实验二平行光管调校五棱镜法.docx
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实验二平行光管调校五棱镜法
光学测量实验指导书
牟达刘智颖编写
实验一平行光管调校（自准直法）
一、实验项目
1．了解自准直法调校平行光管的原理，并掌握其调校方法。
2．分析调校误差，并总结其特点。
二、实验要求及所用器具
1．把待校平行光管的分划面校到其物镜的焦面上，并给出调校精度。
2．所用器具：
装有十字丝分划板的焦距为550mm的待校平行光管、高斯式自准目镜、可调的标准平面反射镜（其有效孔径要大于平行光管物镜通光孔径）。
三、实验原理及方法
自准直法调校平行光管的原理图如图1.1所示。
若忽略平行光管物镜的像差和光的波动性影响，当分划面4位于物镜焦面处时，则由平面反射镜自准回来的分划像3与分划均重合于物镜焦面处。
若分划面离开物镜焦平面一小距离（离焦量）x，则由平面反射镜反射回来的自准分划像将位于焦面另一侧，并且分划像离焦面的距离d近似等于x，即分划像至分划间的距离是离焦量x的两倍。
故利用自准直法可使调焦精度提高一倍。
图1.1自准法调校平行光管的原理图
1—平面反射镜；2—平行光管物镜；3—分划像；4—分划；5—自准目镜
自准直法调校平行光管的步骤：
（1）将装有十字分划板的待检平行光管、标准平面反射镜及高斯式自准目镜按图1.1自准光路摆好，并调出自准分划像。
（2）当用清晰度法调准时，应调到使自准分划像与分划同样清晰，则认为平行光管已调好。
（3）如以消视差法调焦，即通过眼瞳在出瞳面处横向摆动，由分划像相对分划是否存在横向错动（有无视差），来判定分划面是否位于物镜焦面处。
若分划像措动方向与眼瞳摆动同向，则表明分划像比分划离眼瞳更远些。
即分划像位于焦点之内，而分划面必然位于焦点之外，即图1.1所示情况。
反之，若分划像措动方向与眼瞳摆动反向，则分划面位于焦内。
然后，按照判定的分划面调整方向，微调分划板镜框，直至分划像与分划间消视差止。
反复调校几次，调好后再拧紧分划板的压圈，此时表明平行光管已调好。
四、调校误差分析
（1）当以清晰度为准进行自准直法调校时，平行光管的调焦极限误差为
（1-1）
式中ae——人眼的极限分辨角（角分）；K——系数，一般取6；——波长，单位为微米；——平行光管与自准目镜组成的自准望远镜的视放大率；D——平行光管物镜的实际通光孔径；
注：
当眼瞳直径De大于自准望远镜的出瞳直径D′时，D取平行光管物镜通光孔径；当De＜D′时，应以De替代式中的D。
如考虑标准平面反射镜在口径D范围内的面形误差为N个光圈，由此引入的调焦误差为
（1-2）
则平行光管的调校极限误差为
（1-3）
（2）当以消视差为准进行自准直调校时，平行光管的调焦极限误差为
（1-4）
式中——人眼的对准误差（单位为角分）。
同样，如考虑平面反射镜面形误差，引入的调焦误差△SD2，则调校极限误差可参看式（1-3）求得。
实验二平行光管调校（五棱镜法）
一、实验项目
1．了解五棱镜法调校平行光管的原理，并掌握其调校方法。
2．分析调校误差，并总结其特点。
二、实验要求及所用器具
1．把待校平行光管的分划面校到其物镜的焦面上，并给出调校精度。
2．所用器具：
装有十字丝分划板的焦距为550mm的待校平行光管、高斯式自准目镜、五棱镜及承物台、适当倍率的前置镜。
三、实验原理及方法
1．五棱镜法调校平行光管的原理及方法
理想的五棱镜有如下特点：
在五棱镜的入射光轴截面内，不同方向入射的光线经五棱镜后，其出射光束相对入射光束折转90°。
本方法即是利用五棱镜这一特点来对平行光管进行调校的。
调校原理如图2.1示。
图2.1五棱镜调校平行光管的原理图
s—分划；1—待校平行光管；2—五棱镜；3—前置镜
将五棱镜2放置在平行光管物镜前的承物台上，五棱镜可沿垂直于平行光管光轴方向平稳地移动。
沿五棱镜出射光束方向放置前置镜3（望远镜），用以观察平行光管的分划像。
若分划位于平行光管焦面上，则由平行光管物镜射出一束平行光。
当五棱镜沿垂直于平行光管光轴方向，由位置Ⅰ向位置Ⅱ移动时，平行光管分划经前置镜所成的分划像将不产生任何横向移动，如图2.1（a）所示。
若分划面s不位于平行光管物镜焦面上，则随着五棱镜由Ⅰ向Ⅱ位置移动，前置镜中形成的分划像将产生左右方向的横向移动，如图2.1（b）、（c）所示。
利用这一现象可将平行光管分划面准确调到焦面位置。
五棱镜法调校平行光管的步骤
（1）将五棱镜放置在可沿垂直物镜光轴方向移动的承物台上，并使五棱镜的入射面对向平行光管物镜，其出射面对向前置镜。
调整承物台的高低位置，并调前置镜的俯仰手轮和方位手轮，使分划像呈现于前置镜视场中，并使平行光管的竖线分划像与前置镜相应分划对准（若两分划均为竖线，则应利用两者间的横向微小间隙的变化进行对准，以提高调校精度）。
（2）转承物台的手轮，使其上的五棱镜沿垂直于平行光管物镜光轴的方向，向着前置镜移动。
若在前置镜中形成的平行光管的分划像由右向左移动，表明分划面位于焦前，如图2.1（b）所示；反之，分划面在焦后，见图2.1（c）。
（3）松开分划板镜框压圈，按步骤
（2）确定的分划面移动方向，沿轴向微调分划板框，直至五棱镜移动时，平行光管的分划像相对前置镜分划不发生横向移动（或两者间的微小间隙宽度不再变化），则表明分划面已准确位于平行光管物镜焦面上了。
（4）调好后，拧紧分划镜框的压圈。
四、调校误差分析
本法的实质是将纵向调焦变为对人眼较灵敏的横向对准，故与消视差为准的调焦误差相当。
主要是由前置镜的横向对准误差确定，所不同的是：
该法是由五棱镜在平行光管物镜前方沿垂直光轴方向移动，替代了眼瞳在出瞳面内的摆动。
故参看（1-4）式可得五棱镜法的调校极限误差为
（2-1）
式中——前置镜的视放大率；——人眼对准误差，单位为角分；D——平行光管物镜通光口径；Dw——五棱镜通光口径。
分析式（2-1）可知当Dw≈0.5D，且选择最好对准方式时，可使本法达最高调校精度。
五棱镜法最适于较大口径的平行光管调校。
五、思考题
1．比较自准直法与五棱镜法调校平行光管的各自特点？
2．为提高自准直法调校平行光管的精度在实验设置上应考虑那些因素？
3．对f′＝550mm，D/f＝1/10的平行光管，以消视差为准进行自准直法调焦时，若所选高斯自准目镜的焦距f′e＝44.0mm，求平行光管的调焦误差（取0.5′，眼瞳直径De＝2mm）？
4．若上题中，平面反射镜在100mm范围内凸一个光圈，其余条件不变，求分划面的调校位置精度有多高？
5．两种方法，各自是如何判别分划面相对平行光管物镜焦面位置的？
6．五棱镜法调校中，有人提出在五棱镜入射面前放置一垂直于入射光轴截面的狭缝光阑，这样做是否可提高平行光管的调校精度？
为什么？
7．五棱镜法调校平行光管的光路安排中，若平行光管位于观察者右方，或五棱镜背离前置镜方向移动，应如何判别分划面的调节方向？
8．五棱镜法调校平行光管时，若五棱镜的入射面与出射面间的夹角不是严格的90°角，试分析对调校结果有无影响？
9．从对准误差与分辨率的关系，分析五棱镜法调校平行光管的实验装置中，诸参量应如何正确选择？
10．用五棱镜法调校平行光管，平行光管物镜的球差曲线如图2.2所示，且分划面落于球差曲线以内某一位置处。
当移动五棱镜时，分析平行光管分划像相对前置镜分划应如何措动？
图2.2
附录：
平行光管技术性能及其主要附件介绍。
550型和1200型平行光管的技术数据
名称
型号
物镜
相对孔径
高斯目镜
照明灯规格
焦距
口径
焦距
视放大率
550型平行光管
5W
550mm
55mm
1∶10
44mm
5.7×
6V·2.1W
1200型平行光管
32W
1200mm
80mm
1∶15
44mm
5.7×
6V·30W
主要附件：
（1）可调式平面反射镜：
口径100mm，装在可绕左右上下两相互垂直的轴线微转动的调节架上。
调节时，每一方向由一只调节螺钉控制。
（2）四种分划板
a．十字分划板，调校平行光管用。
b．傅科型分辨率板，用于测透镜分辨率。
c．星点板通光孔径0.05mm，用于星点法检验透镜像质。
d．Porro板，有间距分别为1、2、4、10、20mm的五对线，线间距精度±0.001mm，供测透镜焦距用。
实验三V棱镜折光仪测折射率和色散
一、实验目的
1．掌握V棱镜法测量光学玻璃折射率与色散的原理及其测量方法。
2．熟悉V棱镜折光仪的结构与操作方法，了解影响测量精度的诸因素。
二、实验要求及所用器具
1．用WYV型V棱镜折光仪分别测光学玻璃对D、C、F、e、g、h谱线的折射率，并求得色散值。
2．所用器具：
WYV型V棱镜折光仪、钠灯、汞灯、氢灯、待测玻璃试样、折射浸液等。
三、测量原理及方法
1．测理原理
V棱镜法测理折射率的原理如图3.1所示。
V棱镜乃是一块带有“V”形缺口的组合棱镜，它由两块材料性能完全相同的直角棱镜胶合而成。
V棱镜的材料折射率n0是已知的。
V形缺口的张角∠AED为90°，两个棱角∠A、∠D均为45°。
图3.1V棱镜法测折射率原理图
1V棱镜；2—待测试样
待测试样应磨出两个互成90°的平面，置于V形缺口内，为使两者的表面很好地贴合，其间加入少量的与试样折射率大致相同的折射浸液。
单色平行光垂直AB面射入。
经V棱镜和试样，最后从CD面射出。
若待测试样折射率n与n0相同，则入射的单色平行光将不发生住何偏折地从CD面射出。
此时仪器的度盘有一零位读数。
若n≠n0，出射光线相对于入射光线将有偏角。
显然角的大小、正负与n有关。
测出角，则待测试样在测量条件下对某一波长的折射率为
（3-1）
当n＞n0时，出射光线向上偏折，取“＋”号。
角由度盘的0°～30°范围读值；当n＜n0时，出射光线向下偏折取“-”号，由度盘的360°～330°范围读值。
2．V棱镜折光仪简介
按上述原理制成的专用仪器称为V棱镜折光仪，如图3-2所示，主要由准直系统1、对准望远镜2和精密测角系统3组成。
准直系统由平行光管及照明装置组成，以给出垂直射向V棱镜的单色平行光。
其分划线（单线）平行于V棱镜的V型缺口底棱。
对准望远镜可绕度盘主轴转动，以便确定透过V棱镜的光束方向。
为减少杂光，准直系统的分划选用狭缝方式照明细丝；为确保系统对各单色光均有良好的像质，准直物镜和望远物镜均采用复消色差物镜。
图3.2V棱镜折光仪光学系统略图
1—准直系统；2—对准望远镜；3—精密测角系统
精密测角系统由度盘及其照明系统和读数显微镜组成。
由于对准望远镜在瞄准时带动度盘一道转动，故通过读数显微镜可读得偏折角值。
其中“度”，“十分”由度盘直接读得，小数部分由测微尺读出，仪器最小格值为0.05分。
为扩大仪器的测量范围，仪器附有三块不同折射率的V棱镜供选用。
3．测量方法
（1）制备试样：
两直角面细磨或抛光，直角误差＜1′。
（2）制备折射浸液，其折射率nL与待测试样折射率n之差控制在0.01范围内。
（3）依据被测样品折射率选定V棱镜，使｜n-n0｜≤0.2。
（4）校零位读数：
将校正零位用的标准玻璃块涂以相应的折射浸液后，放入V棱镜V槽内，并注意排除其间气泡。
用对准望远镜的双线对准平行光管的单线像。
此时读数应校成0°0.00′。
如校后仍有余数，则以该数作为零位读数。
更换V棱镜或改变单色光的波长时均需校零位。
（5）取下标准块，仿上述办法放入试样，重新对准读数五次。
各数经零位修正后，再求平均值。
即得被测试样对某一谱线的偏角
，依次测得试样对D、C、F、e、g、h谱线的偏折角。
参看表3-1进行记录。
表3-1V棱镜法测量玻璃折射率的数据记录表
V棱镜编号noD________noC________noF________
noe________nog________noh________
被测试样编号No________浸液折射率nLD________
零位读数____________________________________
复测次数
D
C
F
e
g
h
1
2
3
4
5
平均值
（6）由平均值查-（n-n0）表或代入式（3-1），即得到待桧试样对各单色光的折射率，并求得色散值。
四、测量误差分析
折射率的测量标准偏差为
（3-2）
式中（n0）——V棱镜的折射率标准偏差；（）——偏角的测量标准偏差。
上式中的微商可由式（3-1）求得
偏折角的测量标准偏差包括下述三个因素：
度盘刻线的标准偏差σ1，对准望远镜的单次对准标准偏差σ2以及读数显微镜的读数标准偏差σ3。
在测角θ时，需要两次对准和两次读数，故角的测量偏准偏差为
σ（n0）通常是用精密测角仪以最小偏向角法测得的。
一般不大于5×10-6；而σ（θ）一般可控制在1.5×10-5弧度范围内。
对应的σ（n）可达到（1～2）×10-5，这满足一般的折射率测量精度要求。
五、思考题
1．要使V棱镜折光仪达到预期的测量精度，你认为实验过程中应满足那些测试要求？
2．本仪器中对准直物镜与对准望远镜物镜的像差校正有什么要求？
3．为何要规定一块V棱镜只适用测量折射率为某一范围的玻璃试样？
4．若采用一对样品法（即用同一待检玻璃做成两块偏差不大于5′的直角形试样，然后再将两直角的一个面胶合在一起，磨另一面成平角），应如何测折射率？
这样做有什么好处？
5．若已知V棱镜折光仪的对准望远镜放大率Γ＝6×，读数显微镜总倍率ΓM＝58×，度盘刻度直径φt＝114.6mm，格值中读差σ＝±2″，请你估算一下θ角的测量误差有多大？
6．实验过程中，放入折射浸液有什么作用？
对折射浸液有什么要求？
应如何配制？
7．平行光管的分划面的单线应按什么方向放置？
其透光狭缝有什么用？
8．度盘转轴为什么要与V棱镜的V型缺口棱边平行？
9．测各谱线的折射率时，共用一个D光的零位读数可以吗？
为什么？
附录
按我国无色光学玻璃的国家标准规定：
每种玻璃应给出7种光谱线的折射率。
表3-2列出7种谱线的波长，符号及产生这些谱线的元素灯。
表3-2列出了常用折射液的折射率及色散值。
表3-2
谱线符号
波长（nm）
元素灯
备注
h
404.7
汞（Hg）灯
当元素灯同时发出几条光谱
线时，为得到某一波长的谱
线，需配用相应波长的滤光
片。
g
435.8
汞（Hg）灯
F
486.1
氢（H）灯
e
546.1
汞（Hg）灯
D
589.3
钠（Na）灯
C
656.3
氢（H）灯
A
766.5
钾（K）灯
表3-2常用折射液的折射率和色散（表中*为常用的）
液体名称
nD
nF—nC
煤油*
1.446
0.0088
液体石腊
1.480
0.0086
丁香油
1.533
0.0174
三溴甲烷
1.593
0.0181
碘苯
1.620
0.0253
—溴代萘*
1.656
0.0320
—碘代萘*
1.705
0.0375
二碘甲烷
1.741
0.0375
二碘甲烷加硫磺的饱和液
1.787
0.0423
溴化硒（Se2Br2）
1.960
实验四简式偏光应力仪测量玻璃双折射
一、实验目的
1．掌握简式偏光应力仪测量玻璃双折射的原理和方法。
2．会根据干涉色来计算双折射，并确定光学玻璃的等级。
二、实验内容及所用器具
1．利用简式偏光应力仪测量被测试样的双折射
2．所用器具：
简式偏光应力仪、被测试样。
三、实验原理及方法
1．测量原理
光学玻璃在退火过程中，由于各处温度不均匀而保留下来的应力称为残余应力，它会引起双折射。
光学玻璃的质量指标是以光通过1cm厚的玻璃时，由o光和e光所产生的光程差表示的。
若玻璃厚度为d，通过该玻璃时，o光和e光的光程差为△，则双折射为
（4-1）
式中，no，ne—分别为o光与e光的折射率。
光学玻璃双折射的测量实际上就是测量o光和e光的光程差。
由于o光和e光都是线偏振光，故双折射测量都是用偏振光干涉实现的。
干涉色法是利用线偏振光干涉，由干涉色的识别来确定光程差的大小。
为此，自然光须经起偏器变成线偏振光入射。
若玻璃不产生双折射，则仍以线偏振光射出。
使检偏器的主方向与起偏器正交，则人眼看到的是暗视场。
若玻璃具有双折射，则出射的o光和e光之间具有稳定光程差，通过检偏器将发生干涉。
由干涉色可判定光程差，并确定双折射等级。
玻璃的双折射以垂直应力方向上单位厚度内o光与e光的光程差δ（nm/cm）表示，按表4-1分为四类。
表4-1
类别
玻璃中部光程差δ（nm∙cm-1）
1
2
1a
4
2
6
3
10
4
20
5
50
2．测量方法
带有全波片的偏光仪如图4.1所示。
起偏器与检偏器正交，两者间放有全波片。
全波片的两个主方向（快慢轴）与起偏器的主方向成45°。
打开光源后，人眼通过检偏器看到视场中干涉色为均匀的紫红色。
将待检试样放在台面玻璃板上，视场中的干涉色将依据试样各部位光程差的大小发生相应的变化。
图4.1偏光仪光学系统
1—光源；2—隔热片；3—聚光镜；
4—反射镜；5—起偏器；6—全波片；
7—发散透镜；6—台面玻璃；
9—待检玻璃；10—检偏器
测量时，可一边绕着仪器光轴转动试样，一边观察干涉色变化，找出试样中干涉色变化较大的某一部位（一般研究试样的中部），并确定最高色序和最低色序的两个位置，然后查表求得这两个色序对应的光程差，取二者的平均值，然后带到公式4.1中求出双折射δ，再在表4-1找到试样所对应的玻璃等级。
由于该法存在着对干涉色判别的主观误差，其灵敏度较低，只适用于测量精度要求不高的场合。
四、思考题
1.提高简式偏光应力仪测量精度的方法有哪些？
2.测量圆板玻璃时，将观察到什么现象，试分析之。
3.为什么用双折射光程差来表示光学玻璃应力的大小，试分析之。
实验五光学零件曲率半径测量
一、实验目的
1．掌握自准显微镜法测量球面曲率半径的原理和方法。
2．熟悉3C型自准球径仪的结构特征及其测量范围。
3．了解影响测量精度的主要因素，并能正确地给出测量误差。
二、实验内容及所用器具
1．用3C型自准球径仪分别测量凸、凹球面的曲率半径。
2．所用工具：
3C型自准球径仪、待测凸、凹球面光学零件。
三、实验原理及方法
1.测量原理：
自准球径仪测量凹球面曲率半径的原理如图5.1所示。
自准球径仪的核心部分是自准显微镜。
利用自准显微镜分别对待测球面的球心C和顶点A进行自准直调焦（可由自准分划像清晰无视差的成在分划处判定）。
借助投影测长机构测出两次调焦时，自准显微镜（或待测球面）沿轴移动的距离，即为衍测球面的曲牵半径。
在实际测量中，为了获得尽可能高的测量精度，仪器备有一套不同放大率的物镜供选用。
国产3C型自准球径仪结构如图5-2所示，主要由测量座、夹持器组件以及底座等三大部分组成。
图5.1自准球径仪测曲率半径的原理图
1—待测球面；2—自准显微镜
图5.2自准球径仪结构示意图
1—测量座；2—夹持器组件；3—底座
测量座由可沿底座导轨方向移动的上、下滑板、自准显微镜、200mm长精密玻璃刻尺以及投影读数器组成。
借助手轮，自准显微镜能沿光轴方向进行粗动和微调，其位置可由玻璃刻尺经投影读数器（最小格值0.001mm）测得。
夹持器可依据待测面曲率半径的名义值，沿导轨床面定位在某一刻线标志处。
夹持器用于装卡和调整待测光学件。
转动其上的两调节螺，即可使待测球面分别沿水平和垂直方向做倾斜微调，以将球心准确调到显微镜瞄准轴线上。
2.测量步骤
由待测球面的口径、曲率半径尺寸及要求的精度选用适当倍率的显微镜。
仪器备有4×、10×和40×物镜供选用。
由待测球面曲率半径名义值，将夹持器沿导轨床面装定到需要刻线标志位置。
将待测件装卡到夹持器上。
轴向微动测量座并微调待测件使自准显微镜的目镜视场中，观察到过球心的清晰且无视差的自准像。
在投影读数器读得对应球心的位置读数x1。
移动测量座，使自准显微镜对待测面顶点调焦，直至目镜视场中再次看到清晰无视差的自准像。
读得对应球面顶点的位置读数x2，则被检面的曲率半径R应为
R＝x2—x1＋x0（5-1）
式中x0为夹持器装定位置的刻线标志读数（0、200、400、600、……）。
测凸球面曲率半径的步骤也大致类同，只是所测半径范围受到显微镜工作距限制。
四、测量误差
（5-2）
式中1——夹持器的定位误差；2——投影读数器的读数标准偏差；3——自准显微镜的两次调焦误差；4——玻璃刻尺的刻线标准偏差。
五、思考题
1．自准球径仪测球面曲率半径时，球面顶点自准像与球心自准像，哪个好找些？
为什么？
2．为提高自准显微镜的清晰度法的调焦精度，其光学参量应怎样选择？
3．凸球面曲率半径的测量范围由什么限定？
在不降低测量精度条件下，可否增大凸球面的半径测量范围？
4．测R＜200mm的凹球面曲率半径，夹持器座的定位误差对曲率半径测量精度有否影响？
为什么？
5．用自准球径仪测R为30mm，口径为25mm的凸凹对板，发现所得数据不一致，问哪个结果更可靠些？
实验六平面光学元件的光学不平行度测量
一、实验目的
1．掌握比较测角仪的使用和测量玻璃平板光学不平行度的原理和方法。
2．掌握测量反射棱镜光学不平行度的原理和方法。
二、实验内容及所用器具
1．测量直角棱镜DⅠ—90°的光学不平行度，并判别角度误差和棱差。
2．测量直角棱镜DⅡ—180°的光学不平行度，判别角误差和棱差。
3．所用器具：
GXY型比较测角仪、待测玻璃平板、直角棱镜DⅠ—90°和DⅡ—180°。
三、测量原理和方法
1．测量原理
若反射棱镜存在角误差或棱差，则展成的玻璃平板将存在不平行度，称为反射棱镜的光学不平行度。
其中，在入射光轴截面内的不平行度分量称为第一光学不平行度Ⅰ（它是由角度误差引起的）；而垂直光轴截面方向的不平行度分量称第二光学不平行度Ⅱ（由棱差产生的）。
自准直法测量光学不平行度的原理如图6.1所示。
由自准望远镜射出的一束平行光，分别经玻璃平板的前后面反射，在望远镜的视场中得到互成角的两个像，则玻璃平板的不平行度
（6-1）
图6.1自准直法测光学不平行度原理图
1—待测玻璃平板；2—自准望远镜
式中n——玻璃平板的析射率。
考虑到自准望远镜分划是按实际角度值之半标注的，故
（6-2）
2．比较测角仪简介
测量光学不平行度常用的仪器是光学比较仪。
如GXY—1型双管比较测角仪。
它由底座、支座、两个阿贝式自准望远镜和承物台构成。
阿贝式自准望远镜的光学系统如图6.2所示，由物镜、直角棱镜、分划板、照明棱镜和目镜组成。
分划最小格值为15″。
3．测量方法
（1）测直角棱镜DⅠ—90°的光学不平行度如图6.3所示，待测棱镜放承物台上，使
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