一种测量薄凸透镜焦距的实验装置的制作方法

本实用新型涉及一种光学演示教学实验装置，具体是涉及一种检测薄凸透镜像方空间的光线强度分布情况来判定薄凸透镜焦点位置，研究薄凸透镜焦距测量的实验装置。

背景技术：

在光学中，薄透镜是指透镜的厚度与焦距的长度比较时，可以被忽略不计的透镜。透镜成像属于几何光学中的重要组成部分，对大学生而言，了解透镜成像规律，理解透镜成像原理，熟悉调节光路的方法，掌握薄透镜焦距的测量方法是光学学习的基本要求。

当前测量薄凸透镜焦距的仪器有很多，主要可以分为两种：一种是自动化光学参数测量设备，测量精度高、功能齐全，但价格昂贵，同时对学生了解透镜成像规律而言帮助甚微；另一种是实验室常用的教学演示仪器，这类仪器通常采用手动测量的方式，根据眼睛观察成像清晰情况判断薄凸透镜焦距，通过实际操作学生能对透镜成像规律有了进一步的认识，提高对光学学习的兴趣，但这类仪器的测量准确度较低，由于操作过程中人为影响因素过多导致最终测量出的焦距结果误差偏大，这样对学生的学习积极性产生影响甚至会对成像规律的准确性产生怀疑。

实验课程中使用的测量薄凸透镜焦距的常用方法有共轭法、自准法，理论方法较为成熟，影响手动测量焦距结果多为人为因素，主要体现有：首先，实验装备过程中光学系统建立时同轴等高的调节不仅操作繁琐而且准确度较低；其次，测量过程中清晰像点选取完全是根据人眼判断，眼睛判断带来的误差无法避免。因此，实验上常用的手动测量焦距结果存在很大误差。

本实用新型主要是针对以上问题提出的，提出了一种减小人为因素影响测量误差的薄凸透镜焦距测量装置，具体而言：简化同轴等高调节的人为操作步骤，同时提高调节精度，利用检测薄凸透镜像方空间的光线强度分布情况从数值上判断找出透镜焦点位置，进而测量出薄凸透镜的焦距。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种测量薄凸透镜焦距的实验装置，能够减小实验过程中人为因素带来的测量误差。该装置包括光具座，点光源，透镜框，标准薄凸透镜，待测薄凸透镜，光强检测探头，支架，导线，显示屏，激光校准装置。

所述的光具座下方四角位置分别设有调节螺母，上方固定有轨道，轨道附近贴有标尺。

所述的点光源中心位置装有LED灯珠，顶部中央位置设有水平仪，底部中央位置设有螺栓孔。

所述的透镜框底部设有螺栓孔，侧壁外部设有紧固透镜螺栓。

所述的光强检测探头中心位置设有光传感器，前方中心位置设有通光孔，底部中央位置设有螺栓孔。

所述的支架底部设有指针，指针与支架的立柱所构成的平面和所述的光具座上的轨道垂直，支架的顶部设有螺栓柱，支架的下部设有紧固立柱螺栓。

所述的光强检测探头与所述的显示屏通过所述的导线连接。

所述的激光校准装置分为激光发射器和校准器，激光发射器固定在所述的点光源顶部，校准器分别固定在所述的透镜框顶部和所述的光强检测探头顶部。

所述的支架可以在所述的光具座上方轨道自由移动，所述的支架顶部螺栓柱与所述的点光源底部螺栓孔、所述的透镜框底部螺栓孔及所述的光强检测探头底部螺栓孔连接；所述的标准薄凸透镜和所述的待测薄凸透镜放置在所述的透镜框内，利用所述的透镜框侧壁紧固透镜螺栓进行固定。所述的激光发射器与所述的点光源光心距离、所述的校准器与所述的透镜框中心的距离以及所述的校准器与所述的光强检测探头中心的距离这三个距离是相同的。

一种测量薄凸透镜焦距的实验装置，利用所述水平仪、激光校准装置完成光学系统同轴等高的调节：调整支架立柱高度使得激光发射器所发出的激光能够通过校准器的中心；通过观察所述的支架底部指针与所述光具座上标尺重合的位置来读取点光源、标准薄凸透镜、待测量薄凸透镜、光强检测探头的坐标；移动光强检测探头的位置，观察显示屏上光强读数变化，研究待测薄凸透镜像方空间的光强分布情况，寻找光强最大值的位置，从而找到待测薄凸透镜的焦点位置，最终实现对待测薄凸透镜焦距测量的目的。

利用本实用新型进行薄凸透镜焦距的测量具有以下几项优点：

1.借助水平仪、激光校准装置完成光学测量系统同轴等高的调节，简化了手动操作步骤，同时提高同轴等高的调节精度。

2.通过研究待测薄凸透镜像方空间的光强分布情况，寻找光强最大值的位置，从而找到待测薄凸透镜的焦点位置，这样有助于减少因人眼识别清晰像点位置出现失误所产生的误差。

附图说明

图1本实用新型装置整体结构图 图9透镜框的下视图

图2光具座的前视图 图10透镜框的上视图

图3光具座的上视图 图11光强探测器的结构图

图4光具座的右视图 图12光强探测器的前视图

图5点光源的上视图 图13光强探测器的下视图

图6点光源的前视图 图14支架的前视图

图7点光源的下视图 图15支架的右视图

图8透镜框的前视图 图16显示屏的前视图

标号说明：

1-光具座，11-调节螺母，12-轨道，13-标尺

2-点光源，21-LED灯珠，22-水平仪，23-点光源底部螺栓孔

3-透镜框，31-紧固透镜螺栓，32-透镜框底部螺栓孔

4-标准薄凸透镜

5-待测薄凸透镜

6-光强检测探头，61-光强传感器，62-通光孔，63-光强检测探头底部螺栓孔

7-支架，71-螺栓，72-紧固立柱螺栓，73-指针，74-立柱

8-导线

9-显示屏，91-光强读数

10-激光校准装置，101-激光发射器，102-校准器

具体实施方式

本实用新型涉及一种测量薄凸透镜焦距的实验装置，利用水平仪、激光校准装置完成光学系统同轴等高的调节：调整支架立柱高度使得激光发射器所发出的激光能够通过校准器的中心；通过观察支架底部指针与光具座上标尺重合的位置来读取点光源、标准薄凸透镜、待测量薄凸透镜、光强检测探头的坐标；移动光强检测探头的位置，观察显示屏上光强读数变化，研究待测薄凸透镜像方空间的光强分布情况，寻找光强最大值的位置，从而找到待测薄凸透镜的焦点位置，最终实现对待测薄凸透镜焦距测量的目的。具体实施方式如下：

1.光学系统的建立：

(1)将点光源底部螺栓孔23、透镜框底部螺栓孔32、光强检测探头底部螺栓孔63分别与支架7顶部螺栓71连接固定；将标准薄凸透镜4和待测量薄凸透镜5分别放入透镜框3中，并用紧固透镜螺栓31固定；光强检测探头6与显示屏9通过导线8连接。

(2)将固定有点光源2、标准薄凸透镜4、待测量薄凸透镜5和光强检测探头6的支架依次排列放置在光具座1的轨道12上。

(3)观察点光源2顶部水平仪22，调节光具座1底部四角的调节螺母11，使得水平仪22中的气泡处在水平仪中心位置。

(4)打开点光源2顶部的激光发射器101，依次调节标准薄凸透镜4、待测量薄凸透镜5和光强检测探头6的支架立柱74高度，使激光发射器101所发的光线能够依次通过带有标准薄凸透镜4透镜框、带有待测量薄凸透镜5透镜框及光强检测探头顶部6的校准器102中心，并利用支架下方的紧固立柱螺栓72固定支架立柱74高度。激光发射器101与点光源2光心的距离、校准器102与透镜框3中心的距离以及校准器102与所述的光强检测探头6中心的距离这三个距离是相同的，因此将激光发射器101与三个校准器102调整到同一水平高度即完成光学系统的同轴等高的调节。

2.薄凸透镜焦距测量过程：

(1)标准薄凸透镜4的焦距是已知的，参照支架7底部指针73在光具座标尺13的读数位置，依次放置点光源2和标准薄凸透镜4，使两者距离等于标准薄凸透镜4的焦距即点光源2处于标准薄凸透镜4的焦点位置。

(2)将待测薄凸透镜放置5在标准薄凸透镜4后面，记录此时待测薄凸透镜5的位置读数X₁。

(3)将光强检测探头6放置待测薄凸透镜5后面，光线经过光强检测探头6前方中心通光孔62由光传感器61检测所在位置的光强，并将光强的大小通过导线8传输至显示屏9显示，移动光强检测探头观察显示屏9光强读数91的变化，分别记录光强检测探头6位置X和显示屏9光强读数91的大小I，绘制出I-X变化曲线，寻找到光强的最大值I_max并记录此时对应的光强检测探头6位置X₂，随即得到待测薄凸透镜的焦距：F＝|X₂-X₁|。

本实用新型中点光源的LED使用的是红光LED灯珠，光强检测探头中的光传感器使用的是BOS21M光传感器。以上所述的硬件材料是本领域的常见型号，且仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本实用新型实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。