“薄透镜焦距的测定”实验方法探究

"薄透镜焦距测定"作为几何光学的基础实验课,其目的不仅为了配合光学的基础理论知识,让学生掌握几何光学成像的规律和原理,更重要的是培养学生将所学的光学知识与实际应用相结合,用科学方法解决实际问题。本文基于薄透镜成像规律,系统分析了薄透镜焦距测定的不同方法中产生的误差来源,并提出了实验的改进方法。     

图解法分析自聚焦透镜的物像关系

从自聚焦透镜的成像特性出发,导出了自聚焦透镜与普通透镜相同的高斯物像公式.采用理想光具组图解法分析了自聚焦透镜子午光线的成像.该成像法只需要找出基点、基面的位置,利用两条特殊光线,便可以在确定物体具体位置和高度的情况下通过图解法,得出像的具体位置和大小.对直径为1.82 mm的自聚焦透镜的物像关系进行了实验研究,结果表明图解法能够很好地分析自聚焦透镜成像.     

透镜成像规律的新教法

关于透镜成像规律,在初中物理课程中就通过作图法作了简单介绍,在中专和高中物理课程中又作了类似的讲述.其共同的特点都是以一块完整的凸透镜为例.总结出了凸透镜成像作图时,常用的三条光线.所以,学生自然也就认为:只有一块完整的透镜才能按上述规律成像,可见他们对透镜的成像规律还没有完全掌握. 针对这种现象,我在中专物理课程中讲述这部分内容时,首先向学生提出了这样一个问题:半块和小于半块的凸透镜将如何成像?听     

三维空间凸透镜成像坐标定位法

通过深入探究空间点和线段的凸透镜成像规律, 概括总结创建出一新的成像方法“ 凸透镜成像坐标定 位法” . 突破解决了传统几何光学“ 透镜成像作图法”所无法解决的一些难题, 可精确定位每一像点在坐标系中的位 置以及物体凸透镜成像的形状, 画出三维空间物体跨越焦平面时的立体发散图像. 举例阐明了“ 凸透镜成像坐标定 位法”的作图要点及注意事项     

利用测节仪测量透镜组基点位置的变化规律

分析透镜组位于测节仪不同位置时的成像情况,得出转动测节仪前后像点的位置随像方节点与转轴距离变化的规律,从而更有目的性的调节透镜组的位置,使透镜组的像方节点与转轴重合,测量出透镜组的基点,并加深对透镜组基点的理解和测节器的认识.     

用浸液干涉法测光学透镜的折射率

测定光学成像系统和光学数据处理系统中的光学透镜的折射率比较困难,这是因为光学透镜的折射率确定要依赖于透镜的各种光学参数,如焦距、曲率半径、厚度等。本文介绍的浸液干涉法就可以较满意地解决这一问题,并有相当高的精度。     

非球面液滴微透镜固化控制和焦斑测量研究

利用电场改变液滴透镜的面形得到非球面,并实时检测其面形和焦斑图像,在适当的时候用紫外光固化液滴制作具有良好光学性能的非球面微透镜.比较了非球面液滴微透镜在固化前后面形、焦斑的变化和对透镜性能的影响,讨论了液滴透镜在固化过程中变形的机理和相应的解决方法.用分辨率50 nm的光斑探针扫描仪精确测量了固化后的非球面微透镜的聚焦光斑,测得了光斑轴向分布曲线和均方根直径3.384μm的聚焦光斑,经图像处理计算了透镜的点扩散函数和光学传递函数,评价了所制作的非球面微透镜的聚光和成像能力,并给出了透镜的实际成像图像,对于完善高品质非球面微透镜及其阵列的制作工艺具有重要意义.     

充液型可调焦液态透镜

可调焦液态透镜因具备体积小、成像好、调焦方便等优点而备受瞩目.使用透明的弹性薄膜和光学平板玻璃将一定体积的液体封装在圆柱形的空腔内,当空腔内的液体体积变化时,透镜的曲率半径随之而改变,实现了透镜的可调焦.实验表明,该可调焦液态透镜有较好的成像效果,在一定液体体积变化范围内符合薄透镜成像的规律,在通讯、国防、医疗等方面具...     

基于光子计数的合作目标“量子”成像

在实验上研究了赝热光照明下, 基于光子计数模式的合作目标“量子”成像, 并给出理论模型和解释. 研究表明, 利用光子计数的单光子探测器代替以往光强度线性探测器作为桶探测器在“量子”成像中同样适用. 实验发现, 合 作目标的反射信号可穿透弱散射介质实现成像, 该技术在减小光学成像透镜孔径方面具有潜在的应用价值. 对比了基于强度关联成像和压缩感知算法的“量子”成像结果, 并得出实用性结论. 本文的方案为“量子”成像的实际应用提供了新方法.     

高分辨PAL成像系统的设计研究

基于全景环形透镜的成像技术是全景成像中的一种最具潜力的成像方式,具有高分辨率的长焦距全景环形透镜成像系统光学结构较复杂,结构设计是首要解决的问题.本文根据全景环形透镜成像系统的光路结构及成像特性,详细讨论了全景环形透镜和转像透镜组两部分的设计方法,分别设计了单块全景环形透镜和复杂化全景环形透镜,并对它们的像差特性做了对比,分析了它们之间的光路衔接条件和像差补偿方案.该设计采用小尺寸CCD离轴扫描接收环形像,同时分析了这种扫描机构的可行性.系统要求在300m处需分辨250mm大小的物体,通过计算合理地选择了系统焦距和CCD型号并制定了一套技术指标.最终设计出了焦距8mm,F/#3.2,侧向视场40°~100°的高分辨全景环形透镜成像系统,系统由三胶合结构的全景环形透镜和8片6组的转像透镜组构成,所有表面均为球面.该系统全视场的调制传递函数在80lp/mm处均高于0.5,最大视场像面的相对照度高于0.95,全视场f-θ畸变在±3%以内,该设计很好地满足了使用要求.     

透镜成像的图象分析方法

关于透镜成像问题 ,中专教材共提供了两种方法 ,即作图法及公式法 ,作图法即是采用发自于物体的三条特殊光线通过透镜汇交成像的方法 ,严格按比例绘图而成 ;公式法就是1u 1v=1f,通过这个公式来研究物距 u,像距 v与焦距 f的关系 .我在教学中还采用了一种图象分析方法 ,这种方法可以提示学生解决物理问题如何充分利用数学工具 ,不拘一格 ,寻求反映物理规律的最佳途径 .现介绍如下 :1　图象若凸透镜焦距为 f,物距为 u,像距为 v,可建立直角坐标系 uov,横轴为物距 u,纵轴为像距为 v,在 ou及 ov轴上 ,以焦距 f为边长作正方形 of Pf并过 P点任作一…     

机载多尺度广域高分辨率成像系统设计

针对机载光电成像系统的大视场高分辨率成像需求,设计一种基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率光学成像系统,该光学系统包括大尺度共心球透镜和小尺度次级相机阵列,具有结构紧凑的优点。根据共心球透镜所具有的球差和色差特性,并结合小尺度相机对像差进行进一步校正以分割视场,可以实现大视场高分辨率成像。全系统在受力以及高、低温的条件下进行实验,实验结果表明该成像系统具有良好的稳定性,且全视场范围内的调制传递函数值恒接近于系统的衍射极限,弥散斑半径的方均根值小于探测器的像元尺寸,说明该系统的成像效果良好。所提系统可以有效解决传统机载成像系统难以同时满足大视场和高分辨率的问题,为光学成像系统设计提供一种新思路。     

对光声成像系统中声透镜的二元声学研究

基于二元声学的方法提出了一种折射／衍射混合声透镜设计方案,该声透镜在对光声信号进行二维成像时体现出了极大的优越性,与单声透镜相比,除了有实时成像、成像焦深较大且可以利用时间分辨技术实现层析成像的优点外,还可以利用二元声学透镜独特的色散特性校正单声透镜的轴向色差,可以极大提高成像的分辨力。通过计算机模拟了有一定带宽的点声源通过该声透镜像面上的点扩展函数,与经单声透镜的结果比较,可以看出点扩展函数弥散斑得到明显改善,极大地消除色差对成像质量的影响。     

含有圆孔平板电极结构的双凸液体透镜的设计与分析

基于平行平板电极的变焦液体透镜的有关研究,通过应用介电泳效应,提出了一种含有圆孔平板电极结构的双凸液体透镜模型,是一种新型的三层液体透镜结构.利用Comsol,Matlab和Zemax软件仿真分析了该模型在不同电压下的面型变化与成像光路,得出其变焦范围为22.6—15.9 mm,并对制备的器件进行具体的实验分析,获得了不同电压下双凸液体透镜的液滴上下界面面型和该透镜的变焦范围23.8—17.5 mm,与仿真结果基本一致,而且其成像分辨率可达到45.255 lp/mm.结果表明,所提出的这种新型三层液体结构的双凸液体透镜具有结构简单、易于实现的特点,而且具备良好的成像质量.     

双凹厚透镜曲率半径和折射率的测定

观察双凹厚透镜的球面反射成像,利用这一实验现象结合物像公式测定双凹厚透镜前后表面的曲率半径和折射率。利用两次球面反射成像可求出双凹厚透镜的曲率半径,两种方法可比较。对于薄透镜,这种方法可以修正在实际测量中忽略透镜厚度所产生的误差。     

基于AOTF成像光谱精密测量技术的研究

声光可调滤波器(AOTF)作为光谱成像的一种新型分光元件,在运用其进行成像光谱时,一般选择入射光垂直于AOTF入射面时所对应的衍射中心波长为CCD的光谱测量波长。但在实际测量中,空间目标不同位置的光线总是以不同的角度进入到AOTF,这样就导致了CCD实际测量的光谱和以光垂直入射时所对应的光谱为测量光谱相比出现误差,影响了光谱的测量精度。采用的成像光谱系统的特点是目标光线经前置光学系统、AOTF和成像透镜后,聚焦成像于透镜的焦平面上,实现了目标光在整个系统的一次成像。此一次成像与传统的二次成像相比,能够有效的提高光能利用率和成像质量。由于AOTF的视场角为±3°,所以通过对AOTF视场角范围内衍射中心波长随入射角度变化的实际规律进行了分析研究,并对衍射波长随入射角度变化的实际测量值进行了拟合修正,得到了修正方程。实验结果表明用修正后的方程进行光谱测量,其相对误差值可以减小一个数量级。此方法可为今后提高AOTF成像光谱测量精度奠定基础。     

基于电磁超表面的透镜成像技术研究进展

电磁超表面属于超材料的一种,是由许多亚波长纳米结构单元组成的二维功能性平面结构.根据惠更斯原理,超表面阵列可以任意调控光波的相位、振幅和偏振.与传统器件相比,基于这种超材料设计的光学功能器件最大的优势是其具有极薄的厚度.本文首先介绍了广义斯涅耳定律以及纳米单元结构调控相位的基本原理,重点归纳了电磁超表面在透镜成像技术方面的研究进展,包括等离子体超表面、全介质超表面以及金属/介质混合式超表面在成像方面的应用,最后指出了超表面在成像方面尚未解决的前沿问题以及与实际应用接轨的重要问题,希望能为以后的深入研究提供一定的参考和借鉴.     

无光焦度3贴合薄透镜组初始结构参数求解方法探讨

3透镜无光焦度校正板由3个单透镜组成,可以用来校正光学系统中其他光学元件引入的像差.本文运用三级像差理论分析了3透镜无光焦度校正板的像差特性,给出了一种求解3透镜无光焦度校正板参数的计算方法,得出了相应的计算公式,并通过具体的计算实例验证了这些公式的正确性.     

基于可见光的多波长衍射透镜的设计与分析

针对传统衍射透镜在可见光波段工作波长单一、色散严重等问题,提出一种能同时在多个波长工作的衍射透镜的设计方法,该设计方法可以让衍射透镜在几个波长处具有相同位置的焦点,解决了传统衍射透镜在成像时焦点偏移的问题,将所设计的透镜命名为多波长衍射透镜。通过最小化一个目标函数来寻找衍射透镜表面每一个位置的最佳微结构高度,该目标函数描述了多波长衍射透镜在工作波长处的复透射函数与传统衍射透镜的复透射函数的偏差。基于该方法设计了适用于三波段的衍射透镜,并采用标量衍射理论进行仿真分析,结果显示其在设计波段内具有良好的消色差效果。     

基于渥拉斯顿棱镜的单路实时偏振成像系统设计

针对非实时成像中动态场景偏振探测产生的虚假偏振信息问题,充分利用渥拉斯顿棱镜的分光特性,设计了一种新型实时偏振成像系统.采用像方远心望远透镜系统、准直透镜系统并设计匹配的成像镜系统,在单探测器阵列上同时获取偏振态相互垂直的两幅偏振图像.通过全系统联动设计与优化,系统的调制传递函数在截止频率处不小于0.55,全系统弥散斑均方根半径小于5.3μm,即小于探测器像元尺寸,满足成像设计要求.仿真结果证明该成像系统可有效解决传统分振幅偏振成像系统的实时性差的不足,分孔径偏振成像系统的能量利用率和分辨率低的问题以及偏振焦平面方法中光路串扰的缺陷,应用前景广阔.