CN108982074A - 一种测量凸透镜焦距的系统及方法 - Google Patents

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樊丽娜
王帆
王军
杨俊义
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Abstract

本发明公开了一种测量凸透镜焦距的系统及方法，属于光学技术领域，将激光器发出的光扩束准直后入射至待测凸透镜，在焦点处的光斑尺寸最小，将一个小孔光阑放置在光路中，在焦点两侧的光斑尺寸随离焦点距离越远光斑越大，光功率密度越低，这样将小孔光阑放置在沿光轴方向可平移调节的导轨上，当小孔光阑处在透镜焦点时，透过小孔光阑的光功率最大，从而可以确定凸透镜的像方焦距等于待测凸透镜中心与小孔光阑的距离。本技术方案结构简单，测量的精度大大提高，从而实现透镜焦距的精确测量。

Description

一种测量凸透镜焦距的系统及方法
技术领域
本发明属于几何光学和光学信息处理技术领域，具体涉及一种几何光学物理参数测量以及光学信息处理的装置。
背景技术
在传统利用透镜成像规律测量透镜的焦距时，需要测量物距及像距，在测量像距时，首先要找出最清晰的像，然而肉眼观测并不能精确地确定成像位置，从而导致测量焦距会有较大的偏差。为了克服传统成像法测量透镜焦距的缺点，本方法将传统测量透镜焦距时需要确定成像位置转化为利用光功率的测量来精确确定焦距。
发明内容
本发明的目的是利用光功率计测量功率，实现精确测量透镜焦距的技术，代替传统光路中利用成像规律，寻找成像最清晰的位置得到透镜焦距的方法，解决凸透镜焦距装置中物距像距测量误差导致的凸透镜焦距测量精度下降问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种测量凸透镜焦距的系统，包括激光器、沿着光传播方向依次设置在光轴上的：第一凸透镜、第二凸透镜、支架、移动导轨、小孔光阑、第三凸透镜、光功率计；其中：所述的第一凸透镜与第二凸透镜组成扩束准直系统，用于将激光器发出光束扩束准直；所述的支架用于放置待测凸透镜；所述的移动导轨沿光轴方向可平移调节，小孔光阑设置在所述移动导轨上且小孔光阑中心在光轴上；所述的第三凸透镜将激光束会聚至光功率计；小孔光阑从待测凸透镜焦点的近光源侧移动至远离光源侧，利用光功率计测出透过小孔光阑的光功率随位置变化的曲线。
上述装置的工作原理为：平行光经过待测凸透镜后在焦点处的光斑尺寸最小，将小孔光阑放置在光路中，在焦点两侧的光斑尺寸随离焦点距离越远光斑越大，光功率密度越低，这样将小孔光阑放置在沿光轴方向可平移调节的导轨上，当小孔光阑处在透镜焦点时，透过小孔光阑的光功率最大，从而可以确定凸透镜的像方焦距等于待测凸透镜中心与小孔光阑的距离。
上述方案中优选的方案如下：所述的移动导轨上安装有标尺。这样可以方便的读出小孔光阑的位置。
所述的支架与小孔光阑设置在同一个安装有标尺的移动导轨上。方便直接读出支架和小孔光阑的位置，进而计算出待测凸透镜的像方焦距。
所述的标尺为光栅尺。光栅尺可以进一步提高定位精度。
所述的小孔光阑放置在待测凸透镜的像方焦点附近。直接将小孔光阑放置在焦点附近，以便配合光功率计精确定位焦点在标尺上的位置。
还包括驱动电机、数据寄存器；所述的驱动电机驱动小孔光阑沿着光轴平移，所述光栅尺与光功率计实时将测量数据传输至数据寄存器，可以方便地获取小孔光阑的光功率随位置变化的曲线，实现测量过程自动化。
传统物理实验中测量凸透镜焦距的光路利用透镜成像规律，通过肉眼观察并不能精确确定成像位置，尤其是待测凸透镜自身存在较大像差时其不同口径处的焦点并不重合，因此成像位置的测量存在较大的误差。本技术方案的装置，改用光功率计来精确确定透镜焦点的位置，克服了传统装置测量的缺陷，测量的精度大大提高，从而实现透镜焦距的精确测量。
利用平行光经过透镜后，沿光的传播方向，不同位置光的功率密度不同，经过一移动的固定小孔光阑后可以测出不同位置的光功率密度的分布情况，确定待测凸透镜的焦点位置，从而实现透镜焦距的精确测量。
基于上述装置的一种测量凸透镜焦距的方法，利用光功率在透镜会聚后不同位置光功率密度不同的特点，应用小孔光阑在光的传播方向上移动时，通过对透过小孔光阑光功率的测量，找到透过率最高的位置来确定透镜焦点，从而获得透镜的焦距。其测量步骤为：
1.利用扩束透镜组将激光器发出的光扩束准直；
2.沿着光的传输方向移动小孔光阑，从焦点的一侧向另一侧进行移动，经过小孔光阑后的光束被会聚透镜收集后，由光功率计探测。在光的传播路径中，待测凸透镜焦点处的功率密度最大，此时通过相同直径小孔光阑的功率最大；
3.当小孔光阑移动时，只需同时记录下小孔光阑在不同位置时光功率的大小，就可获得透过小孔光阑的光功率随位置变化的曲线。通过最终获得的曲线，找到光功率最高时小孔光阑的位置，即为焦点位置。
4.测量透镜到焦点的距离即为透镜的焦距。
本方法是平行光经过透镜后的光束，处在焦点处的光斑尺寸最小，将一个小孔光阑放置在光路中，很明显当小孔光阑处在透镜焦点时，透过小孔光阑的光功率最大，而在焦点两侧的光斑尺寸随离焦点距离越远光斑越大，光功率密度越低，这样将小孔光阑放置在移动平台上，沿着光的传输方向移动时，透过小孔光阑的光功率大小就会发生变化，利用功率计测量小孔光阑在不同位置处的透过小孔光阑的光功率就能准确地找到焦点位置，从而获得焦距。
上述技术方案同传统利用成像规律测量透镜焦距的方法相比，具有以下优点：
1.采用一个小孔光阑，在待测凸透镜的焦点处透过小孔光阑的功率最大。
2.光路清晰，原理明了，测量非常方便。
3.测量精度高，只需要一个光功率计就可以获得小孔光阑在不同位置处的功率随位置的曲线。透过的光功率最大时小孔光阑所在位置即为透镜焦点位置，从而精确测得透镜的焦距。
附图说明
附图1是测量凸透镜焦距的装置示意图；
附图2是归一化透过率随小孔光阑位置变化图；
其中：1、激光器；2、第一凸透镜；3、第二凸透镜；4、支架；5、小孔光阑；6、第三凸透镜；7、光功率计。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：
一种测量凸透镜焦距的系统，包括激光器1、沿着光传播方向依次设置在光轴上的：第一凸透镜2、第二凸透镜3、支架4、移动导轨、小孔光阑5、第三凸透镜6、光功率计7；其中：所述的第一凸透镜与第二凸透镜组成扩束准直系统，用于将激光器发出光束扩束准直；所述的支架用于放置待测凸透镜；所述的移动导轨沿光轴方向可平移调节，小孔光阑设置在所述移动导轨上且小孔光阑中心在光轴上；所述的第三凸透镜将激光束会聚至光功率计；小孔光阑从待测凸透镜焦点的近光源侧移动至远离光源侧，利用光功率计测出透过小孔光阑的光功率随位置变化的曲线。
实施例二：
一种测量凸透镜焦距的系统，包括激光器、沿着光传播方向依次设置在光轴上的：第一凸透镜、第二凸透镜、支架、小孔光阑、第三凸透镜、光功率计、沿光轴方向可平移调节的移动导轨、光栅尺、驱动电机、数据寄存器；其中：所述的第一凸透镜与第二凸透镜组成扩束准直系统，用于将激光器发出光束扩束准直；所述的支架用于放置待测凸透镜；光栅尺设置在所述移动导轨上，所述的小孔光阑设置在移动导轨上，所述的驱动电机驱动小孔光阑沿着光轴平移；所述的第三凸透镜将激光束会聚至光功率计，所述光栅尺与光功率计实时将测量数据传输至数据寄存器。
附图2为小孔光阑直径为0.3mm时，透过小孔光阑的光功率随位置变化的曲线。从图中可以看出，扫描曲线关于焦点位置左右对称，离焦点位置越近，透过的功率越大，且在焦点附近变化幅度明显，在焦点位置出现最大值，根据峰值的位置，就可以确定焦点的位置，从而准确获得透镜的焦距。此方案可实现测量过程自动化。
实施例三：
一种测量凸透镜焦距的方法，利用上述实施例中方案进行测量的步骤为：
1.将待测凸透镜固定在支架上；
2.沿着光的传输方向移动小孔光阑，从焦点的一侧向另一侧进行移动，经过小孔光阑后的光束被会聚透镜收集后，由光功率计探测。在光的传播路径中，待测凸透镜焦点处的功率密度最大，此时通过相同直径小孔光阑的功率最大；
3.当小孔光阑移动时，只需同时记录下小孔光阑在不同位置时光功率的大小，就可获得透过小孔光阑的光束功率随位置变化的曲线；通过最终获得的曲线，找到光功率最高时小孔光阑的位置，即为焦点位置。
传统物理实验中测量透镜的焦距时，利用透镜成像规律，通过肉眼观察并不能精确确定成像位置，然而成像位置的确定存在较大的误差。本方案将传统方法中寻找最亮光斑或寻找最清晰的像这种较为定性、误差较大的方法改进为利用功率计找光功率密度最大点的定量测量方法；在光的传播方向，待测透镜焦点处的光功率密度最大，离焦点越远的位置，光斑半径越大，即光功率密度越低。由于小孔光阑的孔径大小不变，当小孔光阑处在光路的不同位置时，透过小孔光阑的光功率大小就不一样，由于焦点处光功率密度最大，因此焦点处透过小孔光阑的光功率最大。本发明利用光功率计测量功率来精确确定透镜焦点的位置，克服了传统测量的缺陷，使得测量的精度大大提高。
本技术方案未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (8)

1.一种测量凸透镜焦距的系统，包括激光器、沿着光传播方向依次设置在光轴上的：第一凸透镜、第二凸透镜、支架、移动导轨、小孔光阑、第三凸透镜、光功率计；
其中：所述的第一凸透镜与第二凸透镜组成扩束准直系统，用于将激光器发出光束扩束准直；所述的支架用于放置待测凸透镜；所述的移动导轨沿光轴方向可平移调节，小孔光阑设置在所述移动导轨上且小孔光阑中心在光轴上；所述的第三凸透镜将激光束会聚至光功率计；小孔光阑从待测凸透镜焦点的近光源侧移动至远离光源侧，利用光功率计测出透过小孔光阑的光功率随位置变化的曲线。
2.根据权利要求1所述的一种测量凸透镜焦距的系统，其特征在于：所述的移动导轨上安装有标尺。
3.根据权利要求2所述的一种测量凸透镜焦距的系统，其特征在于：所述的支架与小孔光阑均设置在所述移动导轨上。
4.根据权利要求2或3所述的一种测量凸透镜焦距的系统，其特征在于：所述的标尺为光栅尺。
5.根据权利要求1～3之一所述的一种测量凸透镜焦距的系统，其特征在于：所述的小孔光阑放置在待测凸透镜的像方焦点附近。
6.根据权利要求4所述的一种测量凸透镜焦距的系统，其特征在于：还包括驱动电机、数据寄存器；所述的驱动电机驱动小孔光阑沿着光轴平移，所述光栅尺与光功率计实时将测量数据传输至数据寄存器。
7.一种测量凸透镜焦距的方法，其特征在于：用权利要求1所述的测量凸透镜焦距的系统进行测量，将待测凸透镜放置在所述支架上，沿着光的传播方向，移动小孔光阑，记录下小孔光阑不同位置时光功率的大小，求解透过小孔光阑的光功率随位置变化的曲线，光功率最高时小孔光阑与凸透镜中心的距离为待测凸透镜的焦距。
8.一种测量凸透镜焦距的方法，其特征在于：用权利要求6所述的测量凸透镜焦距的系统进行测量。
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