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exp:common:tjxc [2021/10/14 09:55] cenyan [实验目的与要求] |
exp:common:tjxc [2022/03/28 20:36] (当前版本) cenyan [透镜像差的观察与测量] |
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=======透镜像差的观察与测量======= | =======透镜像差的观察与测量======= | ||
- | 高性能光学成像系统在军事、科研、医学、民用上有大量应用,如导弹的导引头、光电系统中的热成像装置、天文望远镜、摄像机镜头等。像差是衡量成像质量的一项重要指标。对像差进行测量,可以审核成像系统的设计和制造质量。在物理教学中,像差相关内容较少,学生对这方面问题缺乏理解。因而有必要设计合适的像差实验,加深学生对像差的理解,形成一定的物理图像。 | + | 高性能光学成像系统在军事、科研、医学、民用上有大量应用,如导弹的导引头、光电系统中的热成像装置、天文望远镜、摄像机镜头等。像差是衡量成像质量的一项重要指标。对像差进行测量,可以审核成像系统的设计和制造质量。在物理教学中,像差相关内容较少,学生对这方面问题缺乏理解。因而有必要设计合适的像差实验,加深学生对像差的理解,形成正确的物理图像。 |
球差是最基本的几何像差,常见的球差测量方法包括焦面测量法、刀口阴影测量法和哈特曼测量法。 | 球差是最基本的几何像差,常见的球差测量方法包括焦面测量法、刀口阴影测量法和哈特曼测量法。 | ||
焦面测量法是基于两组干涉条纹的重合获得各环带光束焦点的位置,在测量时需利用光的干涉现象反复移动CMOS,测量过程反复,距离测量精度对结果影响极大;刀口阴影测量法是利用刀口遮挡光束,基于遮挡位置与阴影图的关系进行球差测量的方法,其中刀口位置与阴影亮暗交替条纹的宽度间定量关系复杂,不便于数值计算;哈特曼测量法是二次截面测量法,巧妙地对光线追迹图进行模拟并进行球差的测量,其操作繁复,测量工作繁重,不利于实验的开展。 | 焦面测量法是基于两组干涉条纹的重合获得各环带光束焦点的位置,在测量时需利用光的干涉现象反复移动CMOS,测量过程反复,距离测量精度对结果影响极大;刀口阴影测量法是利用刀口遮挡光束,基于遮挡位置与阴影图的关系进行球差测量的方法,其中刀口位置与阴影亮暗交替条纹的宽度间定量关系复杂,不便于数值计算;哈特曼测量法是二次截面测量法,巧妙地对光线追迹图进行模拟并进行球差的测量,其操作繁复,测量工作繁重,不利于实验的开展。 | ||
行 13: | 行 13: | ||
- 掌握调节光学成像系统的方法。 | - 掌握调节光学成像系统的方法。 | ||
- 掌握一种球差的定量测量方法。 | - 掌握一种球差的定量测量方法。 | ||
- | 4 像场弯曲 | ||
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- | 像场弯曲起源于透镜成像的基本规律,对于同一透镜,距离远的物体成像近,反之,距离近的物体,成像远。如图4,平面AB的A点离镜头近,成像于A'点;平面AB中的B点,由于离透镜比A点远,因此,B点经透镜成像于B'点。B'点就得比A'点离镜头近。 | ||
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- | 因此,垂直于主光轴的物平面上发出的光经透镜成像后,清晰的最佳实像面不是平面而是一个曲面,该曲面被称为佩兹瓦尔曲面,该现象也被称为佩兹瓦尔像场弯曲。 | ||
- | {{:exp:common:petzval_curvature.png?400|}} | ||
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- | 图4.像场弯曲示意图 | ||
===== 实验原理 ===== | ===== 实验原理 ===== | ||
1. [[exp:common:spherical aberration|球差及其测量]] | 1. [[exp:common:spherical aberration|球差及其测量]] | ||
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图3. 色差示意图 | 图3. 色差示意图 | ||
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+ | 4 像散 | ||
+ | 像散(Astigmatism)是一种因为大倾角的窄光束所带来的的单色像差。是5种初阶像差之一。 | ||
+ | 由光学系统缺陷所引起,在两个垂直平面中传播的光线聚焦在不同焦点,会观察到两个焦点之间所产生的影像会变得模糊,形成十字的图像。 | ||
+ | 解决方案 | ||
+ | (1).将镜头成像圈覆盖的范围加大,使成像圈中央部分覆盖感光元件。 | ||
+ | (2).适当缩小镜头光圈 | ||
+ | (3).专业软件进行后期处理 | ||
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+ | ———————————Wiki百科 | ||
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+ | (因此如何观察到明显的像散现象可从“解决方案”的反方向出发) | ||
=====实验装置===== | =====实验装置===== | ||
- | 平行光管一台,待测透镜一个,CMOS相机(1/1.8英寸,130万像素,1280*1024,像素大小5.2μm)一个,光具座一台,遮光板一张,遮光布一块,数据线一条,笔记本电脑一台。 | + | 平行光管一台,待测透镜一个,CMOS探测器(1/1.8英寸,130万像素,1280*1024,像素大小5.2μm)一个,光具座一台,遮光板一张,遮光布一块,数据线一条,笔记本电脑一台。 |
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+ | {{:exp:common:像差实验装置2.jpg?1000|}} | ||
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+ | 图4. 像差实验装置图 | ||
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+ | {{:exp:common:像差镜头1.jpg?600|}} | ||
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+ | 图5.像差镜头 | ||
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+ | {{:exp:common:小孔1.jpg?300|}} | ||
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+ | 图6.小孔 | ||
- | {{:exp:common:图_7_实验装置图.jpg?400|}} | + | {{:exp:common:cmos探测器1.jpg?400|}} |
- | 图5. 实验装置图 | + | 图7.CMOS探测器 |
=====实验内容===== | =====实验内容===== | ||
- | 1 光路调节 | + | 1 光路调节(建议完成时间小于15分钟) |
- | 打开平行光管电源,选择红光。 | + | 打开平行光管电源,选择红光(其他颜色也可以),先根据肉眼大致调节平行光管处于水平状态并平行于导轨,移除平行光管中的小孔,移动观察屏根据光斑的位置调节平行光管的水平以及平行于导轨。 |
- | 安装待测透镜,调节透镜使之与平行光管等高。 | + | 调节透镜和CMOS相机使之与平行光管等高。 |
- | 移除平行光管分划板,观察到透镜成像。 | + | 前后移动CMOS相机的位置使得经过透镜的光成像将CMOS相机上。 |
- | 调节平行光管各个旋钮,前后移动遮光板,观察光线经透镜的汇聚情况,将平行光管调至水平。 | + | 将小孔插入平行光管,用遮光布盖住成像系统,打开像差全屏观察软件,观察CMOS上的成像。 |
- | 安装分划板及CMOS相机,将相机调至与平行光管、透镜等高。 | + | |
- | 用遮光布盖住成像系统。打开配套软件,观察到CMOS上的成像。 | + | |
调节相机高度,使光斑位于视野中心。若光斑水平偏移较大,调节平行光管旋钮,使平行光管水平移动。 | 调节相机高度,使光斑位于视野中心。若光斑水平偏移较大,调节平行光管旋钮,使平行光管水平移动。 | ||
转动透镜以及CMOS相机,使光斑为圆形。 | 转动透镜以及CMOS相机,使光斑为圆形。 | ||
- | 2 观察各种像差包括球差、慧差、像散和场曲现象,研究光线汇聚情况。 | + | 2 观察各种像差包括球差、慧差、像散和场曲现象(建议先测量球差和像散),研究光线汇聚情况。(建议完成时间小于60分钟)。 |
- | 转动CMOS鼓轮,前后移动CMOS,观察不同位置的光斑形状、大小并进行记录(包括画图)。分析光斑形状对应的光线汇聚情况 | + | 转动CMOS鼓轮,前后移动CMOS,观察不同位置的光斑形状、大小,画5张以上的反映光斑特征的图并且加以文字说明。 |
- | 3 测量待测透镜的球差 | + | 3 测量待测透镜的球差(建议完成时间小于45分钟)。 |
3.1 <m12>Q_h</m>测量 | 3.1 <m12>Q_h</m>测量 | ||
行 141: | 行 155: | ||
5 利用[[course:design2:zemax1|Zemax]]软件画出像差的虚拟仿真图(选作) | 5 利用[[course:design2:zemax1|Zemax]]软件画出像差的虚拟仿真图(选作) | ||
- | ======注意事项====== | + | |
+ | =====数据处理===== | ||
+ | - 画出四种像差的光路原理图,并阐述四种像差的形成机理和特征。 | ||
+ | - 画图拟合计算球差和不确定度。 | ||
+ | =====注意事项===== | ||
- 注意保护光学透镜表面,不要用手直接接触到光学透镜表面。 | - 注意保护光学透镜表面,不要用手直接接触到光学透镜表面。 | ||
- 用CMOS采集成像信号时,需将小孔插入到平行光管中,并将曝光时间和增益调到最低,然后再开始逐渐增大。 | - 用CMOS采集成像信号时,需将小孔插入到平行光管中,并将曝光时间和增益调到最低,然后再开始逐渐增大。 | ||
- 在CMOS采集成像信号时,注意将遮光布盖住整个光学系统。 | - 在CMOS采集成像信号时,注意将遮光布盖住整个光学系统。 | ||
+ | - 测量顺序建议先定性观察待测球差透镜的球差现象,再定量测量待测球差透镜的球差,然后再依次定性观察像散、慧差、场曲。 | ||
=====参考资料===== | =====参考资料===== | ||