專利名稱：薄凹透鏡焦距自動測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發明屬于物理實驗儀器的設計與制造技術領域，尤其涉及一種薄凹透鏡焦距自動測量技術。
背景技術：
在大學物理實驗中，薄透鏡焦距的測量是最基本的實驗。常用的測量方法有自準法、物距-像距法、共軛法以及透鏡組合法。測量薄凹透鏡的焦距主要采用透鏡組合法。無論哪種方法，都需要人眼去判斷成像的清晰程度，進而確定像屏位置。由于個人的視覺習慣不同和像差的限制，因此，像屏位置一般很難準確確定，測量結果的精度一般都不高。此外光源、物屏和像屏選取的不同，也會對成像清晰程度的判斷帶來一定的影響。綜上所述，如果這些影響因素疊加，測量結果可能會出現較大誤差。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種薄凹透鏡焦距自動測量技術，有效地提高薄凹透鏡焦距的測量精度。根據本發明的一個方面，提供一種薄凹透鏡焦距自動測量裝置，所述裝置包括LED光源、光源濾鏡、黑色帶孔物屏、可滑動擋板、凸透鏡、凹透鏡卡槽、光強傳感器、黑色像屏、傳動桿、電動機、液晶顯示屏、CPU控制器、啟動開關、超聲波測距傳感器、運行底座和支架、裝置外殼和狀態指示燈，其中，所述CPU控制器是所述裝置的中央控制器，負責所有輸入數據的處理和控制信號的輸出，其實現為所述裝置中的主控電路板；所述LED光源在所述CPU控制器的控制下為所述裝置提供光源；所述光源濾鏡是一凸透鏡，所述LED光源設置在所述光源濾鏡的焦平面上，以保證射到所述黑色帶孔物屏上的光線為平行光線；所述黑色帶孔物屏是一帶有I字形孔的黑色面板；所述可滑動擋板用于使所述裝置內各光學器件相對于外界密封，從而使凹透鏡焦距測量過程不會受到外界光線的影響；所述凸透鏡用于與待測凹透鏡形成組合透鏡，從而進行凹透鏡焦距的測量；所述凹透鏡卡槽是一半圓形卡槽，用于容納待測凹透鏡；所述光強傳感器附著在所述黑色像屏上，在所述CPU控制器的控制下進行光強度的檢測，并將檢測結果送至所述CPU控制器進行處理；所述黑色像屏固定在所述傳動桿上，可隨所述傳動桿移動；所述電動機在所述CPU控制器的控制下驅動所述傳動桿的移動；所述傳動桿帶有螺紋，在所述電動機的驅動下帶動固定在其上的所述黑色像屏移動；所述超聲波測距傳感器固定在所述黑色帶孔物屏的下端，在所述CPU控制器的控制下測量所述黑色帶孔物屏和所述黑色像屏之間的距離，并將測量結果送至所述CPU控制器進行處理；所述運行底座和支架支持所述裝置的各光學器件，并保證各光學器件的光心均處
于同一高度；所述液晶顯示屏在所述CPU控制器的控制下數字顯示所測凹透鏡的焦距；所述·狀態指示燈在所述CPU控制器的控制下指示所述裝置中各可控部件的運行狀態；所述啟動開關用于接通所述裝置的電源以啟動所述裝置；以及
所述裝置外殼為所述裝置內的光學器件和其他部件提供機械保護。根據本發明的另一個方面，還提供一種薄凹透鏡焦距自動測量方法，所述方法包括如下步驟:步驟1:將待測凹透鏡夾在凹透鏡卡槽上；步驟2:當待測凹透鏡夾穩后，滑動可滑動擋板使各光學器件相對于外界密封，從而使測量過程不受外界光線影響；步驟3 =CPU控制器觸發LED光源工作，LED光源所發出光線經光源濾鏡后變為平行光線，再經黑色帶孔物屏上的I字形孔均勻射到待測凸透鏡上，并在黑色像屏上成像；步驟4:光強傳感器檢測黑色像屏接收到的光照強度，同時電動機帶動傳動桿上的黑色像屏移動，當光強傳感器第一次檢測到光強最大時，制動電動機以停止黑色像屏移動，并啟動超聲波測距傳感器測距，從而得到黑色帶孔物屏到黑色像屏的第一距離b ；步驟5:電動機帶動傳動桿上的黑色像屏繼續向右移動，當光強傳感器第二次檢測到光強最大時，再次制動電動機停止黑色像屏移動，并再次啟動聲波測距傳感器測距，從而得到黑色帶孔物屏到黑色像屏的的第二距離c ;以及步驟6 =CPU控制器計算得到待測凹透鏡的焦距，
r (b-a)(c-a)其中，在所述步驟6中，所使用的測量凹透鏡的焦距的公式為J-其
c
中，a是黑色帶孔物屏到凹透鏡卡槽的固定距離，b是在步驟4中所得到的第一距離，c是在步驟5中所得到的第二距離，利用上述公式計算得到待測凹透鏡的焦距f。優選地，所述方法還包括步驟7 =CPU控制器將計算得到的凹透鏡焦距在液晶顯示屏上顯示。根據上述技術方案，本發明通過光強的檢測精確地判斷成像的清晰程度，從而有效地提高了薄凹透鏡焦距的測量精度。本發明的技術先進合理，自動化程度高，測量快速準確，是一種有效的薄凹透鏡焦距自動測量技術。
圖1是本發明具體實施方式
中薄凹透鏡焦距自動測量裝置的實物示意圖；圖2是本發明具體實施方式
中薄凹透鏡焦距自動測量裝置的功能結構圖；圖3是本發明具體實施方式
中薄凹透鏡焦距自動測量方法的步驟流程圖。
具體實施方式
圖1是本發明具體實施方式
中薄凹透鏡焦距自動測量裝置的實物示意圖。如圖1所示，本發明具體實施方式
中的薄凹透鏡焦距自動測量裝置包括LED光源1、光源濾鏡2、黑色帶孔物屏3、可滑動擋板4、凸透鏡5、凹透鏡卡槽6、光強傳感器7、黑色像屏8、傳動桿
9、電動機10、液晶顯示屏11、CPU控制器12、啟動開關13、超聲波測距傳感器14、運行底座和支架15、裝置外殼16和狀態指示燈17等。圖2是本發明具體實施方式
中薄凹透鏡焦距自動測量裝置的功能結構圖。圖中各部件間的帶箭頭虛線表示光線射入路徑，帶箭頭實線表示控制信號或者數據信號的傳輸路徑，不帶箭頭的實線表示部件間在物理上有一定連接關系。下面就結合圖1、2對具體實施方式
中薄凹透鏡焦距自動測量裝置的重要部件做進一步介紹。CPU控制器12是該薄凹透鏡焦距自動測量裝置的中央控制器，負責所有輸入數據的處理和控制信號的輸出，其具體可實現為裝置中的主控電路板。LED光源I在CPU控制器12的控制下為裝置提供光源，其避免了采用鎢絲白熾燈帶來的散熱等一些問題。光源濾鏡2是一凸透鏡，LED光源I設置在此凸透鏡的焦平面上，以保證射到黑色帶孔物屏3上的光線為平行光線。黑色帶孔物屏3是一帶有I字形孔的黑色面板。可滑動擋板4用于使裝置內各光學器件相對于外界密封，從而使凹透鏡焦距測量過程不會受到外界光線的影響。凸透鏡5用于與待測凹透鏡形成組合透鏡，從而進行凹透鏡焦距的測量。凹透鏡卡槽6是一半圓形卡槽，用于容納待測凹透鏡。光強傳感器7附著在黑色像屏8上，在CPU控制器12的控制下進行光強度的檢測，并將檢測結果送至CPU控制器12進行處理。黑色像屏8固定在傳動桿9上，可隨傳動桿9移動。電動機10在CPU控制器12的控制下驅動傳動桿的移動。該傳動桿9帶有螺紋，在電動機10的驅動下帶動固定在其上的黑色像屏8移動。超聲波測距傳感器14固定在黑色帶孔物屏3的下端，在CPU控制器12的控制下測量黑色帶孔物屏3和黑色像屏8之間的距離，并將測量結果送至CPU控制器12進行處理。運行底座和支架15支持裝置的各光學器件(包括LED光源1、光源濾鏡2、黑色帶孔物屏3、凸透鏡5、黑色像屏8等)，并保證各光學器件的光心均處于同一高度。液晶顯示屏11在CPU控制器12的控制下數字顯示所測透鏡的焦距。狀態指示燈17在CPU控制器12的控制下指示裝置中各可控部件的運行狀態。啟動開關13用于接通裝置電源以啟動裝置。裝置外殼16為裝置內的光學器件和其他部件提供機械保護。圖3是本發明具體實施方式
中薄凹透鏡焦距自動測量方法的步驟流程圖。該方法的原理在于如果圖像不清晰，特別是邊緣模糊時，是由于實物邊緣點發出的光線并沒有匯聚到像屏上造成的。因此當圖像清晰時，即光線匯聚于像屏上時光照強度為最大。如圖3所示，具體實施方式
中的薄凹透鏡焦距自動測量方法包括如下步驟步驟1:將待測凹透鏡夾在凹透鏡卡槽上。步驟2 :當待測凹透鏡夾穩后，滑動可滑動擋板使各光學器件相對于外界密封，從而使測量過程不受外界光線影響。步驟3 =CPU控制器觸發LED光源工作，LED光源所發出光線經光源濾鏡后變為平行光線，再經黑色帶孔物屏上的I字形孔均勻射到待測凸透鏡上，并在黑色像屏上成像。步驟4 :光強傳感器檢測黑色像屏接收到的光照強度，同時電動機帶動傳動桿上的黑色像屏移動，當光強傳感器第一次檢測到光強最大時，即光線經過凸透鏡形成的實像(對于待測凹透鏡相當于一個虛物)在黑色像屏成清晰的像時，制動電動機以停止黑色像屏移動，并啟動超聲波測距傳感器測距，從而得到黑色帶孔物屏到黑色像屏的第一距離b。步驟5:電動機帶動傳動桿上的黑色像屏繼續向右移動，當光強傳感器第二次檢測到光強最大時，再次制動電動機停止黑色像屏移動，并再次啟動聲波測距傳感器測距，從而得到黑色帶孔物屏到黑色像屏的的第二距離C。步驟6 =CPU控制器計算得到待測凹透鏡的焦距。具體地，由于本發明裝置的運行底座和支架保證各光學器件光心處于同一高度，而且LED光源、光源濾鏡、黑色帶孔物屏、凸透鏡和凹透鏡卡槽都處于固定位置，因此黑色帶孔物屏到凹透鏡卡槽的距離為一定值a。根據凹薄透鏡成像公式(I):
權利要求
1.一種薄凹透鏡焦距自動測量裝置，其特征在于，所述裝置包括:LED光源、光源濾鏡、黑色帶孔物屏、可滑動擋板、凸透鏡、凹透鏡卡槽、光強傳感器、黑色像屏、傳動桿、電動機、液晶顯示屏、CPU控制器、啟動開關、超聲波測距傳感器、運行底座和支架、裝置外殼和狀態指示燈，其中， 所述CPU控制器 是所述裝置的中央控制器，負責所有輸入數據的處理和控制信號的輸出，其實現為所述裝置中的主控電路板； 所述LED光源在所述CPU控制器的控制下為所述裝置提供光源； 所述光源濾鏡是一凸透鏡，所述LED光源設置在所述光源濾鏡的焦平面上，以保證射到所述黑色帶孔物屏上的光線為平行光線； 所述黑色帶孔物屏是一帶有I字形孔的黑色面板； 所述可滑動擋板用于使所述裝置內各光學器件相對于外界密封，從而使凹透鏡焦距測量過程不會受到外界光線的影響； 所述凸透鏡用于與待測凹透鏡形成組合透鏡，從而進行凹透鏡焦距的測量； 所述凹透鏡卡槽是一半圓形卡槽，用于容納待測凹透鏡； 所述光強傳感器附著在所述黑色像屏上，在所述CPU控制器的控制下進行光強度的檢測，并將檢測結果送至所述CPU控制器進行處理； 所述黑色像屏固定在所述傳動桿上，可隨所述傳動桿移動； 所述電動機在所述CPU控制器的控制下驅動所述傳動桿的移動； 所述傳動桿帶有螺紋，在所述電動機的驅動下帶動固定在其上的所述黑色像屏移動；所述超聲波測距傳感器固定在所述黑色帶孔物屏的下端，在所述CPU控制器的控制下測量所述黑色帶孔物屏和所述黑色像屏之間的距離，并將測量結果送至所述CPU控制器進行處理； 所述運行底座和支架支持所述裝置的各光學器件，并保證各光學器件的光心均處于同一高度； 所述液晶顯示屏在所述CPU控制器的控制下數字顯示所測凹透鏡的焦距； 所述狀態指示燈在所述CPU控制器的控制下指示所述裝置中各可控部件的運行狀態； 所述啟動開關用于接通所述裝置的電源以啟動所述裝置；以及 所述裝置外殼為所述裝置內的光學器件和其他部件提供機械保護。
2.一種薄凹透鏡焦距自動測量方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟: 步驟1:將待測凹透鏡夾在凹透鏡卡槽上； 步驟2:當待測凹透鏡夾穩后，滑動可滑動擋板使各光學器件相對于外界密封，從而使測量過程不受外界光線影響； 步驟3 =CPU控制器觸發LED光源工作，LED光源所發出光線經光源濾鏡后變為平行光線，再經黑色帶孔物屏上的I字形孔均勻射到待測凸透鏡上，并在黑色像屏上成像； 步驟4:光強傳感器檢測黑色像屏接收到的光照強度，同時電動機帶動傳動桿上的黑色像屏移動，當光強傳感器第一次檢測到光強最大時，制動電動機以停止黑色像屏移動，并啟動超聲波測距傳感器測距，從而得到黑色帶孔物屏到黑色像屏的第一距離b ； 步驟5:電動機帶動傳動桿上的黑色像屏繼續向右移動，當光強傳感器第二次檢測到光強最大時，再次制動電動機停止黑色像屏移動，并再次啟動聲波測距傳感器測距，從而得到黑色帶孔物屏到黑色像屏的的第二距離C ;以及 步驟6 =CPU控制器計算得到待測凹透鏡的焦距， 其中，在所述步驟6中，所使用的測量凹透鏡的焦距的公式為
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括步驟7 =CPU控制器將計算得到的凹透鏡焦距在液晶顯示屏上`顯示。
全文摘要
本發明公開了一種薄凹透鏡焦距自動測量裝置及其測量方法。本發明通過光強的檢測精確地判斷成像的清晰程度，從而有效地提高了薄凹透鏡焦距的測量精度。本發明的技術先進合理，自動化程度高，測量快速準確，是一種有效的薄凹透鏡焦距自動測量技術。
文檔編號G01M11/02GK103076157SQ20131000215
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月5日 優先權日2013年1月5日
發明者宋宏偉, 王啟銀, 楊春華, 郭小龍 申請人:山西省電力公司大同供電分公司, 國家電網公司