CN103033345B - 薄凸透镜焦距自动测量装置及其测量方法 - Google Patents

薄凸透镜焦距自动测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种薄凸透镜焦距自动测量装置及其测量方法。本发明通过光强的检测精确地判断成像的清晰程度，从而有效地提高了薄凸透镜焦距的测量精度。本发明的技术先进合理，自动化程度高，测量快速准确，是一种有效的薄凸透镜焦距自动测量技术。

Description

薄凸透镜焦距自动测量装置及其测量方法
技术领域
本发明属于物理实验仪器的设计与制造技术领域，尤其涉及一种薄凸透镜焦距自动测量技术。
背景技术
在大学物理实验中，薄透镜焦距的测量是最基本的实验。常用的测量方法有：自准法、物距-像距法、共轭法以及透镜组合法。测量薄凸透镜的焦距主要采用前三种方法。无论哪种方法，都需要人眼去判断成像的清晰程度，进而确定像屏位置。由于个人的视觉习惯不同和像差的限制，因此，像屏位置一般很难准确确定，测量结果的精度一般都不高。此外光源、物屏和像屏选取的不同，也会对成像清晰程度的判断带来一定的影响。综上所述，如果这些影响因素叠加，测量结果可能会出现较大误差。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种薄凸透镜焦距自动测量技术，有效地提高薄凸透镜焦距的测量精度。
根据本发明的一个方面，提供一种薄凸透镜焦距自动测量装置，所述装置包括：LED光源、光源滤镜、黑色带孔物屏、可滑动挡板、凸透镜卡槽、光强传感器、黑色像屏、传动杆、电动机、液晶显示屏、CPU控制器、启动开关、超声波测距传感器、运行底座和支架、装置外壳和状态指示灯，其中，
所述CPU控制器是所述装置的中央控制器，其负责所述装置的所有输入数据的处理和所有控制信号的输出；
所述LED光源在所述CPU控制器的控制下为所述装置提供光源；
所述光源滤镜是一凸透镜，所述LED光源设置在此凸透镜的焦平面上，以保证射到所述黑色带孔物屏上的光线为平行光线；
所述黑色带孔物屏是一带有1字形孔的黑色面板；
所述可滑动挡板用于使所述装置内各光学器件相对于外界密封，从而使凸透镜焦距测量过程不会受到外界光线的影响；
所述凸透镜卡槽是一可调的半圆形卡槽，其通过卡槽支架固定在所述传动杆上；
所述光强传感器附着在所述黑色像屏上，在所述CPU控制器的控制下进行光强度的检测，并将检测结果送至所述CPU控制器进行处理；
所述电动机在所述CPU控制器的控制下驱动所述传动杆的移动；
所述传动杆带有螺纹，在所述电动机的驱动下带动固定在其上的所述凸透镜卡槽移动；
所述超声波测距传感器固定在所述黑色带孔物屏的下端，在所述CPU控制器的控制下测量所述黑色带孔物屏和待测凸透镜之间的距离，并将测量结果送至所述CPU控制器进行处理；
所述运行底座和支架支持所述装置的各光学器件，并保证各光学器件的光心均处于同一高度；
所述液晶显示屏在所述CPU控制器的控制下数字显示待测凸透镜的焦距；
所述状态指示灯在所述CPU控制器的控制下指示所述装置中各可控部件的运行状态；
所述启动开关用于接通所述装置的电源以启动所述装置；以及
所述装置外壳为所述装置内的光学器件和其他部件提供机械保护。
优选地，所述CPU控制器实现为所述装置中的主控电路板，其进一步包括：复位电路、晶振电路、电源电路、超声波测距传感器信号调理电路、光强传感器信号调理电路、液晶驱动电路、电动机驱动电路、装置状态指示灯电路、串口下载调试电路和CPU。
优选地，所述电源电路采用交直流整流电路和稳压芯片构成，所述超声波测距传感器信号调理电路用于保证与超声波测距传感器之间的信号无干扰地传输，所述光强传感器信号调理电路用于保证与光强传感器之间的信号无干扰地传输，所述液晶驱动电路用以增加CPU对液晶显示屏的驱动能力，所述电动机驱动电路用以增加CPU对电动机的驱动能力，所述装置状态指示灯电路用以支持状态指示灯来指示电源、各种传感器、电动机的运行状态，所述CPU采用STC89C54系列芯片实现。
根据本发明的另一个方面，还提供一种薄凸透镜焦距自动测量方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：将待测凸透镜夹在凸透镜卡槽上；
步骤2：当待测凸透镜夹稳后，滑动可滑动挡板使各光学器件相对于外界密封，从而使测量过程不受外界光线影响；
步骤3：CPU控制器触发LED光源工作，LED光源所发出光线经光源滤镜后变为平行光线，再经黑色带孔物屏上的1字形孔均匀射到待测凸透镜上，并在黑色像屏上成像；
步骤4：光强传感器检测黑色像屏接收到的光照强度，同时电动机带动传动杆上的凸透镜卡槽移动，当光强传感器检测到光强最大时，制动电动机以停止凸透镜卡槽移动，并启动超声波测距传感器测距，从而得到黑色带孔物屏到待测凸透镜的距离；以及
步骤5：CPU控制器计算得到待测凸透镜的焦距，
其中，在所述步骤5中，所使用的测量凸透镜的焦距的公式为：其中L是黑色带孔物屏到黑色像屏的距离，s是所述步骤4中所得到的黑色带孔物屏到待测凸透镜的距离，利用上述公式计算得到待测凸透镜的焦距f。
优选地，所述方法进一步包括步骤6：CPU控制器将计算得到的凸透镜焦距在液晶显示屏上显示。
根据上述技术方案，本发明通过光强的检测精确地判断成像的清晰程度，从而有效地提高了薄凸透镜焦距的测量精度。本发明的技术先进合理，自动化程度高，测量快速准确，是一种有效的薄凸透镜焦距自动测量技术。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中薄凸透镜焦距自动测量装置的实物示意图；
图2是本发明具体实施方式中薄凸透镜焦距自动测量装置的功能结构图；
图3是本发明具体实施方式中薄凸透镜焦距自动测量装置的主控电路板的电路模块图；
图4是本发明具体实施方式中薄凸透镜焦距自动测量方法的步骤流程图。
具体实施方式
图1是本发明具体实施方式中薄凸透镜焦距自动测量装置的实物示意图。如图1所示，本发明具体实施方式中的薄凸透镜焦距自动测量装置包括：LED光源1、光源滤镜2、黑色带孔物屏3、可滑动挡板4、凸透镜卡槽5、光强传感器6、黑色像屏7、传动杆8、电动机9、液晶显示屏10、CPU控制器11、启动开关12、超声波测距传感器13、运行底座和支架14、装置外壳15和状态指示灯16等。
图2是本发明具体实施方式中薄凸透镜焦距自动测量装置的功能结构图。图中各部件间的带箭头虚线表示光线射入路径，带箭头实线表示控制信号或者数据信号的传输路径，不带箭头的实线表示部件间在物理上有一定连接关系。
下面就结合图1、2对具体实施方式中薄凸透镜焦距自动测量装置的重要部件做进一步介绍。
CPU控制器11是该薄凸透镜焦距自动测量装置的中央控制器，负责所有输入数据的处理和控制信号的输出，其具体可实现为装置中的主控电路板。LED光源1在CPU控制器11的控制下为装置提供光源，其避免了采用钨丝白炽灯带来的散热等一些问题。光源滤镜2是一凸透镜，LED光源1设置在此凸透镜的焦平面上，以保证射到黑色带孔物屏3上的光线为平行光线。黑色带孔物屏3是一带有1字形孔的黑色面板。可滑动挡板4用于使装置内各光学器件相对于外界密封，从而使凸透镜焦距测量过程不会受到外界光线的影响。凸透镜卡槽5是一可调的半圆形卡槽，其通过卡槽支架固定在传动杆8上。光强传感器6附着在黑色像屏7上，在CPU控制器11的控制下进行光强度的检测，并将检测结果送至CPU控制器11进行处理。电动机9在CPU控制器11的控制下驱动传动杆的移动。该传动杆8带有螺纹，在电动机9的驱动下带动固定在其上的凸透镜卡槽5移动。超声波测距传感器13固定在黑色带孔物屏3的下端，在CPU控制器11的控制下测量黑色带孔物屏3和待测凸透镜之间的距离，并将测量结果送至CPU控制器11进行处理。运行底座和支架14支持装置的各光学器件（包括LED光源1、光源滤镜2、黑色带孔物屏3、黑色像屏7等），并保证各光学器件的光心均处于同一高度。液晶显示屏10在CPU控制器11的控制下数字显示所测透镜的焦距。状态指示灯16在CPU控制器11的控制下指示装置中各可控部件的运行状态。启动开关12用于接通装置电源以启动装置。装置外壳15为装置内的光学器件和其他部件提供机械保护。
图3是本发明具体实施方式中薄凸透镜焦距自动测量装置的主控电路板（CPU控制器）的电路模块图。其中，附图标记101是复位电路；102是晶振电路；103是电源电路，其采用交直流整流电路和稳压芯片构成；104是超声波测距传感器信号调理电路，保证与超声波测距传感器之间信号无干扰地传输；105是光强传感器信号调理电路，保证与光强传感器之间信号无干扰地传输；106是液晶驱动电路，以增加CPU对液晶显示屏的驱动能力；107是电动机驱动电路，以增加CPU对电动机的驱动能力；108是装置状态指示灯电路，以支持状态指示灯来指示电源、各种传感器、电动机等的运行状态；109是串口下载调试电路；110是CPU，其可采用STC89C54系列芯片实现。
图4是本发明具体实施方式中薄凸透镜焦距自动测量方法的步骤流程图。该方法的原理在于：如果图像不清晰，特别是边缘模糊时，是由于实物边缘点发出的光线并没有汇聚到像屏上造成的。因此当图像清晰时，即光线汇聚于像屏上时光照强度为最大。
如图4所示，具体实施方式中的薄凸透镜焦距自动测量方法包括如下步骤：
步骤1：将待测凸透镜夹在凸透镜卡槽上。
步骤2：当待测凸透镜夹稳后，滑动可滑动挡板使各光学器件相对于外界密封，从而使测量过程不受外界光线影响。
步骤3：CPU控制器触发LED光源工作，LED光源所发出光线经光源滤镜后变为平行光线，再经黑色带孔物屏上的1字形孔均匀射到待测凸透镜上，并在黑色像屏上成像。
步骤4：光强传感器检测黑色像屏接收到的光照强度，同时电动机带动传动杆上的凸透镜卡槽移动，当光强传感器检测到光强最大时，制动电动机以停止凸透镜卡槽移动，并启动超声波测距传感器测距，从而得到黑色带孔物屏到待测凸透镜的距离s。
步骤5：CPU控制器计算得到待测凸透镜的焦距。
具体地，由于本发明装置的LED光源、光源滤镜、黑色带孔物屏和黑色像屏等都处于固定位置，因此黑色带孔物屏到黑色像屏的距离为一定值L。根据凸薄透镜成像公式（1）：
f = uv u + v - - - ( 1 ) ,
其中u为物距，v为像距，得到本发明装置所使用的测量凸透镜焦距的公式（2）:
f = s ( L - s ) L - - - ( 2 ) .
基于L值和步骤4中所得到的距离s，利用上述公式（2）即可计算得到待测凸透镜的焦距f。
优选地，本方法还可以包括步骤6，CPU控制器将计算得到的凸透镜焦距在液晶显示屏上显示。
根据上述具体实施方式介绍可知，本发明通过光强的检测精确地判断成像的清晰程度，从而有效地提高了薄凸透镜焦距的测量精度。本发明的技术先进合理，自动化程度高，测量快速准确，是一种有效的薄凸透镜焦距自动测量技术。

Claims (5)

1.一种薄凸透镜焦距自动测量装置，其特征在于，所述装置包括：LED光源、光源滤镜、黑色带孔物屏、可滑动挡板、凸透镜卡槽、光强传感器、黑色像屏、传动杆、电动机、液晶显示屏、CPU控制器、启动开关、超声波测距传感器、运行底座和支架、装置外壳和状态指示灯，其中，
所述CPU控制器是所述装置的中央控制器，其负责所述装置的所有输入数据的处理和所有控制信号的输出；
所述LED光源在所述CPU控制器的控制下为所述装置提供光源；
所述光源滤镜是一凸透镜，所述LED光源设置在此凸透镜的焦平面上，以保证射到所述黑色带孔物屏上的光线为平行光线；
所述黑色带孔物屏是一带有1字形孔的黑色面板；
所述可滑动挡板用于使所述装置内各光学器件相对于外界密封，从而使凸透镜焦距测量过程不会受到外界光线的影响；
所述凸透镜卡槽是一可调的半圆形卡槽，其通过卡槽支架固定在所述传动杆上；
所述光强传感器附着在所述黑色像屏上，在所述CPU控制器的控制下进行光强度的检测，并将检测结果送至所述CPU控制器进行处理；
所述电动机在所述CPU控制器的控制下驱动所述传动杆的移动；
所述传动杆带有螺纹，在所述电动机的驱动下带动固定在其上的所述凸透镜卡槽移动；
所述超声波测距传感器固定在所述黑色带孔物屏的下端，在所述CPU控制器的控制下测量所述黑色带孔物屏和待测凸透镜之间的距离，并将测量结果送至所述CPU控制器进行处理；
所述运行底座和支架支持所述装置的各光学器件，并保证各光学器件的光心均处于同一高度；
所述液晶显示屏在所述CPU控制器的控制下数字显示待测凸透镜的焦距；
所述状态指示灯在所述CPU控制器的控制下指示所述装置中各可控部件的运行状态；
所述启动开关用于接通所述装置的电源以启动所述装置；以及
所述装置外壳为所述装置内的光学器件和其他部件提供机械保护。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述CPU控制器实现为所述装置中的主控电路板，所述CPU控制器进一步包括：复位电路、晶振电路、电源电路、超声波测距传感器信号调理电路、光强传感器信号调理电路、液晶驱动电路、电动机驱动电路、装置状态指示灯电路、串口下载调试电路和CPU。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电源电路采用交直流整流电路和稳压芯片构成，所述超声波测距传感器信号调理电路用于保证与所述超声波测距传感器之间的信号无干扰地传输，所述光强传感器信号调理电路用于保证与所述光强传感器之间的信号无干扰地传输，所述液晶驱动电路用以增加所述CPU对所述液晶显示屏的驱动能力，所述电动机驱动电路用以增加所述CPU对所述电动机的驱动能力，所述装置状态指示灯电路用以支持所述状态指示灯来指示电源、各种传感器、电动机的运行状态，所述CPU采用STC89C54系列芯片实现。
4.一种利用如权利要求1至3任一的薄凸透镜焦距自动测量装置进行薄凸透镜焦距自动测量的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：将待测凸透镜夹在凸透镜卡槽上；
步骤2：当待测凸透镜夹稳后，滑动可滑动挡板使各光学器件相对于外界密封，从而使测量过程不受外界光线影响；
步骤3：CPU控制器触发LED光源工作，LED光源所发出光线经光源滤镜后变为平行光线，再经黑色带孔物屏上的1字形孔均匀射到待测凸透镜上，并在黑色像屏上成像；
步骤4：光强传感器检测黑色像屏接收到的光照强度，同时电动机带动传动杆上的凸透镜卡槽移动，当光强传感器检测到光强最大时，制动电动机以停止凸透镜卡槽移动，并启动超声波测距传感器测距，从而得到黑色带孔物屏到待测凸透镜的距离；以及
步骤5：CPU控制器计算得到待测凸透镜的焦距；
其中，在所述步骤5中，所使用的测量凸透镜的焦距的公式为：其中L是黑色带孔物屏到黑色像屏的距离，s是所述步骤4中所得到的黑色带孔物屏到待测凸透镜的距离，利用上述公式计算得到待测凸透镜的焦距f。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括步骤6：CPU控制器将计算得到的凸透镜焦距在液晶显示屏上显示。
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