光电技术综合实验指导上Word文件下载.docx

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在光学实验中如何将光学系统调成共轴是个关键技术。

常用的方法如下：

（1）粗调

将光源、各个透镜等光学元器件在光学平台上靠拢，调节它们的取向和高低、左右位置使它们各自的几何中心处在一条和台面平行的直线上（可凭眼观察或借助直尺测量），使透镜的光轴与台面平行，使物（或物屏）、像平面（或像屏）与台面垂直。

眼睛判断的调节效果与实验者的经验有关，故成为粗调。

粗调完成后将各个元器件摆放到设计位置再进行细调。

（2）细调

细调常常要借助其他光学仪器设备或成像规律的特征进行细微的调节。

不同类型的光学系统有不同的调整方法。

下面介绍简单的单透镜对物成像光学系统共轴成像的细调方法。

如图1.1-1所示为物体在单凸透镜光学系统中成像光路图。

现在要解决的是如何将物上的某点调整到光轴上的问题。

根据凸透镜成像规律，当物与像之间的距离大于4倍焦

距f时，将透镜沿光轴方向移动一段距离，如图中从O1点移动到O2点，物AB将先后成在屏上的像为A1B1与A2B2，物点靠近透镜时成大像，远离时成小像。

物点A都处于光轴上则两次成像的像点也都落在光轴上。

而不在光轴上的B点两次成的像B1和B2也都不落在光轴上，显然，B1大于B2，B2比B1更接近于光轴。

说明越接近于透镜位置偏离光轴的灵敏

度越高。

为此可以反复调整物点与透镜光轴的高低和左右进行调整，直到远离和靠近镜头像点位置重合，就判断出B点已经调整到透镜的光轴上。

如果需要使多个透镜共轴，则应该先将B点调整到一个透镜的主光轴上，然后再根据上述原理逐个增加透镜调节它们使之共轴。

4.光学实验的通用部件与元件

进行光学实验之前必须认识光学实验的通用部件与光学元、器件，了解如何利用光学器件构成各种光学系统。

首先应该知道光学实验系统都应该搭建在基础平台上，基础平台主要有两种，平板平台与导轨平台。

如图1.1-2所示为平板平台，它由导磁材料制成的具有一定厚度的平版台面，上面以矩阵方式钻有M6的安装螺孔。

在学平台上可以通过如图1.1-3所示的磁性表座、一维调整架、二维调整架和三维调整架将各种光学元器件安装固定，构成光学系统。

由于磁性表座上装有磁开关，当磁开关处于“OFF”状态时，磁路被切断，磁性表座在光学平台上可以灵活移动，移动到合适位置后，可以将磁力开关打开（置于“ON”），则在

磁力的作用下将装置定位。

磁性表座上部中心位置有个M8的螺纹孔，用来安装一维底座，一维、二维和三维等调整架。

左数第2个是安装了一维调整架，1维调整架由连接圈、1维调整环和2个锁紧螺钉等部件构成，连接圈下部有个M8的螺丝，

用它将一维调整架安装到磁性表座上。

在锁紧螺钉2松动时，转动1维调整环能够使锁紧螺钉固定的连接杆沿Z轴做上下微调，调整好后将锁紧螺钉2旋紧将锁定1维调整环。

图1-3最右侧的装置是二维调整架安装到磁性表座的示意图。

将一维调整架安装到能够用微分表头推动的X方向移动的结构上便构成了二维调整架。

它上面安装的远心照明光源可以进行X和Z方向微调。

图1.1-3右数第2部分为利用三维调整架安装的透镜。

显然将二维调整架安装在另一个方向（Y方向）移动的调整架上就构成了三维调整架。

显然，安装在其上的透镜能够进行X、Y和Z三个方向的调整。

另外一种光学台如图1.1-4所示为导轨方式，导轨上也能够安装各种光学元器件的支架和各种调整架，由于它的特殊性，它不再采用磁性表座为便利的固定方式，而采用如图1.1-5所示的滑块来安装各种支架与光学元器件。

滑块上部的M8螺孔可以将

各种调整架紧固地连接上，固紧。

然后通过连接杆安装光学元器件。

由图1.1-5看到，滑块上能够安装垂直方向（Z轴）调节的底座与Z轴调整杆，在锁紧螺钉松开时上下调整（高度调整），调整好后用锁紧螺钉紧固。

调整杆的上端M5螺丝是用来固定光学元器件的，它可以与很多光学实验元器件固定。

滑块上的锁紧螺钉松开，光学元器件可在导轨上面移动，移动到合适位置时可以用紧固螺钉锁紧。

实验所用的光学透镜、棱镜、光源与光电传感器件都设置了相应的支架，支架上都设计了M5的螺纹孔，便于与各种支杆连接，搭建光电系统。

这样搭建出来的光电系统，灵活，结构调整方便，也便于更改和测量它们之间的相对位置等尺寸，为设计真正的光学系统奠定基础。

以上介绍的是一些常用的光学器件与它们的夹持器具，还有很多光电器件、光学器件和夹持器具，其种类和名称很多，不同厂家的定义也不同，本指导书将在每个典型实验中遇到时再进行介绍。

建议大家多掌握它们的功能，而对于它们的名称、型号或定义不要严格追求。

实验1.2薄凸透镜焦距的测量实验

1.实验目的

透镜的焦距是测量光学系统的重要参数，如何利用最简便而实用的方法快捷地测出薄透镜的焦距是工程上的重要问题。

通过实验掌握近似测量透镜焦距的方法，为快捷调整光学系统服务。

2.实验仪器

1GDS-Ⅲ型光电综合实验平台主机1台；

2远心照明光源1只；

3被测凸透镜（焦距任意）1只；

4像屏一个；

5500mm长钢板尺1只；

6远心照明光源、凸透镜和像屏等夹持装置各1只；

7磁性表座3个；

3.实验原理

在讨论用远心照明光源测量薄凸透镜焦距的原理之前先明确几个基本概念：

（1）远心照明光源

无限远处的光源发来的光被称为远心光。

远心光具有光线近似于“平行光”的特点，例如太阳距离地球的距离近似为“无限远”，照射到地面上的太阳光近似为平行光。

在光学测量仪器中常用的远心照明光源是采用如图1.2-1所示方式形成的光源，由透镜L2发出的光具有发光点位于无限远处的特点。

聚光镜将光源S发出的光聚焦于透镜L1焦点F1上，若在F1焦点附近设置一个小孔光栏，并调节L2的位置使得L2的前焦点F2与F1重合（如图1.2-1所示），则从透镜L2发出的光近似为无限远处的光源发出的远心光束。

如果狭缝P的孔径无限小，则L2发出的光近似为理想的平行光。

（2）薄凸透镜的焦距

从几何光学得知，薄凸透镜的焦距f为透镜主面到焦点的距离。

有了远心照明光源后很容易构成薄凸透镜的焦距测量光路。

如图1.2-2所示为薄凸透镜焦距的测量光路。

远心照明光源发出近似为“平行”的光入射到被测薄凸透镜上后，将聚焦到焦点F上，形成一个“亮点”，测量透镜中心至亮点间的距离即为透镜的焦距f。

这里我们利用了薄凸透镜的特点是其主面与两凸面中心重合。

4.实验步骤

（1）搭建测量系统

从光电综合实验平台备件箱中取出LED远心照明光源、被测薄凸透镜、像屏与磁性表座等部件，先将远心照明光源用支杆和通用磁性表座固定在光学台面上上，并将远心照明光源的电源线连接到电子测量平台+5V电源（VCC）插座和GND插座上。

当实验平台电源接通时发出远心照明光。

将被测薄凸透镜安装到支杆上，再用通用磁性表座的支杆上，先将装有定心夹持器的磁性表座靠近LED远心照明光源进行粗调，使定心夹持器的中心与远心照明光源的光心重合，然后手捏“安装手柄”

将被测透镜夹持到定心夹持器上。

再将安装到磁性表座上的接受屏也放到光学平台上。

构建出如图1.2-3所示的测量透镜焦距的光学系统。

（2）透镜焦距的测量

打开实验仪的电源开关，点亮远心照明光源，调整夹持被测透镜的磁性表座离开光源20mm左右使远心照明光斑垂直地入射到被测透镜上，然后将接收屏沿透镜中心延长线前后移动，发现并观察光斑的大小与亮暗变化，当光斑直径最小，亮度最强时停止，并将磁性表座固定。

取出测量钢板尺，测量透镜中心与接收屏之间的间距，即为被测透镜的焦距。

5．习题与思考

尽管上述测量系统简单实用，但是测量精度不高，测量精度受测量工具（钢板尺）的限制和确定透镜边缘位置时视角的影响，屏的厚度也影响测量的准确度。

这些问题使得这种方法的测量精度受到限制。

不过它简单实用，常常在工程上容易被接受。

精准的焦距测量方法常常在实验室内用“平行光管”、“分划板”和“读数显微镜”等设备进行测量。

分划板在平行光源下作为无限远的物，经被测透镜聚焦到焦平面，用读数显微镜观察并读出分划板的线条数再代入相关公式即可精确地计算出透镜的焦距。

6.关机与结束

1将所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则应重新补作上述实验；

若合理，可以进行关机；

2先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；

3将实验所用仪器收拾好，再请指导教师检查，批准后离开实验室。

实验1.3位移法测量薄凸透镜的焦距

通过实验掌握位移法测量薄凸透镜的焦距的方法为调整光学系统服务。

2.实验仪器与器材

1GDS-Ⅲ型光电实验平台1台；

2LED远心照明光源1只；

3被测凸透镜，焦距f=50mm1只；

4被测凸透镜，焦距f=50mm1只；

5物屏（目标物）1个；

6像屏1个；

7500mm长钢板尺1只；

8二维调整底座一个；

9通用磁性表座2个；

3．基础知识

对于凸透镜，当物与像之间的距离L大于4倍焦距时，透镜在其间的移动将会在像

屏上出现两次清晰图像，一次为放大的图像，一次为

缩小的图像。

如图1.3-1所示，设物点位置为A，像

屏的位置为B，两次实验透镜的位置分别为O1、O2，

则两次测出的物镜分别为AO1与AO2，像距分别为

BO1与BO2。

根据光学的可逆性原理，两次都成清

晰图像的条件应该是对称的，即存在

AO1=BO2，AO2=BO1

设透镜两次移动的距离为l，

则l=（AO1－AO2），

有L－l=AO1+BO2=2AO1=2BO2，故有：

AO1=BO2

而BO1=L－AO1=（L+l）/2。

根据凸透镜的牛顿公式

（1.3-1）

式中l为物距AO1或AO2，

为像距BO1或BO2。

可以推出

（1.3-2）由式（1.3-2）可以看出透镜的焦距f与物像间的距离L与透镜两次移动的距离l有关，测量出L与l的值便可以计算出它的焦距f。

使焦距的测量精度有所提高。

4.实验内容与步骤

1）实验内容

①测量已知薄透镜的焦距，验证测量公式（1.3-2）；

②测量未知薄凸透镜的焦距；

2）组装实验装置

从光电综合实验平台配件箱中将物屏、像屏、远心照明光源与被测透镜及其支架取出，用通用磁性表座将它们安放到光学平台的台面上。

先将它们靠拢，用目测的方法将它们调成“共轴”。

然后，将物屏与像屏分开足够远的距离（应大于4f），用钢板尺测量并记录分开距离L。

再把远心照明光源安装固定在光学平台的一端，如图1.3-2所示，固定在左端，并用它将目标物照亮。

再将被测透镜安装在物屏与像屏之间，注意调整物镜使其轴线与目标物图形的中心高度一致，先使被测物镜靠近目标物，使像屏上呈现清晰的放大图像（如图中的倒三角），测量被测透镜到目标物的距离l1和透镜到像屏的距离l2，然后，再移动被测透镜远离目标物，在像屏上呈现缩小的清晰实像。

再测量透镜到目标物的距离l3和透镜到像屏的距离l4。

显然，l1=l4；

l2=l3。

透镜的移动量l应为：

l=l2－l1，利用式（1.3-2）计算出焦距。

3）移动透镜

将被测透镜在物屏与像屏之间移动，先使被测透镜靠近物屏再逐渐远离，观察像屏，当像屏处出现清晰的倒立实像后停住并做一个标记点O1，然后，再继续移动透镜使之远离物屏，再观察像屏，出现清晰图像后停住并做一个标记点O2，测量O1与O2间的

距离，即为l。

4）计算透镜的焦距f

将上述步骤测得的数据代入公式（1.3-2），便可算出被测透镜的焦距f。

重复测量三次，观察测量结果与误差情况，再换另外的透镜进行反复测量直到掌握此种方法为止。

将上述测量结果与远心照明光源法进行比较，分析两种方法的优缺点。

实验1.4组装显微镜系统

了解显微镜的原理和结构，掌握显微镜的调节方法和基本应用，测量它的放大倍率。

如果有条件，可以组装CCD显微镜。

1GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台；

②LED光源1只；

③15mm焦距的凸透镜1只；

④1/10分划板1只；

⑤50mm焦距的凸透镜1只；

⑥透镜支撑架2只；

⑦光源支架1只；

⑧分划板支架1只；

⑨通用磁性表座5只；

⑩二维调整架1个；

3.实验内容与步骤

①组装显微镜光学系统

②测量所装显微镜光学系统的放大倍率

2）组装显微镜系统步骤

首先看懂如图1.4-1所示的显微镜系统光路图，它由光源（LED光源）、目标物（1/10mm分划板）、物镜（15mm焦距透镜）、二次放大透镜（50mm焦距）与像屏等部件构成。

先将LED光源用光源支杆安装到通用磁性表座上，固定。

并用连线接入实验平台的供电电源上

（注意极性），合上光电实验平台电源开关，光源

被点亮。

然后将作为目标物P的1/10分划板安装固定于光源前约15mm处，并与光源的发光中心等高。

再将15mm焦距的透镜（物镜LO）安装在透镜支架上，也用磁性表座摆放到距离分划板约17~20mm的距离上（要求与光源中心等高），在物镜LO的后面将得到一个放大的实像P′。

然后，在距离实像P′60mm远处再用磁性表座及透镜支架安装一只50mm焦距的透

镜1只，在50mm焦距透镜的左面放一像屏，移动像屏并观察，找到清晰图像后，将像屏用磁性表座固定。

于是构成了如图1.4-2所示的

能够获得放大实像的显微系统。

如果在像屏处放置面阵CCD器件能否构成显微光电成像系统？

图1.4-3为上述系统获得的1/10分划板在像屏上的显微实像。

1根据上述描述绘出显微镜系统

光路图；

2搭建显微镜系统，并观测被放大

的虚像；

③移动分划板改变它与物镜间的

距离，观察虚像的变化；

3）计算显微镜的放大倍率

设如图1.4-1所示显微镜光路图中物镜LO与显微目镜Le之间的间距为l1，物与显微目镜之间的距离为l2，且它们分别为180mm与250mm。

则显微镜的放大倍率M为：

M=250l1/fo×

fe（1.4-1）

式中，l1为物镜L0与目镜Le之间的距离。

实验中若所用显微目镜的焦距为fe=250/20，便通过测量l1而计算出放大倍率M。

4．习题与思考

①在组装的显微镜系统中如果将目镜取下，换上没有装物镜的面阵CCD相机能否在监视器上直接观察到显微放大的图像？

通过实验说明为什么？

②如果图像模糊不清应该如何处理？

直接将装有成像物镜的面阵CCD相机安装到目镜筒上系统的视场是否发生变化？

用实验说明。

③你能否将监视器上观察到的图像送入计算机显示器？

需要外加什么设备？

3你能够列举将图像送入计算机显示屏后的意义吗？

实验1.5组装透射式幻灯机

1.实验目的：

了解幻灯机、投影仪器的原理和聚光镜的作用，掌握透射式投影光学系统的调节方法。

2.实验仪器：

2LED光源装置1只；

3装有幻灯底片的物屏1只；

4聚光镜（15mm焦距透镜）1只；

5幻灯片或物屏夹持器（可用干板架）及其夹持底座各1个；

6放映物镜（50mm透镜均可代替）1只；

7像屏1个；

8一维、二维、三维及通用底座（或磁性表座）各1个；

组装透射式投影仪，对投影仪的主要结构的调整进行实验。

投影仪的基本结构如图1.5-1所示，它由5个主要部件组成。

左起1为LED光源，2为聚光镜，3为幻灯片底片，4为放映物镜，5为接收屏（像屏）。

其中光源的作用是产生光能量，通常是由卤钨灯承担，卤钨灯发光亮度很高，可以发出几千

流明的通量，使投射到十几米远处的图像具有一定的亮度。

本实验用LED灯代替，显然亮度不足，但是在暗室内能够在有限空间内完成投影仪原理性的实验。

聚光镜的作用是将光源发出的光尽可能地照亮幻影底片，提高光源的利用率。

幻灯底片是信息的载体，它可以是胶片（彩色或黑白正、负胶片），也可以是液晶屏等其他能够载荷光学信息的物质，使信息被后面的投影放映透镜接收并投放出去。

一般投影仪的工作距都在米至几十米量级，所以它常常是可变焦距的长焦距镜头，原理实验不可能设置如此长的像距，为此，用简单的短焦距透镜（50~70mm焦距）代替，像屏用白有机玻璃屏代之。

透射式投影放映仪的基本原理是光源将胶片照亮，并使载有图像信息的胶片经投影放映物镜将胶片的图像信息投射到远处的接收屏上。

实质上是集能量的传递、信息量的传递与图像的放大三大功能于一体。

2）搭建投影系统

从配件箱中取出LED光源、聚光镜、幻灯片底片、放映物镜和接收屏等部件后，找到它们的安装夹持器，幻灯片底片用三维底座安装便于调整，放映物镜用二维底座安装，其余部件用通用底座安装即可。

先将底座的磁性开关放置在“OFF”状态，可以自动移动所装部件，进行“共轴”调整，再分开距离进行光学调整。

光学调整时应该从光源开始，一个个光学件向后安装和调整。

光源装好后将磁性表座的开关置于“ON”，锁紧后，再装聚光镜和幻灯片底片及其夹具，聚光镜将光源发出的光恰好会聚到幻灯片底片的这个画幅上，就可以锁定聚光镜座和幻灯底片座。

然后取出50mm焦距的透镜为投影物镜，将它安装在自动定心夹具上，再把接收屏摆放到光学平台上距离投影物镜100~200mm处，用来接收投影物镜产生的图像。

调整投影物镜与接收屏的位置使接收屏上的像尽量清晰，然后锁定，完成投影系统的搭建。

3）调试与分析

搭建出实验系统后，对系统进行细致地调试，其中最为重要的是光轴的调试。

尽可能地保证光学系统共轴是获得良好图像的关键。

适当旋转透镜的方向，调整透镜的高低和左右确保共轴。

如有条件可以用白色幕布或白墙为接收屏，将像投射到屏上。

这时，由于屏与投影物镜的距离加大，透镜的焦距应当适当加长，建议更换焦距更长的透镜。

同时看到图像增大，亮度有所减弱。

4.习题与思考

①如何改变投射到屏幕上画幅的大小？

为什么？

②怎样提高图像的亮度？

③如何将图像画面变成活动的画面？

④通过这项实验能够提高你对投影仪的理解吗？

5.关机与结束

1、所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新作上述实验；

若合理，可以关机；

2、先将计算机关掉后再关掉实验平台的电源，再将所用的配件放回配件箱；

3、将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。

实验1.6光的偏振现象与偏振光应用实验

①观察光的偏振现象，验证马吕斯定律。

掌握产生与检验偏振光的原理和方法。

②了解1/2波片、1/4波片的作用。

③掌握椭圆偏振光、圆偏振光的产生与检测。

2．实验器材

①GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台；

②激光器（He-Ne激光器或半导体激光器）1只；

③检偏器1只；

④起偏器1只；

⑤1/2波片1只；

⑥1/4波片1只；

⑦硅光电池装置1只；

⑧夹持与固定装置等。

光是一种电磁波，它有电矢量

和磁矢量

两个分量，习惯上我们总是用电矢量

来代表光波。

光波中的电矢量与波的传播方向垂直，光的偏振现象证实了光的横波性。

就偏振性而言，光一般可分为偏振光、自然光和部分偏振光。

光矢量的方向和大小有规律变化的光称为偏振光。

偏振光又可分为线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。

在传播过程中，光矢量的方向不变，其大小随相位变化的光是线偏振光，这时在垂直于传播方向的平面上，光矢量端点的轨迹是一条直线。

圆偏振光在传播过程中，其光矢量的大小不变，方向呈规则变化，其端点的轨迹是一个圆。

椭圆偏振光的光矢量用两个振动方向相互垂直、相位有关联的线偏振光来表示。

偏振光可视为两个沿同一方向

传播的振动方向相互垂直的线偏振光（如图1.6-1所示，一个为电矢量Ex，一为Ey）的合成：

（1.6-1）

式中

表示振幅，

为波矢的数值，

是两波的相对相位差。

合成矢量E的端点在波面内描绘的轨迹为一椭圆。

椭圆的形状、取向和旋转方向，由

，

和

决定。

当

时，则为圆偏振光；

或者

（或

）时，则为线偏振光。

从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光。

自然光可以看成是在一切可能方向上振动的光波的综合，即在观察时间内，光矢