一種測(cè)量薄凹透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)儀器的制作方法

本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)儀器，具體是涉及一種基于物距像距法為原理、利用CCD相機(jī)捕捉觀察成像光斑情況，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式測(cè)量薄凹透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)儀器。

背景技術(shù)：

光學(xué)領(lǐng)域中，薄透鏡是一類透鏡中心厚度比透鏡焦距或曲率半徑小很多的透鏡。透鏡成像屬于幾何光學(xué)中的重要組成部分，對(duì)大學(xué)生而言，理解透鏡成像規(guī)律，熟悉透鏡成像原理，掌握薄透鏡焦距的測(cè)量方法是光學(xué)學(xué)習(xí)的基本要求。

目前，使用的測(cè)量薄凹透鏡焦距的儀器有很多，主要有兩類：一類是自動(dòng)化測(cè)量設(shè)備，這類儀器的測(cè)量精度高、功能齊全，但是無法充分展示出透鏡成像規(guī)律；另一類是手動(dòng)測(cè)量設(shè)備，這類儀器是高校物理實(shí)驗(yàn)光學(xué)教學(xué)演示中主要使用的儀器，使學(xué)生能夠?qū)ν哥R成像規(guī)律有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，提高對(duì)光學(xué)學(xué)習(xí)的興趣根據(jù)眼睛，但由于測(cè)量過程中人為因素的影響對(duì)成像清晰情況判斷出現(xiàn)偏差致使準(zhǔn)確度較低，這樣不僅對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性產(chǎn)生影響甚至?xí)?duì)成像規(guī)律的準(zhǔn)確性產(chǎn)生懷疑。

本實(shí)用新型主要是針對(duì)以上問題提出的，提出了一種基于物距像距法為原理，，利用CCD相機(jī)捕捉成像光斑，在數(shù)值、圖像上精確判斷成像光斑的大小、強(qiáng)度，能夠快速精確測(cè)量的同時(shí)也可以清晰直觀地展示出薄透鏡成像規(guī)律，并輔助學(xué)生加深對(duì)成像規(guī)律的理解，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式測(cè)量薄凹透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)儀器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量薄凹透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)儀器，包括：點(diǎn)光源，薄凸透鏡組件，薄凹透鏡組件，像屏，遮光筒，外殼，活動(dòng)軌道，調(diào)節(jié)檔桿，傳動(dòng)裝置，紅外測(cè)距裝置，顯示屏，CPU控制器。

所述的點(diǎn)光源包括：底座，支架，光源框，LED燈珠和通光孔，其中所述的 LED燈珠置于所述的點(diǎn)光源中心，所述的通光孔位于所述的點(diǎn)光源的前壁中心位置。

所述的薄凸透鏡組件包括：底座，支架，透鏡框和薄凸透鏡，其中所述的薄凸透鏡的焦距是已知的。

所述的薄凹透鏡組件包括：底座，支架，透鏡框和待測(cè)薄凹透鏡。

所述的像屏包括：底座，支架，像屏框，像屏板和CCD模塊，其中所述的 CCD模塊附著在所述的像屏板上，所述的像屏框的內(nèi)壁設(shè)有螺紋，所述的底座設(shè)有凸起的齒輪紋。

所述的遮光筒設(shè)有螺紋，所述的螺紋與所述的像屏框的螺紋相匹配，并且所述的遮光筒的內(nèi)徑與所述的像屏框的內(nèi)徑相同。

所述的活動(dòng)軌道有四個(gè)支撐立柱和兩個(gè)調(diào)節(jié)立柱，所述的支撐立柱分別置于底部四角，所述的調(diào)節(jié)立柱分別置于中心軸線的兩端，每個(gè)支撐立柱高度相同并且高于調(diào)節(jié)立柱的高度。

所述的外殼為儀器各部件提供盛放空間，內(nèi)部?jī)啥说闹行妮S線位置各有一個(gè)凸起的圓形立柱，并且所述的圓形立柱高度小于所述的活動(dòng)軌道的支撐立柱的高度。

所述的調(diào)節(jié)檔桿上設(shè)有一個(gè)圓形孔和一個(gè)直槽口，其中所述的圓形孔的孔徑與所述的活動(dòng)軌道的調(diào)節(jié)立柱的直徑相同，所述的直槽口寬度與所述的外殼的圓形立柱直徑相同，所述的調(diào)節(jié)檔桿的厚度小于所述的活動(dòng)軌道的支撐立柱的高度。

所述的傳動(dòng)裝置包括：電機(jī)，齒輪和傳動(dòng)帶，其中所述的傳動(dòng)帶上設(shè)有齒輪紋，所述的傳動(dòng)帶上的齒輪紋、所述的像屏底座的齒輪紋與所述的齒輪相吻合。

所述的紅外測(cè)距裝置包括紅外測(cè)距發(fā)射器和紅外測(cè)距接收器各兩個(gè)，其中所述的兩個(gè)紅外測(cè)距發(fā)射器設(shè)置在所述的點(diǎn)光源的底座橫向中軸線上，所述的兩個(gè)紅外測(cè)距接收器分別設(shè)置在所述的薄凹透鏡組件的底座和所述的像屏的底座的橫向中軸線上。

所述的顯示屏設(shè)有圖像顯示區(qū)域和數(shù)值顯示區(qū)域，其中所述的圖像顯示區(qū)域內(nèi)容有：光斑圖樣和像屏中心光功率分布情況的切換顯示，光功率隨物距變化的分布曲線，所述的數(shù)值顯示區(qū)域內(nèi)容有：物體位置，像點(diǎn)位置，透鏡位置及計(jì)算得到的焦距。

所述的CPU控制器是所述的實(shí)驗(yàn)儀器的中央控制器，其負(fù)責(zé)所述實(shí)驗(yàn)儀器的所有的數(shù)據(jù)處理和信號(hào)處理。

所述的薄凹透鏡組件的支架高度與所述的點(diǎn)光源的支架高度、所述的薄凸透鏡組件的支架高度、所述的像屏的支架高度是相同的，并保證所述的薄凹透鏡、所述的點(diǎn)光源、所述的薄凸透鏡、所述的像屏的光心處于同一高度。

所述的遮光筒的螺紋與所述的像屏的像屏框內(nèi)壁的螺紋是匹配的，用于遮擋部分外界進(jìn)入所述的像屏的CCD模塊的光線。

所述的活動(dòng)軌道與所述的外殼通過所述的調(diào)節(jié)檔桿連接，所述的活動(dòng)軌道調(diào)節(jié)立柱置于所述的調(diào)節(jié)檔桿的圓孔內(nèi)，所述的外殼的圓形立柱置于所述的調(diào)節(jié)檔桿的直槽口內(nèi)。

所述的CPU控制器的面板上設(shè)有電源鍵，手動(dòng)測(cè)量按鍵和自動(dòng)測(cè)量按鍵。

所述的CPU控制器進(jìn)一步包括：電源控制模塊，傳動(dòng)裝置控制模塊，紅外測(cè)距控制模塊，CCD控制模塊，焦距計(jì)算模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，顯示器控制模塊，晶振電路，復(fù)位電路，CPU。

所述的電源控制模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)控制所述的實(shí)驗(yàn)儀器的各個(gè)部件的電源；所述的傳動(dòng)控制模塊用于控制傳動(dòng)裝置工作；所述的紅外測(cè)距控制模塊用于控制紅外測(cè)距發(fā)射器與紅外測(cè)距接收器的信號(hào)傳輸；所述的CCD控制模塊用于控制CCD 信號(hào)的采集、傳輸；所述的焦距計(jì)算模塊負(fù)責(zé)利用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算薄凹透鏡焦距；所述的顯示控制模塊用于調(diào)控顯示器面板上數(shù)值及圖像的顯示；所述的CPU采用 STC89C54型芯片。

自動(dòng)測(cè)量模式下，第一步，放置薄凸透鏡，使其與點(diǎn)光源之間的距離大于自身的焦距；第二步，紅外測(cè)距控制模塊、傳動(dòng)裝置控制模塊、顯示器控制模塊、 CCD控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊啟動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)帶使像屏移動(dòng)，采集記錄此過程中光功率隨像屏位置的變化曲線并由顯示屏顯示，曲線峰值所對(duì)應(yīng)的像屏位置也會(huì)在顯示器給予顯示，即物體位置x₁；第三步，將薄凹透鏡放置在薄凸透鏡與像屏之間，紅外測(cè)距控制模塊、顯示器控制模塊啟動(dòng)，顯示器顯示凹透鏡位置，即透鏡位置O；第四步，紅外測(cè)距控制模塊、傳動(dòng)裝置控制模塊、顯示器控制模塊、CCD控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊啟動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)帶使像屏移動(dòng)，采集記錄此過程中光功率隨像屏位置的變化曲線并由顯示屏顯示，曲線峰值所對(duì)應(yīng)的像屏位置也會(huì)在顯示器給予顯示，即像點(diǎn)位置x₂；第五步，焦距計(jì)算模塊利用公式求出薄凹透鏡焦距f。

手動(dòng)測(cè)量模式是在自動(dòng)測(cè)量模式的基礎(chǔ)上，手動(dòng)移動(dòng)改變像屏位置，并切換觀察光斑顯示與像屏中心光功率圖像，找到光功率最大的兩個(gè)位置，即物體位置 x₁和像點(diǎn)位置x₂，可以參考自動(dòng)模式測(cè)得的光功率隨物距變化曲線上的兩個(gè)峰值位置，著重對(duì)比測(cè)量?jī)蓚€(gè)峰值位置附近的光功率，然后根據(jù)公式計(jì)算得到薄凹透鏡焦距。

手動(dòng)測(cè)量模式的設(shè)計(jì)目的在于：以精確測(cè)量薄凹透鏡焦距為前提，能夠讓學(xué)生親自動(dòng)手操作，通過觀察成像光斑圖樣及像屏中心光功率的分布情況，熟悉光功率隨物距變化的分布曲線，進(jìn)一步理解薄凹透鏡的成像規(guī)律。

利用本實(shí)用新型進(jìn)行薄凹透鏡焦距的測(cè)量具有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：

1.通過數(shù)值、圖像相結(jié)合的方式對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，精確的判斷成像的清晰程度，從而有效地提高薄凹透鏡的測(cè)量精度。

2.成像光斑圖樣、像屏中心光功率的分布圖像以及光功率隨物距變化的分布曲線能夠清晰直觀地展示出薄透鏡成像規(guī)律。

3.利用手動(dòng)、自動(dòng)相結(jié)合的測(cè)量模式，方便、快速、準(zhǔn)確得到薄凹透鏡焦距，同時(shí)也能夠加深學(xué)生對(duì)薄透鏡成像規(guī)律的理解。

附圖說明

圖1本實(shí)用新型儀器整體結(jié)構(gòu)示意圖 圖9顯示屏前視圖

圖2本實(shí)用新型儀器整體結(jié)構(gòu)前視圖 圖10活動(dòng)軌道右視圖

圖3本實(shí)用新型儀器整體結(jié)構(gòu)縱向剖面圖 圖11 CPU控制器前視圖

圖4本實(shí)用新型儀器整體結(jié)構(gòu)橫向剖面圖 圖12光斑圖樣

圖5點(diǎn)光源示意圖 圖13像屏中心光功率分布

圖6薄凸透鏡示意圖 圖14光功率隨物距變化曲線

圖7薄凹透鏡示意圖 圖15 CPU控制器的電路模塊圖

圖8像屏和遮光筒示意圖 圖16自動(dòng)測(cè)量模式流程圖

標(biāo)號(hào)說明：

1：點(diǎn)光源，1-1：底座，1-2：支架，1-3：點(diǎn)光源框，1-4：LED燈珠，1-5：通光孔

2：薄凸透鏡，2-1：底座，2-2：支架，2-3：透鏡框，2-4：標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡

3：薄凹透鏡，3-1：底座，3-2：支架，3-3：透鏡框，3-4：待測(cè)薄凹透鏡

4：像屏，4-1：底座，4-2：支架，4-3：像屏框，4-4：像屏板，4-5：CCD 模塊，4-6：螺紋，4-7：齒輪紋

5：遮光筒，5-1：螺紋

6：外殼，6-1：圓形立柱

7：活動(dòng)軌道，7-1：支撐立柱，7-2：調(diào)節(jié)立柱

8：調(diào)節(jié)檔桿，8-1：直槽口，8-2：圓形孔

9：傳動(dòng)裝置，9-1：齒輪，9-2：傳動(dòng)帶，9-3：電機(jī)

10：紅外測(cè)距裝置，10-1：紅外測(cè)距發(fā)射器，10-2：紅外測(cè)距接收器

11：顯示器，11-1：光斑/光功率顯示區(qū)，11-2：曲線顯示區(qū)，11-3：物體位置數(shù)值顯示區(qū)，11-4：像點(diǎn)位置數(shù)值顯示區(qū)，11-5：透鏡位置數(shù)值顯示區(qū)，11-6：焦距數(shù)值顯示區(qū)，11-7：計(jì)算按鍵，11-8：切換按鍵

12：CPU控制器，12-1：電源按鍵，12-2：手動(dòng)測(cè)量按鍵，12-3：自動(dòng)測(cè)量按鍵

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型涉及提出了一種基于物距像距法為原理，利用CCD相機(jī)捕捉成像光斑，在數(shù)值、圖像上精確判斷成像光斑的大小、強(qiáng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式測(cè)量薄凹透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)儀器，具體實(shí)施方式如下：

首先，利用自動(dòng)測(cè)量模式對(duì)薄凹透鏡的焦距進(jìn)行精確測(cè)量：

第一步：放置薄凸透鏡：按照如圖4所示方式撥動(dòng)調(diào)節(jié)檔桿8，將薄凸透鏡 2放入至活動(dòng)軌道7上，調(diào)節(jié)薄凸透鏡2位置使其與點(diǎn)光源1之間距離大于標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡2-4的焦距，然后按如圖4所示方式反向撥動(dòng)調(diào)節(jié)檔桿8，使活動(dòng)軌道 7復(fù)位。

第二步：測(cè)定物體位置：點(diǎn)擊CPU控制器12面板電源按鍵12-1和自動(dòng)測(cè)量按鍵12-3，像屏4在傳動(dòng)帶9-2的驅(qū)動(dòng)下在活動(dòng)軌道7內(nèi)移動(dòng)，像屏4上的CCD 模塊4-5檢測(cè)此過程中的光功率變化情況，并在顯示器11的各相應(yīng)區(qū)域顯示圖像，光功率隨物距變化曲線會(huì)在曲線顯示區(qū)11-2中顯示，如圖14中實(shí)線顯示，其中峰值所對(duì)應(yīng)位置為物體位置x₁，其數(shù)值大小會(huì)由物體位置數(shù)值顯示區(qū)11-3 中給出。

第三步：放置薄凹透鏡：按照如圖4所示方式撥動(dòng)調(diào)節(jié)檔桿8，將薄凹透鏡 3放入至活動(dòng)軌道7上，薄凹透鏡3位于薄凸透鏡2與像屏4之間，然后按如圖 4所示方式反向撥動(dòng)調(diào)節(jié)檔桿8，使活動(dòng)軌道7復(fù)位，薄凹透鏡3所在位置會(huì)由透鏡位置數(shù)值顯示區(qū)11-5中給出，記為O。

第四步：測(cè)定像點(diǎn)位置：點(diǎn)擊CPU控制器12面板上自動(dòng)測(cè)量按鍵12-3，像屏4在傳動(dòng)帶9-2的驅(qū)動(dòng)下在活動(dòng)軌道7內(nèi)移動(dòng)，像屏4上的CCD模塊4-5檢測(cè)此過程中的光功率變化情況，并在顯示器11的各相應(yīng)區(qū)域顯示圖像，光功率隨物距變化曲線會(huì)在曲線顯示區(qū)11-2中顯示，如圖14中虛線顯示，其中峰值所對(duì)應(yīng)位置為像點(diǎn)位置x₂，其數(shù)值大小會(huì)由像點(diǎn)位置數(shù)值顯示區(qū)11-4中給出。

第五步：結(jié)果輸出：測(cè)量所得到的如圖12所示的光斑圖樣以及如圖13所示的像屏中心光功率分布情況會(huì)在顯示器11上的光斑/光功率顯示區(qū)11-1顯示，點(diǎn)擊切換按鍵11-8根據(jù)需要切換觀察圖像，點(diǎn)擊計(jì)算按鍵11-7，焦距計(jì)算模塊啟動(dòng)，結(jié)合以上步驟所得物體位置x₁、像點(diǎn)位置x₂及透鏡位置O，依據(jù)公式求出薄凹透鏡焦距f，并在焦距數(shù)值顯示區(qū)11-6中顯示。

然后，參照自動(dòng)測(cè)量的圖像及結(jié)果對(duì)手動(dòng)測(cè)量模式進(jìn)行介紹：

第一步：調(diào)至手動(dòng)測(cè)量：按照如圖4所示的方向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)擋桿8，使活動(dòng)軌道7向右移動(dòng)，此時(shí)像屏4上的齒輪紋4-7與傳動(dòng)帶9-2分離。

第二步：手動(dòng)測(cè)量：點(diǎn)擊CPU控制器12面板上的手動(dòng)測(cè)量按鍵12-2，針對(duì)以下兩種情況分別手動(dòng)移動(dòng)像屏4的位置，觀察顯示器11上的圖形及數(shù)值變化情況：

第一種情況：活動(dòng)軌道7上的光學(xué)儀器有：點(diǎn)光源1，薄凸透鏡2，像屏4；

第二種情況：活動(dòng)軌道7上的光學(xué)儀器有：點(diǎn)光源1，薄凸透鏡2，薄凹透鏡3，像屏4。

第三步：數(shù)據(jù)測(cè)量與計(jì)算：觀察自動(dòng)測(cè)量所得在曲線顯示區(qū)11-2中顯示的光功率隨物距變化曲線，如圖14所示，參照在曲線峰值所對(duì)應(yīng)的物距位置移動(dòng)像屏4，并將光斑/光功率顯示區(qū)11-1切換顯示為像屏中心光功率分布，如圖13 所示，尋找并記錄第二步中兩種情況下光功率最大時(shí)數(shù)值顯示區(qū)域的數(shù)值，即物體位置數(shù)值顯示區(qū)11-3顯示的數(shù)值x₁、像點(diǎn)位置數(shù)值顯示區(qū)11-4顯示的數(shù)值x₂，觀察并記錄此時(shí)薄凹透鏡3所在的位置，即透鏡位置數(shù)值顯示區(qū)11-5顯示的數(shù)值O，依據(jù)公式計(jì)算得出薄凹透鏡焦距f。

本實(shí)用新型中點(diǎn)光源的LED使用的是紅光LED燈珠，紅外測(cè)距裝置使用的是 GP2D12型紅外測(cè)距傳感器，CCD模塊使用的是TSL1401型CCD傳感器，CPU采用 STC89C54型芯片，電機(jī)采用STP-42D2060型步進(jìn)電機(jī)。以上所述的硬件材料是本領(lǐng)域的常見型號(hào)，且僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本實(shí)用新型實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變換，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。