量 u 和 v 时，由于估计 透镜中心位置不准确所带来的误差。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源 S 2、品字形物象屏 P：SZ-14 3、凸透镜 L：f=190mm(f=150mm) 4、二维调整架：SZ-07 5、白屏 H 6、通用底座：SZ-04（三个） 7、二维底座：SZ-02 四、仪器实物图及原理图（见图 5） 五、实验步骤

1、把全部元件按图5的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴， 而后再使物屏P和像屏H之间的距离1大于4倍焦距。 2、沿标尺前后移动凸透镜L,使品字形物在像屏H上成一清晰的放 大像，记下L的位置a 3、再沿标尺向后移动L,使物再在像屏H上成一缩小像，记下L的位 置a2。 4、将P、L、H都转180度，重复做前三步，又得到L的两个位置b,b2。 5、分别把f=l50mm和f=190mm的透镜各做一遍，比较实验值和真实 值的差异，并分析其原因。 6、可选择更多规格的透镜进行实验。 480 300 300 480 图5实物及原理图

8 1、把全部元件按图 5 的顺序摆放在平台上，靠拢后目测调至共轴， 而后再使物屏 P 和像屏 H 之间的距离 l 大于 4 倍焦距。 2、沿标尺前后移动凸透镜 L，使品字形物在像屏 H 上成一清晰的放 大像，记下 L 的位置 a1。 3、再沿标尺向后移动 L,使物再在像屏 H 上成一缩小像，记下 L 的位 置 a2。 4、将 P、L、H 都转 180 度，重复做前三步，又得到 L 的两个位置 b1 ,b2。 5、分别把 f=150mm 和 f=190mm 的透镜各做一遍，比较实验值和真实 值的差异，并分析其原因。 6、可选择更多规格的透镜进行实验。 图 5 实物及原理图

六、数据处理 e.=a-a2e=b-b2f=(P-e)/41f6=(P-eg)/4/ 被测透镜焦距为： f=(任+)/2 9

9 六、数据处理 ( ) ( ) 2 2 2 2 1 2 1 2 4 4 e a a e b b f l e l f l e l a b a a b b = − = − = − = − 被测透镜焦距为： ( ) 2 a b f f f = +

实验三自组望远镜 一、实验目的 了解望远镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它的放 大率的两种方法。 二、实验原理 最简单的望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的 凸透镜作为目镜组合而成。远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小 的倒立实像，物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合。目镜起放大 镜的作用，把这个倒立的实像再放大成一个正立的像，如图6所示。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源$ 2、毫米尺F,L=7mm 3、物镜L: f=225mm） 4、二维调整架：S2-07(两个) 5、测微目镜L：(去掉其物镜头的读数显微镜) 6、读数显微镜架：SZ-38 7、通用底座：SZ-04(四个) 8、白屏：SZ-13 四、仪器实物图及原理图（见图6)

10 实验三 自组望远镜 一、实验目的 了解望远镜的基本原理和结构，并掌握其调节、使用和测量它的放 大率的两种方法。 二、实验原理 最简单的望远镜是由一片长焦距的凸透镜作为物镜，用一短焦距的 凸透镜作为目镜组合而成。远处的物经过物镜在其后焦面附近成一缩小 的倒立实像，物镜的像方焦平面与目镜的物方焦平面重合。目镜起放大 镜的作用，把这个倒立的实像再放大成一个正立的像，如图 6 所示。 三、实验仪器 1、带有毛玻璃的白炽灯光源 S 2、毫米尺 F，L=7mm 3、物镜 L0： f0=225mm) 4、二维调整架：SZ-07（两个） 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、通用底座：SZ-04（四个） 8、白屏：SZ-13 四、仪器实物图及原理图（见图 6）