CN103745637A

CN103745637A - 一种数字化光电实验装置及其教学方法

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Publication number: CN103745637A
Application number: CN201410024460.8A
Authority: CN
Inventors: 殷长志; 张翔
Original assignee: SHANGHAI RUILIKE INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI RUILIKE INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-20

Abstract

本发明提供一种数字化光电实验装置，包括有光源模块，用于给装置提供光源；准直扩束模块，用于获得满足实验要求大小的光束；空间光调制模块，用于模拟实验所需的各种光学元件；观察成像模块，用于观察和采集实验结果；辅助光路模组，安装于上述各模块之间用于改变主光路上的光束；以及安装平台，用于安装上述各模块，提供安装接口便于接驳辅助光路模组和提供与外界PC机连接的接口。该实验装置有效解决了教学过程中传统实验装置搭建的繁琐、使用局限和元件多的问题，再集成了计算机控制模块可使该实验装置形成一个集成了数字化元件、观察装置和网络装置的独立系统，可以脱离实验室光学平台环境，任意安置在教室或其他场地上。

Description

一种数字化光电实验装置及其教学方法

技术领域

本发明涉及一种光电实验装置，具体是一种数字化光电实验装置及其教学方法。

背景技术

在传统的物理、光学工程与信息光学等专业的教学过程中,光学教学内容中几何光学、干涉、衍射、全息等知识领域的教学实验内容采用包括各种透镜、狭缝、光阑、白板等光学元件来完成，需要在专门的光学平台上搭建组合各种元件，参数调整和更换相对繁琐，且成本较高。同时，普通的光学实验结果无法实时地通过网络将光学实验结果图像共享到远端，实验过程和实验结果从空间上无法超越实验场地的范围,也不利于实验结果的快速分享和分析。而且，大量实体光学元件需要在实验过程中被搭建在光学平台上，不同实验内容需要更换元器件、重新调节光路，这对工作人员的管理、维护工作带来极大的不便和工作量。

关于液晶空间光调制器用于光学实验的论文和技术虽然早有传播，但没有统一的具体实现集成装置，而是临时地将各个构成部件搭建在光学平台上固定起来，无法脱离实验室环境做到便携化、集成化。通常这种做法是利用光具固定座、光学支架等机械装置将包括液晶空间光调制器、透镜、棱镜等在内的光学元件按照光路需要依次排列搭建成实验光路，无法整体移动和复制，也未能充分计算机网络技术，存在一定局限性。

发明内容

针对上述现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种集成了数字化元件、观察装置和网络装置的可脱离实验室光学平台环境的数字化光电实验装置。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种数字化光电实验装置，其特征在于包括有：

光源模块，用于给装置提供光源；

准直扩束模块，用于获得满足实验要求大小的光束；

空间光调制模块，用于模拟实验所需的各种光学元件；

观察成像模块，用于观察和采集实验结果；

辅助光路模组，安装于上述各模块之间用于改变主光路上的光束；

以及安装平台，用于安装上述各模块，提供安装接口便于接驳辅助光路模组和提供与外界PC机连接的接口。

其中，本发明可以与外界PC机连接，通过在外界PC机上安装相应的软件即可实现生成控制指令和接收并处理实验结果。当然也可以将该功能集成化，即本发明还包括有计算机控制模块，利用计算机系统实行光学元件数字化、生成控制指令输出到空间光调制模块并显示相应的模拟图形，接收并处理来自观察成像模块中采集到的实验结果，并提供数据交换接口连接外部共享设备。

上述准直扩束模块包括用于固定上述光源模块的固定夹具、小孔滤波装置、反射镜、扩束透镜模组和反射镜，所述小孔滤波装置、反射镜、扩束透镜模组和反射镜通过带微调装置的基座固定在安装平台上，反射镜与扩束透镜模组的中心距离满足扩束透镜模组焦距的要求。

为了使该实验装置适合不同的实验，甚至用于科研目的而非简单的教学目的，上述空间光调制模块可以为透射式空间光调制器模组，所述透射式空间光调制器模组依次包括有起偏器、透射式空间光调制器、检偏器和可变光阑，所述可变光阑为可选组件，用于将通过透射式空间光调制器后的被调制光斑进行选择过滤以获得合适的观察光斑；上述空间光调制模块可以为反射式空间光调制器模组，所述反射式空间光调制器模组依次包括有反射镜、分光棱镜和反射式空间光调制器，所述反射镜为可选组件，该反射镜采用活动铰链结构或可旋转结构连接在安装平台的固定轴上。

本发明的观察成像模块包括有共轭成像透镜和图像采集组件，所述共轭成像透镜用于将调制结果进行成像以获得清晰的实验结果，所述图像采集组件用于将实验结果实时采集到上述计算机控制模块上。

为了能实现干涉、衍射、全息等众多实验内容，上述辅助光路模组包括有分光棱镜、反射镜和合光棱镜，根据需要选择其中的一种或者两种以上的结合，所述辅助光路模组采用活动铰链结构或可旋转结构连接在安装平台的固定轴上。故不用时旋转一个角度即可其从主光路中移开。

本发明的计算机控制模块可以外接，也可以集成，集成的计算机控制模块包括有系统主板、设置在系统主板上的连接空间光调制模块的接口、连接网络模块的接口、连接外部显示设备的接口和图像采集控制板卡接口、以及操作控制处理电路板和控制面板，所述控制面板上设有用于选择实验内容的旋转按钮、调整参数用的滑块组件和用于显示实验名称和参数内容及相应值的显示屏。

一种数字化光电实验装置的教学方法，其特征在于包括以下步骤：

（A）、根据实验内容，选择相应的模块进行组装，包括上述的光源模块、准直扩束模块、空间光调制模块、观察成像模块、辅助光路模组和计算机控制模块；

（B）、针对实验内容，将实验相关的核心光学元件进行数字化处理，即将所需的元件转换为空间光调制模块可以显示的图形数据;

（C）、利用计算机控制模块向空间光调制模块输入步骤（B）中的图形数据；

（D）、校正辅助光路模组以及观察成像模块，以便获得清晰的实验结果；

（E）、实验结果可以显示在观察白板或通过图像采集模块采集到计算机控制模块中，由计算机控制系统将实验结果投影到投影设备；

（F）、利用计算机控制模块调取实验内容对应的仿真效果与上述实验结果进行对比，并将对比结果投影到投影设备上；

（G）、利用计算机控制模块联入到网络环境中而实现将实验结果数据和仿真结果数据传输到多个的客户端；

（H）、完成一个实验后，可以通过改变空间光调制模块和辅助光路模组即可进行新的教学实验，重复以上步骤（B）~（G）。

其中，上述步骤（B）中包括有如下步骤：

（a）、根据实验内容建立数学模型；

（b）、选择相应的可变参数；

（c）、分别建立元件函数和仿真函数；

（d）、定义操作界面和指令模式；

（e）、编写程序实现数字化。

本发明由于采用空间光调制模块来将核心元件数字化，便于多种规格元件的共享和重复利用，改变了必须通过更换不同元件来实现多个教学实验内容的现状，并最终将各类干涉、衍射、全息等相关实验集成到了一套装置中；采用准直扩束模块和辅助光路模组将多个实验内容所需的装置进行了集成化设计，对实验操作者和管理者而言，都极大地简化了操作步骤，降低了工作量；采用安装平台将所有模块和模组安装于其中而形成便携化的集成结构，可以脱离光学平台，能在任意场地展开教学实验，构成了一套独立的教学实验装置，而非传统教学必须在特定光学平台上才能完成的做法；最后采用计算机控制模块将实验控制过程数字化，实验操作指令和实验结果全部通过计算机进行管理，方便了实验数据的记录、管理、存储和社会化共享，并进一步拓宽了实验结果分析的方法。该实验装置是一个集成了数字化元件、观察装置和网络装置的独立系统，可以脱离实验室光学平台环境，任意安置在教室或其他场地上。本发明的教学方法的核心在于利用空光调制器来完成传统教学实验中实体元件的数字化，外延到实验过程元件数字化、控制过程数字化、实验结果数字化以及分析测量过程数字化，进而使原来不可以通过网络控制或共享的内容也可以利用计算机系统联入到网络环境中或显示到其他设备上，从而突破了实验室地域空间的限制，使实验过程变为一个能被广泛观察和存储的教学过程。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明的方框结构示意图。

图2是本发明一种实施方式的方框结构示意图。

图3是本发明另一种实施方式的方框结构示意图。

图4是本发明计算机控制模块的简易结构示意图。

图5是本发明教学方法的流程方框示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，该实施例所述的一种数字化光电实验装置，其特征在于包括有光源模块，用于给装置提供光源；准直扩束模块2，用于获得满足实验要求大小的光束；空间光调制模块3，用于模拟实验所需的各种光学元件；观察成像模块4，用于观察和采集实验结果；辅助光路模组7，安装于上述各模块之间用于改变主光路上的光束；以及安装平台1，用于安装上述各模块，提供安装接口便于接驳辅助光路模组7和提供与外界PC机连接的接口。

实施例1：基于透射式液晶空间光调制器的多实验教学装置集成方案

如图2所示，该实施例的安装平台1由左右两框架集成的框架结构，可用钢柱结构组合固定作为整个装置的基础结构，其中左框架11为带M4、M6等螺纹孔的基板底座；右框架12为一种可接驳元件的结构件，包括有固定孔、固定轴和锲型插入固定装置，用于固定各类元件以及模块。在左右框架中预置了线缆固定槽，用于固定模块所需的电源、数据线缆。该实施例的准直扩束模块2、空间光调制模块3、观察成像模块4和计算机控制模块5均安装在该安装平台1上，准直扩束模块2、空间光调制模块3和观察成像模块4这三个模块为可移动模块，采用微面包板结构即模块本身可以再增加一定数量的光学支架结构件，上面按一定的规格尺寸要求布满M3、M4、M6的螺纹孔。

该实施例的准直扩束模块2的主要功能就是对激光器5发出的光束进行准直扩束，该实施例的激光器5通常为氦氖集光器，实际实施时可以为533nm或632.8nm波长的激光器，通过准直扩束模块2以获得直径5~15mm左右的光束，其包括有五个标准组件：固定夹具21、小孔滤波装置22、反射镜23、扩束透镜模组24和反射镜25，其中固定夹具21用于安装不同规格的激光器5，考虑到设备资源共用，该实施例的激光器5为可选配置。该固定夹具21集成在准直扩束模块2上；扩束透镜模组24一般放大倍数30~50倍；小孔滤波装置22、反射镜23、扩束透镜模组24和反射镜25都通过带微调装置的基座固定在安装平台1上，反射镜23和扩束透镜模组24的中心距离满足扩束透镜模组24焦距的要求，以保证光束通过扩束透镜模组24后扩束为平行光束。该实施例的空间光调制模块3为透射式空间光调制器模组，用来模拟实验所需的各种光学元件，包括起偏器31、透射式空间光调制器32、检偏器33和可变光阑34四个标准单元。其中起偏器31既可以集成在该空间光调制模块3中，也可以调整其位置集成到准直扩束模块2中；该可变光阑34为可选组件，用于将通过透射式空间光调制器32后被调制的光斑进行选择过滤，以选择合适的观察光斑。该实施例的观察成像模块4，用于观察、采集实验结果，包括有共轭成像透镜41和图像采集组件42二个单元，其中共轭成像透镜41可以单个或成对出现，主要是将调制结果进行成像，以便获得清晰的实验结果；图像采集组件42为CCD或CMOS图像采集组件，用于将实验结果实时采集到计算机控制系统。准直扩束模块2、空间光调制模块3和观察成像模块4组成了完成干涉、衍射、全息、各类利用透射式空间光调制器32进行振幅实验的核心结构，其中观察成像模块可以更换为其他观察测量装置，比如光强仪等。

该实施例还包括有辅助光路模组7，主要是针对特定实验内容，比如液晶对光束的相位调制测量实验，就需要在主光路上增加辅助光路模组7。该辅助光路模组包括有一个分光棱镜71、二个反射镜72和一个合光棱镜73，这些镜片元件属于可拆卸元件，固定在安装平台上，可以根据需要增加、更换，除非特定内容的实验，对很多教学实验内容不需要更换。因此，在集成方案的设计中，分光棱镜71和合光棱镜73采用活动铰链结构或可旋转结构连接在左框架的固定轴上，不用时旋转一个角度即可从主光路中移开。按照该装置方案，当移开分光棱镜71和合光棱镜73时即可完成包括小孔衍射、杨氏双缝、光栅设计实验、傅立叶信息光学实验等在内的多套实验内容。在该装置的扩展性上，如果将空间光调制模块3移开，保留该实施例的辅助光路模组7就构成了一套迈克耳逊干涉实验装置，两个反射镜72的微调装置设置有刻度，通过调整这两个反射镜72的角度，即可观察到干涉条纹的变化，由于带有刻度，调整数据可被量化直接读出，这样可以帮助实验者进行量化分析。

实施例2：基于反射式液晶空间光调制器的多实验教学装置集成方案

如图3所示，根据实施1的内容，由反射式液晶空光调制器作为主功能器件的教学实验装置主要的改变在于空间光调制模块3的变化。其中，安装平台1结构不改变，观察成像模块4不改变，而准直扩束模块2略有变化，将实施1中的空间光调制模块3中的起偏器31移动到准直扩束模块2中，然后将空间光调制模块3以及辅助光路模块7进行替换：采用利用反射式空间光调制器模组替换了透射式空间光调制器模组，并将辅助光路模块7中的反射镜72移动了安装位置。其中，反射式空间光调制器模组由反射镜35、分光棱镜36和反射式空间光调制器37三个核心组件构成，视实验内容的需要，反射镜35为可选组件，不用时通过调整角度从光路中移开即可，与此同时分光棱镜36也可根据实验内容不同，改为半反射镜。

以上两个实施例中都包括有计算机控制模块6，该计算机控制模块6的主要功能就是利用嵌入式计算机系统实行光学元件数字化、生成控制指令输出到透射式空间光调制器32或反射式空间光调制器37并显示相应的模拟图形，接收并处理来自图像采集组件42采集到的实验结果，并提供数据交换接口连接外部共享设备如投影显示装置、网络设备；如图4所示，该计算机控制模块6的详细设计方案如下：计算机控制模块6通过外壳60来集成相应组成部分，其组成部分包括有系统主板61、设置在系统主板61上的连接空间光调制模块3的接口62、连接网络模块的接口63、连接外部显示设备的接口64和图像采集控制板卡接口65、以及操作控制处理电路板66和控制面板67，其中系统主板61为嵌入式的，由于目前计算机软硬件技术的发展，各类现成的嵌入式主板随处可获；连接空间光调制模块3的接口62视空间光调制模块3数据接口不同包括有USB、HDMI、VGA、DVI或串口中的任意一种或两种以上，主要用于向透射式空间光调制器32或反射式空间光调制器37输出元件数据；操作控制处理电路板66，用于获取用户的操作指令并实时反馈到控制面板67上。控制面板67即为人机交互界面，主要针对实验操作人员，包括旋转按钮671，用于选择实验内容，参数调整的滑块组件672，共设三组，用于调整每个实验内容中模拟光学元件或显示灰度图的参数，实际上可以根据需要增加滑块的数量；控制面板11上的液晶显示屏673，用来显示当前实验名称和可调参数内容及相应值。该实施例也可以省去计算机控制模块6，改为直接连接外界PC机，主要是由于一般教学实验中，作为上位机的计算机系统都是共有资源，可用于多种目的。

该计算机控制模块6的具体实现方法与实验操作步骤如下：光学实验内容被预先存储到系统主板61中，并默认启动嵌入式系统和相应的实验控制程序，使用者调整旋转按钮671，操作控制处理电路板66接到调整指令后通知控制程序，由控制程序中运行相应的实验模块，输出到透射式空间光调制器32或反射式空间光调制器37，并将当前参数信息反馈到显示屏673上，用户调节滑块组件672即可实现不同参数的元件，例如针对正弦光栅，可以设计为用户拖动第一个滑块，即改变光栅周期，每改变一次参数值，意味相对传统实体光栅元件，就更换了一块新的光栅元件。通过在嵌入式系统中运行相应的程序，可以将采集到的实验结果图像通过连接网络模块的接口63或连接外部显示设备的接口64共享到外部设备中，从而具体实现了实验结果的大范围的共享，将网络设备或显示设备引入到光学教学实验中，显示设备包括但不限于背投投影设备电视、投影仪以及电视墙等装置；网络共享则是利用教学局域网或互联网通过控制程序将实验结果数据和仿真结果数据传输到不同客户端的方法，传播形式可以包括各种网络存储设施、社交媒体工具如微博、微信、社交网站等各类社会化分享平台以及特定的平台。

如图5所示，该发明的教学方法包括以下步骤：

（A）、根据实验内容，选择相应的模块进行组装，包括上述的光源模块、准直扩束模块、空间光调制模块、观察成像模块、辅助光路模组和计算机控制模块，其中主要的是空间光调制模块中的空间光调制器的选择，还有就是辅助光路模组的选用组装；

（B）、根据实验内容建立数学模型，然后选择相应的可变参数，再分别建立元件函数和仿真函数，接着定义操作界面和指令模式，最后编写程序实现数字化，即完成将元件转换为空间光调制模块可以显示的图形数据;

（C）、利用计算机控制模块向空间光调制模块输入步骤（B）中的图形数据，如小孔衍射实验就在空间光调制模块上输入小孔数据，孔径从0~10mm范围可变，孔径形状可以为圆形、方形、三角形、星型或多边型，以此类推，可以输入不同数据获得不同类型的小孔，进而观察不同小孔对光波的衍射实验结果；

尽管本发明是参照具体实施例来描述，但这种描述并不意味着对本发明构成限制。参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，对于本领域技术人员都是可以预料的，这种的变化应属于所属权利要求所限定的范围内。

Claims

1.一种数字化光电实验装置，其特征在于包括有：

光源模块，用于给装置提供光源；

准直扩束模块（2），用于获得满足实验要求大小的光束；

空间光调制模块（3），用于模拟实验所需的各种光学元件；

观察成像模块（4），用于观察和采集实验结果；

辅助光路模组（7），安装于上述各模块之间用于改变主光路上的光束；

以及安装平台（1），用于安装上述各模块，提供安装接口便于接驳辅助光路模组（7）和提供与外界PC机连接的接口。

2.根据权利要求1所述的数字化光电实验装置，其特征在于还包括有计算机控制模块（6），利用计算机系统实行光学元件数字化、生成控制指令输出到空间光调制模块（3）并显示相应的模拟图形，接收并处理来自观察成像模块（4）中采集到的实验结果，并提供数据交换接口连接外部共享设备。

3.根据权利要求1所述的数字化光电实验装置，其特征在于上述准直扩束模块（2）包括用于固定上述光源模块的固定夹具（21）、小孔滤波装置（22）、反射镜（23）、扩束透镜模组（24）和反光镜（25），所述小孔滤波装置（22）、反射镜（23）、扩束透镜模组（24）和反光镜（25）通过带微调装置的基座固定在安装平台（1）上，反射镜（23）与扩束透镜模组（24）的中心距离满足扩束透镜模组（24）焦距的要求。

4.根据权利要求1所述的数字化光电实验装置，其特征在于上述空间光调制模块（3）为透射式空间光调制器模组，所述透射式空间光调制器模组依次包括有起偏器（31）、透射式空间光调制器（32）、检偏器（33）和可变光阑（34），所述可变光阑（34）为可选组件，用于将通过透射式空间光调制器（32）后的被调制光斑进行选择过滤以获得合适的观察光斑。

5.根据权利要求1所述的数字化光电实验装置，其特征在于上述空间光调制模块（3）为反射式空间光调制器模组，所述反射式空间光调制器模组依次包括有反射镜（35）、分光棱镜（36）和反射式空间光调制器（37），所述反射镜（35）为可选组件，该反射镜（35）采用活动铰链结构或可旋转结构连接在安装平台（1）的固定轴上。

6.根据权利要求1所述的数字化光电实验装置，其特征在于上述观察成像模块（4）包括有共轭成像透镜（41）和图像采集组件（42），所述共轭成像透镜（41）用于将调制结果进行成像以获得清晰的实验结果，所述图像采集组件（42）用于将实验结果实时采集到上述计算机控制模块（6）上。

7.根据权利要求1所述的数字化光电实验装置，其特征在于上述辅助光路模组（7）包括有分光棱镜（71）、反射镜（72）和合光棱镜（73），根据需要选择其中的一种或者两种以上的结合，所述辅助光路模组（7）采用活动铰链结构或可旋转结构连接在安装平台（1）的固定轴上。

8.根据权利要求1所述的数字化光电实验装置，其特征在于上述计算机控制模块（6）包括有系统主板（61）、设置在系统主板（61）上的连接空间光调制模块（3）的接口（62）、连接网络模块的接口（63）、连接外部显示设备的接口（64）和图像采集控制板卡接口（65）、以及操作控制处理电路板（66）和控制面板（67），所述控制面板（67）上设有用于选择实验内容的旋转按钮（671）、调整参数用的滑块组件（672）和用于显示实验名称和参数内容及相应值的显示屏（673）。

9.一种根据权利要求1所述的数字化光电实验装置的教学方法，其特征在于包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的数字化光电实验装置的教学方法，其特征在于上述步骤（B）中包括有如下步骤：

（a）、根据实验内容建立数学模型；

（b）、选择相应的可变参数；

（c）、分别建立元件函数和仿真函数；

（d）、定义操作界面和指令模式；

（e）、编写程序实现数字化。