CN109459214A - 一种凸透镜焦距测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种凸透镜焦距测量方法及装置,测量方法包括将光源发射的激光经过凸透镜聚焦于焦点处;沿光轴方向在凸透镜之后放置刀口以及用于接收聚焦后发散激光的光屏;通过调节刀口沿光轴方向的位置,确定激光经过凸透镜后焦点的位置并记录该位置,并将该位置距离凸透镜的距离作为入射激光束腰的像距;获取入射激光束腰距离凸透镜的距离并作为入射激光束腰的物距;根据入射激光的像距、物距以及成像公式得到凸透镜焦距。利用刀口在焦点前后的成像原理测量了凸透镜的焦距,由于没有测量CCD或光屏上光斑的大小,因此避免了衍射造成的测量误差。而且本发明的方案光路简单,无需将光源变为平行光束,因此非常适合在光路调节中使用。

Description

一种凸透镜焦距测量方法及装置
技术领域
本发明涉及光学测量技术领域,特别是指一种凸透镜焦距测量方法及装置。
背景技术
凸透镜的焦距对于光学成像、光学滤波、激光探测等诸多方面有着重要作用。因此,测量凸透镜的焦点位置具有重要意义。目前传统的测量方法有汇聚法、观察虚像法、物象等大法、一次成像法、两次成像法、双凸透镜法。这些方法普遍比较复杂,并且存在一定测量误差。造成这些问题主要是由于光传输时的衍射效应,往往很难做到光点或成像边缘特别清晰,所以引入了测量误差。除此之外,很多传统方法需要将入射到凸透镜上的光变为平行光,这进一步增加了装置的复杂程度并影响最终测量的准确性。
目前焦距的测量系统一般比较复杂,测量装置需要CCD、平行光管等装置。因此需要在测量时仔细调节,减小了系统使用的便利性。
发明内容
有鉴于此,本发明要解决的技术问题是提供一种利用在光路中插入刀口观察光屏光斑变化,进而能够测量出凸透镜焦距的方法。
为了实现上述目的,现提出如下解决方案:
一方面,提供一种凸透镜焦距测量方法,包括:
光源发射的激光经过凸透镜聚焦于焦点处;
沿光轴方向在凸透镜之后放置刀口以及用于接收聚焦后发散激光的光屏;
通过调节刀口沿光轴方向的位置,确定激光经过凸透镜后焦点的位置并记录该位置,并将该位置距离凸透镜的距离作为入射激光束腰的像距;
获取入射激光束腰距离凸透镜的距离并作为入射激光束腰的物距;
根据入射激光的像距、物距以及成像公式得到凸透镜焦距。
优选地,通过调节刀口沿光轴方向的位置,确定激光经过凸透镜后焦点的位置,具体包括:
调节刀口沿光轴方向水平移动,并观察光屏上接收的激光光斑;
当光屏接收到的光斑完整且光强度最弱时,刀口的位置为激光经过凸透镜后焦点的位置。
优选地,成像公式为:
其中,f为凸透镜的焦距、u为物距、v为像距。
优选地,光屏可以用CCD相机代替。
另一方面,还提供了一种凸透镜焦距测量装置,测量装置沿光轴方向依次包括:
光源、凸透镜、刀口以及光屏;
凸透镜将光源发射的激光进行聚焦;
刀口安装在可以进行上下移动的平移台上,平移台可以垂直于光轴进行上下移动;
刀口和平移台安装在可以进行沿光轴方向移动的移动滑轨上,用以调节刀口的水平位置;
光屏用于接收聚焦后发散的激光。
优选地,平移台具体用于,通过上下移动平移台进行调节刀口上下位置,使光屏接收到的激光光斑发生变化。
优选地,移动滑轨具体用于,通过沿光轴方向水平移动移动滑轨进行调节刀口距凸透镜的距离。
优选地,调节移动滑轨,观察观察光屏上接收的激光光斑;
当光屏接收到的光斑完整且光强度最弱时,记录刀口距凸透镜的距离作为入射激光束腰的像距;
获取入射激光束腰距离凸透镜的距离并作为入射激光束腰的物距;
根据入射激光的像距、物距以及成像公式得到凸透镜焦距。
优选地,平移台为精密电动平移台,移动滑轨为精密电动滑轨。
优选地,光屏可以用CCD相机代替。
本发明的实施例具有以下有益效果:
上述方案中,有效地利用刀口测量法,提供一种凸透镜焦距测量方法,将光源发射的激光经过凸透镜聚焦于焦点处;沿光轴方向在凸透镜之后放置刀口以及用于接收聚焦后发散激光的光屏;通过调节刀口沿光轴方向的位置,确定激光经过凸透镜后焦点的位置并记录该位置,并将该位置距离凸透镜的距离作为入射激光束腰的像距;获取入射激光束腰距离凸透镜的距离并作为入射激光束腰的物距;根据入射激光的像距、物距以及成像公式得到凸透镜焦距。
本发明提供的技术方案利用刀口在焦点前后的成像原理测量了凸透镜的焦距,由于没有测量CCD或光屏上光斑的大小,因此避免了衍射造成的测量误差。本发明提供的一种凸透镜焦距测量方法和装置利用刀口在不同位置遮挡光束,只需在光屏或相机上判断出光斑最暗时刀口所在的位置,再利用物像公式即可获得凸透镜的焦点位置。而且该方案光路简单,无需将光源变为平行光束,因此非常适合在光路调节中使用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种凸透镜焦距测量方法原理示意图;
图2为本发明实施例提供的一种凸透镜焦距测量装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例提供一种凸透镜焦距测量方法,包括:光源发射的激光经过凸透镜聚焦于焦点处;沿光轴方向在凸透镜之后放置刀口以及用于接收聚焦后发散激光的光屏;通过调节刀口沿光轴方向的位置,确定激光经过凸透镜后焦点的位置并记录该位置,并将该位置距离凸透镜的距离作为入射激光束腰的像距;获取入射激光束腰距离凸透镜的距离并作为入射激光束腰的物距;根据入射激光的像距、物距以及成像公式得到凸透镜焦距。
具体地,成像公式为:
其中,f为需要求得的凸透镜的焦距、u为物距(即入射激光束腰距离凸透镜的距离并作为入射激光束腰的物距)、v为像距(即确定激光经过凸透镜后焦点的位置并记录该位置,并将该位置距离凸透镜的距离作为入射激光束腰的像距)。
具体地,通过调节刀口沿光轴方向的位置,确定激光经过凸透镜后焦点的位置,具体包括:调节刀口沿光轴方向水平移动,并观察光屏上接收的激光光斑;当光屏接收到的光斑完整且光强度最弱时,刀口的位置为激光经过凸透镜后焦点的位置。
具体地,本发明提供的凸透镜焦距测量方法有效的利用了刀口测量方法。如图1所示,本发明实施例提供的一种凸透镜焦距测量方法原理示意图。凸透镜可以将平行光聚焦到焦点上,沿光轴方向在焦点之后的光屏可接收到聚焦后发散的激光。若在焦点之前(焦点距凸透镜之间)的光轴上方插入一个物体(即具体可以为刀口),由于一部分光被物体挡住,那么在光屏(也可以用CCD相机代替,本发明不做具体限制能够接收光斑即可)上可以看到光轴下方物体成的像。而若将物体在焦点之后(焦点距光屏之间)的光轴上方插入,则可以在光屏或CCD相机上看到光轴上部物体的像。因此若将物体放置在焦点处,并且遮挡住焦点处一部分光,那么光屏或CCD相机上的光应该整体变暗。所以可以通过插入刀口的测量方法来测量透镜焦点的位置。
根据该原理,在实验平台上搭建了测量透镜焦点位置的装置。如图2所示,为本发明实施例提供的凸透镜测量装置结构示意图。测量装置沿光轴方向依次包括:光源、凸透镜、刀口以及光屏;凸透镜将光源发射的激光进行聚焦;刀口安装在可以进行上下移动的平移台上,平移台可以垂直于光轴进行上下移动;刀口和平移台安装在可以进行沿光轴方向移动的移动滑轨上,用以调节刀口的水平位置;光屏用于接收聚焦后发散的激光。
具体地,平移台具体用于,通过上下移动平移台进行调节刀口上下位置,使光屏接收到的激光光斑发生变化。具体地,移动滑轨具体用于,通过沿光轴方向水平移动移动滑轨进行调节刀口距凸透镜的距离。具体地,具体进行测量时调节移动滑轨,观察观察光屏上接收的激光光斑;当光屏接收到的光斑完整且光强度最弱时,记录刀口距凸透镜的距离作为入射激光束腰的像距;获取入射激光束腰距离凸透镜的距离并作为入射激光束腰的物距;根据入射激光的像距、物距以及成像公式得到凸透镜焦距。
具体地,如图2所示,本实施例提供的测量装置中平移台为精密电动平移台,移动滑轨为精密电动滑轨。光源(即激光器)发射出的光经过透镜汇聚在焦点上,刀口被安装在可上下移动的精密电动平移台上,此精密平移台可垂直于光轴做上下运动,从而使刀口可以精确遮挡光斑面积的一半(下方)。刀口和该上下移动的精密电动平移台被安放在可水平移动的精密电动滑轨上,用来调节刀口的水平位置。
具体的实际测量工作步骤为:首先激光通过凸透镜聚焦,然后利用光屏在焦点之后接收聚焦后发散的激光。利用可上下移动的精密电动平移台调节刀口的上下位置,从而可以让刀口挡住激光光斑的一半(本发明实施例并不以此为限)。再利用精密电动滑轨调节刀口的水平位置,调节刀口水平位置时同时仔细观察光屏上的光斑图形,可以看到当滑轨从焦点前移动到焦点后的过程中,光屏上被挡住的光斑从一个方向变化到另一个方向。仔细调节精密电动滑轨,让光屏上接收到的完整的但是光强最弱的光斑,其中精密电动滑轨可以利用计算机进行控制以实现精准控制的目的。此时的位置为激光通过透镜后的焦点位置并记录下该位置。由于激光具有一定的发散角(不是平行光),因此所测得的刀口的水平位置并不是透镜焦点的实际位置,而是入射激光束腰的像位置。因此需要利用成像公式计算出透镜焦距,成像公式为:
其中,u是物距,这里是入射光的束腰距离透镜的距离。v为像距,即为实际测量的距离(即透镜到刀口的水平距离。f是透镜的焦距。
具体地,为了验证该方法的有效性,利用本发明实施例提供的测量方法及装置测量了三个焦距不同的透镜的焦距。光源采用激光,其光束发散角0.5mrad,入射到透镜上的光斑直径约为17mm,最终测得的数据和经过换算所得的焦距如下表所示:
其中,根据上表中得到的透镜与物距、像距、焦距和理论焦距的关系可以得出:根据和透镜焦距的理论数值相比较,证明该方案完全有效。同时,李彤本发明实施例提供的测量方法及装置在使用过程中无需选用特定光源,可直接在实验光路中使用,因此非常适合在调节光路时使用。
综上,本发明提供的技术方案利用刀口在焦点前后的成像原理测量了凸透镜的焦距,由于没有测量CCD或光屏上光斑的大小,因此避免了衍射造成的测量误差。本发明提供的一种凸透镜焦距测量方法和装置利用刀口在不同位置遮挡光束,只需在光屏或相机上判断出光斑最暗时刀口所在的位置,再利用物像公式即可获得凸透镜的焦点位置。而且该方案光路简单,无需将光源变为平行光束,因此非常适合在光路调节中使用。
在本发明各方法实施例中,各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。
以上是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种凸透镜焦距测量方法,其特征在于,包括:
光源发射的激光经过凸透镜聚焦于焦点处;
沿光轴方向在凸透镜之后放置刀口以及用于接收聚焦后发散激光的光屏;
通过调节刀口沿光轴方向的位置,确定激光经过凸透镜后焦点的位置并记录该位置,并将该位置距离凸透镜的距离作为入射激光束腰的像距;
获取入射激光束腰距离凸透镜的距离并作为入射激光束腰的物距;
根据入射激光的像距、物距以及成像公式得到凸透镜焦距。
2.根据权利要求1的凸透镜焦距测量方法,其特征在于,通过调节刀口沿光轴方向的位置,确定激光经过凸透镜后焦点的位置,具体包括:
调节刀口沿光轴方向水平移动,并观察光屏上接收的激光光斑;
当光屏接收到的光斑完整且光强度最弱时,刀口的位置为激光经过凸透镜后焦点的位置。
3.根据权利要求1的凸透镜焦距测量方法,其特征在于,成像公式为:
其中,f为凸透镜的焦距、u为物距、v为像距。
4.根据权利要求1-3任一项的凸透镜焦距测量方法,其特征在于,光屏可以用CCD相机代替。
5.一种凸透镜焦距测量装置,其特征在于,测量装置沿光轴方向依次包括:
光源、凸透镜、刀口以及光屏;
凸透镜将光源发射的激光进行聚焦;
刀口安装在可以进行上下移动的平移台上,平移台可以垂直于光轴进行上下移动;
刀口和平移台安装在可以进行沿光轴方向移动的移动滑轨上,用以调节刀口的水平位置;
光屏用于接收聚焦后发散的激光。
6.根据权利要求5的凸透镜焦距测量装置,其特征在于,平移台具体用于,通过上下移动平移台进行调节刀口上下位置,使光屏接收到的激光光斑发生变化。
7.根据权利要求6的凸透镜焦距测量装置,其特征在于,移动滑轨具体用于,通过沿光轴方向水平移动移动滑轨进行调节刀口距凸透镜的距离。
8.根据权利要求7的凸透镜焦距测量装置,其特征在于,调节移动滑轨,观察观察光屏上接收的激光光斑;
当光屏接收到的光斑完整且光强度最弱时,记录刀口距凸透镜的距离作为入射激光束腰的像距;
获取入射激光束腰距离凸透镜的距离并作为入射激光束腰的物距;
根据入射激光的像距、物距以及成像公式得到凸透镜焦距。
9.根据权利要求5-8任一项的凸透镜焦距测量装置,其特征在于,平移台为精密电动平移台,移动滑轨为精密电动滑轨。
10.根据权利要求5-8任一项的凸透镜焦距测量装置,其特征在于,光屏可以用CCD相机代替。
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