一种测量薄凹透镜焦距的实验仪器的制作方法

本实用新型涉及一种光学测量实验仪器，具体是涉及一种基于物距像距法为原理、利用CCD相机捕捉观察成像光斑情况，能够实现自动、手动两种模式测量薄凹透镜焦距的实验仪器。

背景技术：

光学领域中，薄透镜是一类透镜中心厚度比透镜焦距或曲率半径小很多的透镜。透镜成像属于几何光学中的重要组成部分，对大学生而言，理解透镜成像规律，熟悉透镜成像原理，掌握薄透镜焦距的测量方法是光学学习的基本要求。

目前，使用的测量薄凹透镜焦距的仪器有很多，主要有两类：一类是自动化测量设备，这类仪器的测量精度高、功能齐全，但是无法充分展示出透镜成像规律；另一类是手动测量设备，这类仪器是高校物理实验光学教学演示中主要使用的仪器，使学生能够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根据眼睛，但由于测量过程中人为因素的影响对成像清晰情况判断出现偏差致使准确度较低，这样不仅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。

本实用新型主要是针对以上问题提出的，提出了一种基于物距像距法为原理，，利用CCD相机捕捉成像光斑，在数值、图像上精确判断成像光斑的大小、强度，能够快速精确测量的同时也可以清晰直观地展示出薄透镜成像规律，并辅助学生加深对成像规律的理解，实现自动、手动两种模式测量薄凹透镜焦距的实验仪器。

技术实现要素：

本实用新型涉及一种测量薄凹透镜焦距的实验仪器，包括：点光源，薄凸透镜组件，薄凹透镜组件，像屏，遮光筒，外壳，活动轨道，调节档杆，传动装置，红外测距装置，显示屏，CPU控制器。

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

所述的薄凸透镜组件包括：底座，支架，透镜框和薄凸透镜，其中所述的薄凸透镜的焦距是已知的。

所述的薄凹透镜组件包括：底座，支架，透镜框和待测薄凹透镜。

所述的像屏包括：底座，支架，像屏框，像屏板和CCD模块，其中所述的 CCD模块附着在所述的像屏板上，所述的像屏框的内壁设有螺纹，所述的底座设有凸起的齿轮纹。

所述的遮光筒设有螺纹，所述的螺纹与所述的像屏框的螺纹相匹配，并且所述的遮光筒的内径与所述的像屏框的内径相同。

所述的活动轨道有四个支撑立柱和两个调节立柱，所述的支撑立柱分别置于底部四角，所述的调节立柱分别置于中心轴线的两端，每个支撑立柱高度相同并且高于调节立柱的高度。

所述的外壳为仪器各部件提供盛放空间，内部两端的中心轴线位置各有一个凸起的圆形立柱，并且所述的圆形立柱高度小于所述的活动轨道的支撑立柱的高度。

所述的调节档杆上设有一个圆形孔和一个直槽口，其中所述的圆形孔的孔径与所述的活动轨道的调节立柱的直径相同，所述的直槽口宽度与所述的外壳的圆形立柱直径相同，所述的调节档杆的厚度小于所述的活动轨道的支撑立柱的高度。

所述的传动装置包括：电机，齿轮和传动带，其中所述的传动带上设有齿轮纹，所述的传动带上的齿轮纹、所述的像屏底座的齿轮纹与所述的齿轮相吻合。

所述的红外测距装置包括红外测距发射器和红外测距接收器各两个，其中所述的两个红外测距发射器设置在所述的点光源的底座横向中轴线上，所述的两个红外测距接收器分别设置在所述的薄凹透镜组件的底座和所述的像屏的底座的横向中轴线上。

所述的显示屏设有图像显示区域和数值显示区域，其中所述的图像显示区域内容有：光斑图样和像屏中心光功率分布情况的切换显示，光功率随物距变化的分布曲线，所述的数值显示区域内容有：物体位置，像点位置，透镜位置及计算得到的焦距。

所述的CPU控制器是所述的实验仪器的中央控制器，其负责所述实验仪器的所有的数据处理和信号处理。

所述的薄凹透镜组件的支架高度与所述的点光源的支架高度、所述的薄凸透镜组件的支架高度、所述的像屏的支架高度是相同的，并保证所述的薄凹透镜、所述的点光源、所述的薄凸透镜、所述的像屏的光心处于同一高度。

所述的遮光筒的螺纹与所述的像屏的像屏框内壁的螺纹是匹配的，用于遮挡部分外界进入所述的像屏的CCD模块的光线。

所述的活动轨道与所述的外壳通过所述的调节档杆连接，所述的活动轨道调节立柱置于所述的调节档杆的圆孔内，所述的外壳的圆形立柱置于所述的调节档杆的直槽口内。

所述的CPU控制器的面板上设有电源键，手动测量按键和自动测量按键。

所述的CPU控制器进一步包括：电源控制模块，传动装置控制模块，红外测距控制模块，CCD控制模块，焦距计算模块，数据采集模块，显示器控制模块，晶振电路，复位电路，CPU。

所述的电源控制模块负责驱动控制所述的实验仪器的各个部件的电源；所述的传动控制模块用于控制传动装置工作；所述的红外测距控制模块用于控制红外测距发射器与红外测距接收器的信号传输；所述的CCD控制模块用于控制CCD 信号的采集、传输；所述的焦距计算模块负责利用测量数据计算薄凹透镜焦距；所述的显示控制模块用于调控显示器面板上数值及图像的显示；所述的CPU采用 STC89C54型芯片。

自动测量模式下，第一步，放置薄凸透镜，使其与点光源之间的距离大于自身的焦距；第二步，红外测距控制模块、传动装置控制模块、显示器控制模块、 CCD控制模块和数据采集模块启动，电机驱动齿轮传动带使像屏移动，采集记录此过程中光功率随像屏位置的变化曲线并由显示屏显示，曲线峰值所对应的像屏位置也会在显示器给予显示，即物体位置x₁；第三步，将薄凹透镜放置在薄凸透镜与像屏之间，红外测距控制模块、显示器控制模块启动，显示器显示凹透镜位置，即透镜位置O；第四步，红外测距控制模块、传动装置控制模块、显示器控制模块、CCD控制模块和数据采集模块启动，电机驱动齿轮传动带使像屏移动，采集记录此过程中光功率随像屏位置的变化曲线并由显示屏显示，曲线峰值所对应的像屏位置也会在显示器给予显示，即像点位置x₂；第五步，焦距计算模块利用公式求出薄凹透镜焦距f。

手动测量模式是在自动测量模式的基础上，手动移动改变像屏位置，并切换观察光斑显示与像屏中心光功率图像，找到光功率最大的两个位置，即物体位置 x₁和像点位置x₂，可以参考自动模式测得的光功率随物距变化曲线上的两个峰值位置，着重对比测量两个峰值位置附近的光功率，然后根据公式计算得到薄凹透镜焦距。

手动测量模式的设计目的在于：以精确测量薄凹透镜焦距为前提，能够让学生亲自动手操作，通过观察成像光斑图样及像屏中心光功率的分布情况，熟悉光功率随物距变化的分布曲线，进一步理解薄凹透镜的成像规律。

利用本实用新型进行薄凹透镜焦距的测量具有以下几项优点：

1.通过数值、图像相结合的方式对光强进行检测，精确的判断成像的清晰程度，从而有效地提高薄凹透镜的测量精度。

2.成像光斑图样、像屏中心光功率的分布图像以及光功率随物距变化的分布曲线能够清晰直观地展示出薄透镜成像规律。

3.利用手动、自动相结合的测量模式，方便、快速、准确得到薄凹透镜焦距，同时也能够加深学生对薄透镜成像规律的理解。

附图说明

图1本实用新型仪器整体结构示意图 图9显示屏前视图

图2本实用新型仪器整体结构前视图 图10活动轨道右视图

图3本实用新型仪器整体结构纵向剖面图 图11 CPU控制器前视图

图4本实用新型仪器整体结构横向剖面图 图12光斑图样

图5点光源示意图 图13像屏中心光功率分布

图6薄凸透镜示意图 图14光功率随物距变化曲线

图7薄凹透镜示意图 图15 CPU控制器的电路模块图

图8像屏和遮光筒示意图 图16自动测量模式流程图

标号说明：

1：点光源，1-1：底座，1-2：支架，1-3：点光源框，1-4：LED灯珠，1-5：通光孔

2：薄凸透镜，2-1：底座，2-2：支架，2-3：透镜框，2-4：标准薄凸透镜

3：薄凹透镜，3-1：底座，3-2：支架，3-3：透镜框，3-4：待测薄凹透镜

4：像屏，4-1：底座，4-2：支架，4-3：像屏框，4-4：像屏板，4-5：CCD 模块，4-6：螺纹，4-7：齿轮纹

5：遮光筒，5-1：螺纹

6：外壳，6-1：圆形立柱

7：活动轨道，7-1：支撑立柱，7-2：调节立柱

8：调节档杆，8-1：直槽口，8-2：圆形孔

9：传动装置，9-1：齿轮，9-2：传动带，9-3：电机

10：红外测距装置，10-1：红外测距发射器，10-2：红外测距接收器

11：显示器，11-1：光斑/光功率显示区，11-2：曲线显示区，11-3：物体位置数值显示区，11-4：像点位置数值显示区，11-5：透镜位置数值显示区，11-6：焦距数值显示区，11-7：计算按键，11-8：切换按键

12：CPU控制器，12-1：电源按键，12-2：手动测量按键，12-3：自动测量按键

具体实施方式

本实用新型涉及提出了一种基于物距像距法为原理，利用CCD相机捕捉成像光斑，在数值、图像上精确判断成像光斑的大小、强度，能够实现自动、手动两种模式测量薄凹透镜焦距的实验仪器，具体实施方式如下：

首先，利用自动测量模式对薄凹透镜的焦距进行精确测量：

第一步：放置薄凸透镜：按照如图4所示方式拨动调节档杆8，将薄凸透镜 2放入至活动轨道7上，调节薄凸透镜2位置使其与点光源1之间距离大于标准薄凸透镜2-4的焦距，然后按如图4所示方式反向拨动调节档杆8，使活动轨道 7复位。

第二步：测定物体位置：点击CPU控制器12面板电源按键12-1和自动测量按键12-3，像屏4在传动带9-2的驱动下在活动轨道7内移动，像屏4上的CCD 模块4-5检测此过程中的光功率变化情况，并在显示器11的各相应区域显示图像，光功率随物距变化曲线会在曲线显示区11-2中显示，如图14中实线显示，其中峰值所对应位置为物体位置x₁，其数值大小会由物体位置数值显示区11-3 中给出。

第三步：放置薄凹透镜：按照如图4所示方式拨动调节档杆8，将薄凹透镜 3放入至活动轨道7上，薄凹透镜3位于薄凸透镜2与像屏4之间，然后按如图 4所示方式反向拨动调节档杆8，使活动轨道7复位，薄凹透镜3所在位置会由透镜位置数值显示区11-5中给出，记为O。

第四步：测定像点位置：点击CPU控制器12面板上自动测量按键12-3，像屏4在传动带9-2的驱动下在活动轨道7内移动，像屏4上的CCD模块4-5检测此过程中的光功率变化情况，并在显示器11的各相应区域显示图像，光功率随物距变化曲线会在曲线显示区11-2中显示，如图14中虚线显示，其中峰值所对应位置为像点位置x₂，其数值大小会由像点位置数值显示区11-4中给出。

第五步：结果输出：测量所得到的如图12所示的光斑图样以及如图13所示的像屏中心光功率分布情况会在显示器11上的光斑/光功率显示区11-1显示，点击切换按键11-8根据需要切换观察图像，点击计算按键11-7，焦距计算模块启动，结合以上步骤所得物体位置x₁、像点位置x₂及透镜位置O，依据公式求出薄凹透镜焦距f，并在焦距数值显示区11-6中显示。

然后，参照自动测量的图像及结果对手动测量模式进行介绍：

第一步：调至手动测量：按照如图4所示的方向旋转调节挡杆8，使活动轨道7向右移动，此时像屏4上的齿轮纹4-7与传动带9-2分离。

第二步：手动测量：点击CPU控制器12面板上的手动测量按键12-2，针对以下两种情况分别手动移动像屏4的位置，观察显示器11上的图形及数值变化情况：

第一种情况：活动轨道7上的光学仪器有：点光源1，薄凸透镜2，像屏4；

第二种情况：活动轨道7上的光学仪器有：点光源1，薄凸透镜2，薄凹透镜3，像屏4。

第三步：数据测量与计算：观察自动测量所得在曲线显示区11-2中显示的光功率随物距变化曲线，如图14所示，参照在曲线峰值所对应的物距位置移动像屏4，并将光斑/光功率显示区11-1切换显示为像屏中心光功率分布，如图13 所示，寻找并记录第二步中两种情况下光功率最大时数值显示区域的数值，即物体位置数值显示区11-3显示的数值x₁、像点位置数值显示区11-4显示的数值x₂，观察并记录此时薄凹透镜3所在的位置，即透镜位置数值显示区11-5显示的数值O，依据公式计算得出薄凹透镜焦距f。

本实用新型中点光源的LED使用的是红光LED灯珠，红外测距装置使用的是 GP2D12型红外测距传感器，CCD模块使用的是TSL1401型CCD传感器，CPU采用 STC89C54型芯片，电机采用STP-42D2060型步进电机。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。