本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)演示教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，具體是涉及一種檢測薄凸透鏡像方空間的光線強(qiáng)度分布情況來判定薄凸透鏡焦點(diǎn)位置，研究薄凸透鏡焦距測量的實(shí)驗(yàn)裝置。

背景技術(shù)：

在光學(xué)中，薄透鏡是指透鏡的厚度與焦距的長度比較時(shí)，可以被忽略不計(jì)的透鏡。透鏡成像屬于幾何光學(xué)中的重要組成部分，對大學(xué)生而言，了解透鏡成像規(guī)律，理解透鏡成像原理，熟悉調(diào)節(jié)光路的方法，掌握薄透鏡焦距的測量方法是光學(xué)學(xué)習(xí)的基本要求。

當(dāng)前測量薄凸透鏡焦距的儀器有很多，主要可以分為兩種：一種是自動(dòng)化光學(xué)參數(shù)測量設(shè)備，測量精度高、功能齊全，但價(jià)格昂貴，同時(shí)對學(xué)生了解透鏡成像規(guī)律而言幫助甚微；另一種是實(shí)驗(yàn)室常用的教學(xué)演示儀器，這類儀器通常采用手動(dòng)測量的方式，根據(jù)眼睛觀察成像清晰情況判斷薄凸透鏡焦距，通過實(shí)際操作學(xué)生能對透鏡成像規(guī)律有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，提高對光學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，但這類儀器的測量準(zhǔn)確度較低，由于操作過程中人為影響因素過多導(dǎo)致最終測量出的焦距結(jié)果誤差偏大，這樣對學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性產(chǎn)生影響甚至?xí)Τ上褚?guī)律的準(zhǔn)確性產(chǎn)生懷疑。

實(shí)驗(yàn)課程中使用的測量薄凸透鏡焦距的常用方法有共軛法、自準(zhǔn)法，理論方法較為成熟，影響手動(dòng)測量焦距結(jié)果多為人為因素，主要體現(xiàn)有：首先，實(shí)驗(yàn)裝備過程中光學(xué)系統(tǒng)建立時(shí)同軸等高的調(diào)節(jié)不僅操作繁瑣而且準(zhǔn)確度較低；其次，測量過程中清晰像點(diǎn)選取完全是根據(jù)人眼判斷，眼睛判斷帶來的誤差無法避免。因此，實(shí)驗(yàn)上常用的手動(dòng)測量焦距結(jié)果存在很大誤差。

本實(shí)用新型主要是針對以上問題提出的，提出了一種減小人為因素影響測量誤差的薄凸透鏡焦距測量裝置，具體而言：簡化同軸等高調(diào)節(jié)的人為操作步驟，同時(shí)提高調(diào)節(jié)精度，利用檢測薄凸透鏡像方空間的光線強(qiáng)度分布情況從數(shù)值上判斷找出透鏡焦點(diǎn)位置，進(jìn)而測量出薄凸透鏡的焦距。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提出了一種測量薄凸透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)裝置，能夠減小實(shí)驗(yàn)過程中人為因素帶來的測量誤差。該裝置包括光具座，點(diǎn)光源，透鏡框，標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡，待測薄凸透鏡，光強(qiáng)檢測探頭，支架，導(dǎo)線，顯示屏，激光校準(zhǔn)裝置。

所述的光具座下方四角位置分別設(shè)有調(diào)節(jié)螺母，上方固定有軌道，軌道附近貼有標(biāo)尺。

所述的點(diǎn)光源中心位置裝有LED燈珠，頂部中央位置設(shè)有水平儀，底部中央位置設(shè)有螺栓孔。

所述的透鏡框底部設(shè)有螺栓孔，側(cè)壁外部設(shè)有緊固透鏡螺栓。

所述的光強(qiáng)檢測探頭中心位置設(shè)有光傳感器，前方中心位置設(shè)有通光孔，底部中央位置設(shè)有螺栓孔。

所述的支架底部設(shè)有指針，指針與支架的立柱所構(gòu)成的平面和所述的光具座上的軌道垂直，支架的頂部設(shè)有螺栓柱，支架的下部設(shè)有緊固立柱螺栓。

所述的光強(qiáng)檢測探頭與所述的顯示屏通過所述的導(dǎo)線連接。

所述的激光校準(zhǔn)裝置分為激光發(fā)射器和校準(zhǔn)器，激光發(fā)射器固定在所述的點(diǎn)光源頂部，校準(zhǔn)器分別固定在所述的透鏡框頂部和所述的光強(qiáng)檢測探頭頂部。

所述的支架可以在所述的光具座上方軌道自由移動(dòng)，所述的支架頂部螺栓柱與所述的點(diǎn)光源底部螺栓孔、所述的透鏡框底部螺栓孔及所述的光強(qiáng)檢測探頭底部螺栓孔連接；所述的標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡和所述的待測薄凸透鏡放置在所述的透鏡框內(nèi)，利用所述的透鏡框側(cè)壁緊固透鏡螺栓進(jìn)行固定。所述的激光發(fā)射器與所述的點(diǎn)光源光心距離、所述的校準(zhǔn)器與所述的透鏡框中心的距離以及所述的校準(zhǔn)器與所述的光強(qiáng)檢測探頭中心的距離這三個(gè)距離是相同的。

一種測量薄凸透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)裝置，利用所述水平儀、激光校準(zhǔn)裝置完成光學(xué)系統(tǒng)同軸等高的調(diào)節(jié)：調(diào)整支架立柱高度使得激光發(fā)射器所發(fā)出的激光能夠通過校準(zhǔn)器的中心；通過觀察所述的支架底部指針與所述光具座上標(biāo)尺重合的位置來讀取點(diǎn)光源、標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡、待測量薄凸透鏡、光強(qiáng)檢測探頭的坐標(biāo)；移動(dòng)光強(qiáng)檢測探頭的位置，觀察顯示屏上光強(qiáng)讀數(shù)變化，研究待測薄凸透鏡像方空間的光強(qiáng)分布情況，尋找光強(qiáng)最大值的位置，從而找到待測薄凸透鏡的焦點(diǎn)位置，最終實(shí)現(xiàn)對待測薄凸透鏡焦距測量的目的。

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

1.借助水平儀、激光校準(zhǔn)裝置完成光學(xué)測量系統(tǒng)同軸等高的調(diào)節(jié)，簡化了手動(dòng)操作步驟，同時(shí)提高同軸等高的調(diào)節(jié)精度。

2.通過研究待測薄凸透鏡像方空間的光強(qiáng)分布情況，尋找光強(qiáng)最大值的位置，從而找到待測薄凸透鏡的焦點(diǎn)位置，這樣有助于減少因人眼識(shí)別清晰像點(diǎn)位置出現(xiàn)失誤所產(chǎn)生的誤差。

附圖說明

圖1本實(shí)用新型裝置整體結(jié)構(gòu)圖 圖9透鏡框的下視圖

圖2光具座的前視圖 圖10透鏡框的上視圖

圖3光具座的上視圖 圖11光強(qiáng)探測器的結(jié)構(gòu)圖

圖4光具座的右視圖 圖12光強(qiáng)探測器的前視圖

圖5點(diǎn)光源的上視圖 圖13光強(qiáng)探測器的下視圖

圖6點(diǎn)光源的前視圖 圖14支架的前視圖

圖7點(diǎn)光源的下視圖 圖15支架的右視圖

圖8透鏡框的前視圖 圖16顯示屏的前視圖

標(biāo)號(hào)說明：

1-光具座，11-調(diào)節(jié)螺母，12-軌道，13-標(biāo)尺

2-點(diǎn)光源，21-LED燈珠，22-水平儀，23-點(diǎn)光源底部螺栓孔

3-透鏡框，31-緊固透鏡螺栓，32-透鏡框底部螺栓孔

4-標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡

5-待測薄凸透鏡

6-光強(qiáng)檢測探頭，61-光強(qiáng)傳感器，62-通光孔，63-光強(qiáng)檢測探頭底部螺栓孔

7-支架，71-螺栓，72-緊固立柱螺栓，73-指針，74-立柱

8-導(dǎo)線

9-顯示屏，91-光強(qiáng)讀數(shù)

10-激光校準(zhǔn)裝置，101-激光發(fā)射器，102-校準(zhǔn)器

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型涉及一種測量薄凸透鏡焦距的實(shí)驗(yàn)裝置，利用水平儀、激光校準(zhǔn)裝置完成光學(xué)系統(tǒng)同軸等高的調(diào)節(jié)：調(diào)整支架立柱高度使得激光發(fā)射器所發(fā)出的激光能夠通過校準(zhǔn)器的中心；通過觀察支架底部指針與光具座上標(biāo)尺重合的位置來讀取點(diǎn)光源、標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡、待測量薄凸透鏡、光強(qiáng)檢測探頭的坐標(biāo)；移動(dòng)光強(qiáng)檢測探頭的位置，觀察顯示屏上光強(qiáng)讀數(shù)變化，研究待測薄凸透鏡像方空間的光強(qiáng)分布情況，尋找光強(qiáng)最大值的位置，從而找到待測薄凸透鏡的焦點(diǎn)位置，最終實(shí)現(xiàn)對待測薄凸透鏡焦距測量的目的。具體實(shí)施方式如下：

1.光學(xué)系統(tǒng)的建立：

(1)將點(diǎn)光源底部螺栓孔23、透鏡框底部螺栓孔32、光強(qiáng)檢測探頭底部螺栓孔63分別與支架7頂部螺栓71連接固定；將標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡4和待測量薄凸透鏡5分別放入透鏡框3中，并用緊固透鏡螺栓31固定；光強(qiáng)檢測探頭6與顯示屏9通過導(dǎo)線8連接。

(2)將固定有點(diǎn)光源2、標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡4、待測量薄凸透鏡5和光強(qiáng)檢測探頭6的支架依次排列放置在光具座1的軌道12上。

(3)觀察點(diǎn)光源2頂部水平儀22，調(diào)節(jié)光具座1底部四角的調(diào)節(jié)螺母11，使得水平儀22中的氣泡處在水平儀中心位置。

(4)打開點(diǎn)光源2頂部的激光發(fā)射器101，依次調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡4、待測量薄凸透鏡5和光強(qiáng)檢測探頭6的支架立柱74高度，使激光發(fā)射器101所發(fā)的光線能夠依次通過帶有標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡4透鏡框、帶有待測量薄凸透鏡5透鏡框及光強(qiáng)檢測探頭頂部6的校準(zhǔn)器102中心，并利用支架下方的緊固立柱螺栓72固定支架立柱74高度。激光發(fā)射器101與點(diǎn)光源2光心的距離、校準(zhǔn)器102與透鏡框3中心的距離以及校準(zhǔn)器102與所述的光強(qiáng)檢測探頭6中心的距離這三個(gè)距離是相同的，因此將激光發(fā)射器101與三個(gè)校準(zhǔn)器102調(diào)整到同一水平高度即完成光學(xué)系統(tǒng)的同軸等高的調(diào)節(jié)。

2.薄凸透鏡焦距測量過程：

(1)標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡4的焦距是已知的，參照支架7底部指針73在光具座標(biāo)尺13的讀數(shù)位置，依次放置點(diǎn)光源2和標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡4，使兩者距離等于標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡4的焦距即點(diǎn)光源2處于標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡4的焦點(diǎn)位置。

(2)將待測薄凸透鏡放置5在標(biāo)準(zhǔn)薄凸透鏡4后面，記錄此時(shí)待測薄凸透鏡5的位置讀數(shù)X₁。

(3)將光強(qiáng)檢測探頭6放置待測薄凸透鏡5后面，光線經(jīng)過光強(qiáng)檢測探頭6前方中心通光孔62由光傳感器61檢測所在位置的光強(qiáng)，并將光強(qiáng)的大小通過導(dǎo)線8傳輸至顯示屏9顯示，移動(dòng)光強(qiáng)檢測探頭觀察顯示屏9光強(qiáng)讀數(shù)91的變化，分別記錄光強(qiáng)檢測探頭6位置X和顯示屏9光強(qiáng)讀數(shù)91的大小I，繪制出I-X變化曲線，尋找到光強(qiáng)的最大值I_max并記錄此時(shí)對應(yīng)的光強(qiáng)檢測探頭6位置X₂，隨即得到待測薄凸透鏡的焦距：F＝|X₂-X₁|。

本實(shí)用新型中點(diǎn)光源的LED使用的是紅光LED燈珠，光強(qiáng)檢測探頭中的光傳感器使用的是BOS21M光傳感器。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)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、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)。