本實用新型涉及一種光學測量實驗儀器，具體是涉及一種基于物距像距法為原理、利用CCD相機捕捉觀察成像光斑情況，能夠實現(xiàn)自動、手動兩種模式測量薄凹透鏡焦距的實驗儀器。

背景技術：

光學領域中，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中的重要組成部分，對大學生而言，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量方法是光學學習的基本要求。

目前，使用的測量薄凹透鏡焦距的儀器有很多，主要有兩類：一類是自動化測量設備，這類儀器的測量精度高、功能齊全，但是無法充分展示出透鏡成像規(guī)律；另一類是手動測量設備，這類儀器是高校物理實驗光學教學演示中主要使用的儀器，使學生能夠對透鏡成像規(guī)律有了進一步的認識，提高對光學學習的興趣根據(jù)眼睛，但由于測量過程中人為因素的影響對成像清晰情況判斷出現(xiàn)偏差致使準確度較低，這樣不僅對學生的學習積極性產(chǎn)生影響甚至會對成像規(guī)律的準確性產(chǎn)生懷疑。

本實用新型主要是針對以上問題提出的，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、強度，能夠快速精確測量的同時也可以清晰直觀地展示出薄透鏡成像規(guī)律，并輔助學生加深對成像規(guī)律的理解，實現(xiàn)自動、手動兩種模式測量薄凹透鏡焦距的實驗儀器。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型涉及一種測量薄凹透鏡焦距的實驗儀器，包括：點光源，薄凸透鏡組件，薄凹透鏡組件，像屏，遮光筒，外殼，活動軌道，調(diào)節(jié)檔桿，傳動裝置，紅外測距裝置，顯示屏，CPU控制器。

所述的點光源包括：底座，支架，光源框，LED燈珠和通光孔，其中所述的 LED燈珠置于所述的點光源中心，所述的通光孔位于所述的點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)壁設有螺紋，所述的底座設有凸起的齒輪紋。

所述的遮光筒設有螺紋，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。

所述的活動軌道有四個支撐立柱和兩個調(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)部兩端的中心軸線位置各有一個凸起的圓形立柱，并且所述的圓形立柱高度小于所述的活動軌道的支撐立柱的高度。

所述的調(diào)節(jié)檔桿上設有一個圓形孔和一個直槽口，其中所述的圓形孔的孔徑與所述的活動軌道的調(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軌道的支撐立柱的高度。

所述的傳動裝置包括：電機，齒輪和傳動帶，其中所述的傳動帶上設有齒輪紋，所述的傳動帶上的齒輪紋、所述的像屏底座的齒輪紋與所述的齒輪相吻合。

所述的紅外測距裝置包括紅外測距發(fā)射器和紅外測距接收器各兩個，其中所述的兩個紅外測距發(fā)射器設置在所述的點光源的底座橫向中軸線上，所述的兩個紅外測距接收器分別設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，像點位置，透鏡位置及計算得到的焦距。

所述的CPU控制器是所述的實驗儀器的中央控制器，其負責所述實驗儀器的所有的數(shù)據(jù)處理和信號處理。

所述的薄凹透鏡組件的支架高度與所述的點光源的支架高度、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入所述的像屏的CCD模塊的光線。

所述的活動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控制器的面板上設有電源鍵，手動測量按鍵和自動測量按鍵。

所述的CPU控制器進一步包括：電源控制模塊，傳動裝置控制模塊，紅外測距控制模塊，CCD控制模塊，焦距計算模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，顯示器控制模塊，晶振電路，復位電路，CPU。

所述的電源控制模塊負責驅動控制所述的實驗儀器的各個部件的電源；所述的傳動控制模塊用于控制傳動裝置工作；所述的紅外測距控制模塊用于控制紅外測距發(fā)射器與紅外測距接收器的信號傳輸；所述的CCD控制模塊用于控制CCD 信號的采集、傳輸；所述的焦距計算模塊負責利用測量數(shù)據(jù)計算薄凹透鏡焦距；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。

自動測量模式下，第一步，放置薄凸透鏡，使其與點光源之間的距離大于自身的焦距；第二步，紅外測距控制模塊、傳動裝置控制模塊、顯示器控制模塊、 CCD控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊啟動，電機驅動齒輪傳動帶使像屏移動，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，曲線峰值所對應的像屏位置也會在顯示器給予顯示，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，紅外測距控制模塊、顯示器控制模塊啟動，顯示器顯示凹透鏡位置，即透鏡位置O；第四步，紅外測距控制模塊、傳動裝置控制模塊、顯示器控制模塊、CCD控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊啟動，電機驅動齒輪傳動帶使像屏移動，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，曲線峰值所對應的像屏位置也會在顯示器給予顯示，即像點位置x₂；第五步，焦距計算模塊利用公式求出薄凹透鏡焦距f。

手動測量模式是在自動測量模式的基礎上，手動移動改變像屏位置，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位置，即物體位置 x₁和像點位置x₂，可以參考自動模式測得的光功率隨物距變化曲線上的兩個峰值位置，著重對比測量兩個峰值位置附近的光功率，然后根據(jù)公式計算得到薄凹透鏡焦距。

手動測量模式的設計目的在于：以精確測量薄凹透鏡焦距為前提，能夠讓學生親自動手操作，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，進一步理解薄凹透鏡的成像規(guī)律。

利用本實用新型進行薄凹透鏡焦距的測量具有以下幾項優(yōu)點：

1.通過數(shù)值、圖像相結合的方式對光強進行檢測，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、自動相結合的測量模式，方便、快速、準確得到薄凹透鏡焦距，同時也能夠加深學生對薄透鏡成像規(guī)律的理解。

附圖說明

圖1本實用新型儀器整體結構示意圖 圖9顯示屏前視圖

圖2本實用新型儀器整體結構前視圖 圖10活動軌道右視圖

圖3本實用新型儀器整體結構縱向剖面圖 圖11 CPU控制器前視圖

圖4本實用新型儀器整體結構橫向剖面圖 圖12光斑圖樣

圖5點光源示意圖 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自動測量模式流程圖

標號說明：

1：點光源，1-1：底座，1-2：支架，1-3：點光源框，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：標準薄凸透鏡

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：傳動裝置，9-1：齒輪，9-2：傳動帶，9-3：電機

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

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：計算按鍵，11-8：切換按鍵

12：CPU控制器，12-1：電源按鍵，12-2：手動測量按鍵，12-3：自動測量按鍵

具體實施方式

本實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、強度，能夠實現(xiàn)自動、手動兩種模式測量薄凹透鏡焦距的實驗儀器，具體實施方式如下：

首先，利用自動測量模式對薄凹透鏡的焦距進行精確測量：

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

第二步：測定物體位置：點擊CPU控制器12面板電源按鍵12-1和自動測量按鍵12-3，像屏4在傳動帶9-2的驅動下在活動軌道7內(nèi)移動，像屏4上的CCD 模塊4-5檢測此過程中的光功率變化情況，并在顯示器11的各相應區(qū)域顯示圖像，光功率隨物距變化曲線會在曲線顯示區(qū)11-2中顯示，如圖14中實線顯示，其中峰值所對應位置為物體位置x₁，其數(shù)值大小會由物體位置數(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所示方式撥動調(diào)節(jié)檔桿8，將薄凹透鏡 3放入至活動軌道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所示方式反向撥動調(diào)節(jié)檔桿8，使活動軌道7復位，薄凹透鏡3所在位置會由透鏡位置數(shù)值顯示區(qū)11-5中給出，記為O。

第四步：測定像點位置：點擊CPU控制器12面板上自動測量按鍵12-3，像屏4在傳動帶9-2的驅動下在活動軌道7內(nèi)移動，像屏4上的CCD模塊4-5檢測此過程中的光功率變化情況，并在顯示器11的各相應區(qū)域顯示圖像，光功率隨物距變化曲線會在曲線顯示區(qū)11-2中顯示，如圖14中虛線顯示，其中峰值所對應位置為像點位置x₂，其數(shù)值大小會由像點位置數(shù)值顯示區(qū)11-4中給出。

第五步：結果輸出：測量所得到的如圖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在顯示器11上的光斑/光功率顯示區(qū)11-1顯示，點擊切換按鍵11-8根據(jù)需要切換觀察圖像，點擊計算按鍵11-7，焦距計算模塊啟動，結合以上步驟所得物體位置x₁、像點位置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，參照自動測量的圖像及結果對手動測量模式進行介紹：

第一步：調(diào)至手動測量：按照如圖4所示的方向旋轉調(diào)節(jié)擋桿8，使活動軌道7向右移動，此時像屏4上的齒輪紋4-7與傳動帶9-2分離。

第二步：手動測量：點擊CPU控制器12面板上的手動測量按鍵12-2，針對以下兩種情況分別手動移動像屏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：活動軌道7上的光學儀器有：點光源1，薄凸透鏡2，像屏4；

第二種情況：活動軌道7上的光學儀器有：點光源1，薄凸透鏡2，薄凹透鏡3，像屏4。

第三步：數(shù)據(jù)測量與計算：觀察自動測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應的物距位置移動像屏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)公式計算得出薄凹透鏡焦距f。

本實用新型中點光源的LED使用的是紅光LED燈珠，紅外測距裝置使用的是 GP2D12型紅外測距傳感器，CCD模塊使用的是TSL1401型CCD傳感器，CPU采用 STC89C54型芯片，電機采用STP-42D2060型步進電機。以上所述的硬件材料是本領域的常見型號，且僅是本實用新型的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本實用新型實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變換，均仍屬于本實用新型技術方案的保護范圍內(nèi)。