CN112908126B - 一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置，包括光具座，光具座上设置有导轨，导轨上依次滑动安装有物屏组件、透镜组件和像屏组件，物屏组件包括滑动安装在导轨上的视频播放器，视频播放器的屏幕朝向透镜组件一侧设置，视频播放器的屏幕上设置有两个用于显示图像的区域，分别为横向移动图案区和固定图案区；像屏组件包括滑动安装在导轨上的像屏壳体，像屏壳体上设置有光敏模块、脉冲间距测量比较模块和最小脉冲间距显示模块。在透镜实验调节的过程中，对焦越清晰，最小脉冲间距显示模块显示的数字越小，所以可以依次作为参照进行对焦，使用起来比人工肉眼观察的方式更方便、更准确。

Description

一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置
技术领域
本发明涉及光学实验技术领域，尤其涉及一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置。
背景技术
透镜组件成像实验是中学教材中重要物理实验，其实验目的是通过实验帮助学生理解透镜组件的成像规律。目前透镜组件成像实验装置主要由光具座和设在光具座上的透镜组件、光源和像屏组成。实验时，在透镜组件的两侧分别放置光源和像屏，通过移动光源或像屏相对于透镜组件的距离，使得光源在像屏上成清晰的像，然后在实际操作时，往往时一边调整光学器具的位置，一边通过肉眼观看成像的清晰度，来确定焦距是否对准，这样调整方式存在精度不高、速度慢等缺点；此外，目前也有在像屏上设置光敏传感器来通过测量光强变化，从而来确定对焦位置，但是此种测量方式容易受到调整仪器动作引起的晃动的影响，存在精度不高、数据不稳定的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种设计合理、使用方便、对焦直观且精度较高的具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置，包括光具座，所述光具座上设置有导轨，所述导轨上依次滑动安装有物屏组件、透镜组件和像屏组件，
所述物屏组件包括滑动安装在所述导轨上的视频播放器，所述视频播放器的屏幕朝向所述透镜组件一侧设置，所述视频播放器的屏幕上设置有两个用于显示图像的区域，分别为横向移动图案区和固定图案区；所述固定图案区用于在所述像屏组件上显示物屏成像固定图案；所述横向移动图案区内包括若干横向排列的竖向条纹，所述竖向条纹的宽度与其后相邻竖向条纹之间的间隔区域的宽度相同，各所述竖向条纹的宽度成等比数列，各所述竖向条纹保持匀速横向移动且循环播放；所述像屏组件包括滑动安装在所述导轨上的像屏壳体，所述像屏壳体上设置有依次电连接的光敏模块、脉冲间距测量比较模块和最小脉冲间距显示模块，
所述光敏模块设置在所述像屏壳体靠近所述透镜组件一侧的表面，用于接收横向移动的各所述竖向条纹经所述透镜组件成像后形成的光信号，并将明暗相间的光信号转化为电脉冲信号；
脉冲间距测量比较模块设置在所述像屏壳体内，用于接收所述光敏模块传来的脉冲信号，依次测量相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，形成脉冲间距值，并对各脉冲间距值进行比较，找到相邻两个最大脉冲间距值之间的最小脉冲间距值，并把所述最小脉冲间距值传送给所述最小脉冲间距显示模块；
所述最小脉冲间距显示模块设置在所述像屏壳体外表面，用于接收并显示来自所述脉冲间距测量比较模块的最小脉冲间距值。
作为优选的技术方案，所述像屏壳体靠近所述透镜组件一侧的表面上还设置有显像区，所述显像区与所述固定图案区对应，所述固定图案区的图案通过所述透镜组件后显示在所述显像区内。
作为优选的技术方案，所述光敏模块包括安装在所述像屏壳体上的光敏传感器，所述光敏传感器与所述显像区在同一平面内，且与所述横向移动图案区的成像位置对应。
作为优选的技术方案，所述横向移动图案区内包含若干行竖向条纹组，每行所述竖向条纹组包括若干横向排列的竖向条纹，所述竖向条纹的宽度与其后相邻竖向条纹之间的间隔区域的宽度相同，各所述竖向条纹的宽度成等比数列，所述竖向条纹保持匀速横向移动且循环播放；
每行所述竖向条纹组保持同样的移动速度，前一行的最后一个所述竖向条纹和下一行的第一个所述竖向条纹的宽度比等于数列比；所述像屏壳体上设置有与所述竖向条纹组行数相同数量的光敏模块，各光敏模块产生的电脉冲同时传到所述脉冲间距测量比较模块，所述脉冲间距测量比较模块对所有的脉冲间距值进行处理；各所述光敏模块竖向排列且与各所述竖向条纹组一一对应。
作为优选的技术方案，所述光敏模块包括安装在所述像屏壳体的下部，所述光敏模块包括和所述显像区处于同一平面的表面板，所述表面板上设有竖直的狭缝，所述表面板的内侧与所述狭缝对应的位置设有菲涅尔透镜，所述狭缝透过的光经所述菲涅尔透镜汇聚于一点，在光汇聚点设有光敏传感器，所述光敏传感器将光信号转化为电脉冲信号并传递至所述脉冲间距测量比较模块。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：对焦过程中，脉冲间距测量比较模块接收所述光敏模块传来的脉冲信号，依次测量相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，形成脉冲间距值，并对各脉冲间距值进行比较，找到相邻两个最大脉冲间距值之间的最小脉冲间距值，并把所述最小脉冲间距值传送给最小脉冲间距显示模块；然后，最小脉冲间距显示模块接收并显示来自所述脉冲间距测量比较模块的最小脉冲间距值；因为最小脉冲间距显示模块显示的是最小脉冲间距值，所以在透镜实验调节的过程中，对焦越清晰，越能显示更细的竖向条纹，光敏模块能检测到的脉冲间距越小，最小脉冲间距显示模块显示的数字越小，所以可以依次作为参照，进行对焦，使用起来比人工肉眼观察的方式更方便、更准确；
本发明中的脉冲间距值为相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，此种距离值的数值显示方式比直接测量脉冲宽度更准确，因为在对焦不是很清晰的情况下，脉冲的起始和结束点无法准确确定。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例一物屏组件的正视图；
图3是本发明实施例一像屏组件的正视图；
图4是本发明实施例一像屏组件的侧视图；
图5是本发明实施例一像屏组件内各部分的连接框图；
图6是本发明实施例一光敏模块的结构示意图；
图7是本发明实施例二物屏组件的正视图；
图8是本发明实施例二像屏组件的正视图；
图中：1-光具座；2-导轨；3-物屏组件；31-固定图案区；32-横向移动图案区；33-竖向条纹；4-透镜组件；5-像屏组件；51-像屏壳体；52-脉冲间距测量比较模块；53-最小脉冲间距显示模块；54-显像区；55-光敏模块；551-表面板；552-狭缝；553-菲涅尔透镜；554-光敏传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
实施例一：
如图1所示，一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置，包括光具座1，所述光具座1上设置有导轨2，所述导轨2上依次滑动安装有物屏组件3、透镜组件4和像屏组件5，所述光具座上还设置有标尺，用于测量各个部件之间的距离，来求得透镜组件4的成像规律。
参见图2，所述物屏组件3包括滑动安装在所述导轨2上的视频播放器，所述视频播放器的屏幕朝向所述透镜组件4一侧设置，所述视频播放器的屏幕上设置有两个用于显示图像的区域，分别为横向移动图案区32和固定图案区31；所述固定图案区31用于在所述像屏组件5上显示物屏成像固定图案；所述横向移动图案区32内包括若干横向排列的竖向条纹33，所述竖向条纹33的宽度与其后相邻竖向条纹33之间的间隔区域的宽度相同，各所述竖向条纹33的宽度成等比数列，各所述竖向条纹33保持匀速横向移动且循环播放。
参见图3、图4和图5，所述像屏组件5包括滑动安装在所述导轨2上的像屏壳体51，所述像屏壳体51上设置有依次电连接的光敏模块55、脉冲间距测量比较模块52和最小脉冲间距显示模块53。
参见图3至图5，所述光敏模块55设置在所述像屏壳体51靠近所述透镜组件4一侧的表面，用于接收横向移动的各所述竖向条纹33经所述透镜组件4成像后形成的光信号，并将明暗相间的光信号转化为电脉冲信号；所述脉冲间距测量比较模块52设置在所述像屏壳体51内，用于接收所述光敏模块55传来的脉冲信号，依次测量相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，形成脉冲间距值，并对各脉冲间距值进行比较，找到相邻两个最大脉冲间距值之间的最小脉冲间距值，并把所述最小脉冲间距值传送给所述最小脉冲间距显示模块；所述最小脉冲间距显示模块53设置在所述像屏壳体51外表面，用于接收并显示来自所述脉冲间距测量比较模块52中找到的最小脉冲间距值。所述最小脉冲间距显示模块53包括显示器，显示器上可以实时显示出最小脉冲间距值。
所述像屏壳体靠近所述透镜组件4一侧的表面上还设置有显像区54，所述显像区54与所述固定图案区31对应，所述固定图案区31的图案通过所述透镜组件4后显示在所述显像区54内。所述固定图案区31上显示的图案可以在所述显像区54上呈最清晰的像。
参见图6，所述光敏模块55安装在所述像屏壳体51的下部，所述光敏模块55包括和所述显像区54处于同一平面的表面板551，所述表面板551上设有竖直的狭缝552，所述表面板551的内侧与所述狭缝552对应的位置设有菲涅尔透镜553，所述狭缝552透过的光经所述菲涅尔透镜553汇聚于一点，在光汇聚点设有光敏传感器554，所述光敏传感器554将光信号转化为电脉冲信号并传递至所述脉冲间距测量比较模块52。所述光敏传感器554可以由光敏三极管、光敏二极管组成。
本实施例的工作原理为：
所述狭缝552的位置对应于所述横向移动图案区32，当所述横向移动图案区32内的所述竖向条纹33横向移动时，所述竖向条纹33与条纹间隔区域的成像依次移动到狭缝552处，光敏模块55可以接收到明暗相间的光信号，产生电脉冲；
当对焦清晰的时候，宽度较小的竖向条纹33所成的像能在狭缝552处清晰的显示出来，因此光敏模块55能产生电脉冲，相反，如果对焦不清晰，则宽度较小的所述竖向条纹33所成的像同相邻的条纹间隔区域融合在一起，光线照度没有变化，就不能产生电脉冲。所述竖向条纹33的宽度越小，形成的电脉冲之间的时间间隔越短，因此所述竖向条纹33横向移动一个循环时，对焦越清晰的时候，所述光敏模块55产生的脉冲越多，最小脉冲时间间隔越短；
对焦过程中，脉冲间距测量比较模块52接收所述光敏模块55传来的脉冲信号，依次测量相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，形成脉冲间距值，并对各脉冲间距值进行比较，找到相邻两个最大脉冲间距值之间的最小脉冲间距值，然后，脉冲间距测量比较模块52把最小脉冲间距值传输到后面的最小脉冲间距显示模块，最小脉冲间距显示模块53接收并显示来自所述脉冲间距测量比较模块52的最小脉冲间距值；在透镜实验调节的过程中，对焦越清晰，越能显示更细的竖向条纹，光敏模块55能检测到的脉冲间距越小，最小脉冲间距显示模块53显示的数字越小，所以可以依次作为参照，进行对焦，使用起来比人工肉眼观察的方式更方便、更准确。
本发明中的脉冲间距值为相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，此种距离值的数值显示方式比直接测量脉冲宽度更准确，因为在对焦不是很清晰的情况下，脉冲的起始和结束点无法准确确定，此种方式更加直观、准确，便于找准对焦最佳位置。
所述光敏模块55包括安装在所述像屏壳体3上的光敏传感器554，所述光敏传感器554与所述显像区54在同一平面内，且与所述横向移动图案区32的成像位置对应。
实施例二：
实施例二与实施例一的结构基本相同，区别在于：参见图7，所述横向移动图案区32内包含若干行竖向条纹组，每行所述竖向条纹组包括若干横向排列的竖向条纹33，所述竖向条纹33的宽度与其后相邻竖向条纹33之间的间隔区域的宽度相同，各所述竖向条纹33的宽度成等比数列，所述竖向条纹33保持匀速横向移动且循环播放；
每行所述竖向条纹组保持同样的移动速度，前一行的最后一个所述竖向条纹33和下一行的第一个所述竖向条纹33的宽度比等于数列比；所述像屏壳体51上设置有与所述竖向条纹组行数相同数量的光敏模块55，各光敏模块55产生的电脉冲同时传到所述脉冲间距测量比较模块52，所述脉冲间距测量比较模块52对所有的脉冲间距值进行处理；各所述光敏模块55竖向排列且与各所述竖向条纹组一一对应。本实施例中，设置有两个光敏模块55和两行竖向条纹组，参见图8。
本实施例中采用多排竖向条纹组，并且各竖向条纹呈数列排列，因此在同样时间内，会有更多的竖向条纹移动，可以更快的测量显示最小脉冲间距值。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置，包括光具座，所述光具座上设置有导轨，所述导轨上依次滑动安装有物屏组件、透镜组件和像屏组件，其特征在于：
所述物屏组件包括滑动安装在所述导轨上的视频播放器，所述视频播放器的屏幕朝向所述透镜组件一侧设置，所述视频播放器的屏幕上设置有两个用于显示图像的区域，分别为横向移动图案区和固定图案区；所述固定图案区用于在所述像屏组件上显示物屏成像固定图案；所述横向移动图案区内包括若干横向排列的竖向条纹，所述竖向条纹的宽度与其后相邻竖向条纹之间的间隔区域的宽度相同，各所述竖向条纹的宽度成等比数列，各所述竖向条纹保持匀速横向移动且循环播放；
所述像屏组件包括滑动安装在所述导轨上的像屏壳体，所述像屏壳体上设置有依次电连接的光敏模块、脉冲间距测量比较模块和最小脉冲间距显示模块；所述光敏模块设置在所述像屏壳体靠近所述透镜组件一侧的表面，用于接收横向移动的各所述竖向条纹经所述透镜组件成像后形成的光信号，并将明暗相间的光信号转化为电脉冲信号；所述脉冲间距测量比较模块设置在所述像屏壳体内，用于接收所述光敏模块传来的脉冲信号，依次测量相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，形成脉冲间距值，并对各脉冲间距值进行比较，找到相邻两个最大脉冲间距值之间的最小脉冲间距值，并把所述最小脉冲间距值传送给所述最小脉冲间距显示模块；所述最小脉冲间距显示模块设置在所述像屏壳体外表面，用于接收并显示来自所述脉冲间距测量比较模块的最小脉冲间距值。
2.如权利要求1所述的一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置，其特征在于：所述像屏壳体靠近所述透镜组件一侧的表面上还设置有显像区，所述显像区与所述固定图案区对应，所述固定图案区的图案通过所述透镜组件后显示在所述显像区内。
3.如权利要求2所述的一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置，其特征在于：所述光敏模块包括安装在所述像屏壳体上的光敏传感器，所述光敏传感器与所述显像区在同一平面内，且与所述横向移动图案区的成像位置对应。
4.如权利要求3所述的一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置，其特征在于：所述横向移动图案区内包含若干行竖向条纹组，每行所述竖向条纹组包括若干横向排列的竖向条纹，所述竖向条纹的宽度与其后相邻竖向条纹之间的间隔区域的宽度相同，各所述竖向条纹的宽度成等比数列，所述竖向条纹保持匀速横向移动且循环播放；
每行所述竖向条纹组保持同样的移动速度，前一行的最后一个所述竖向条纹和下一行的第一个所述竖向条纹的宽度比等于数列比；所述像屏壳体上设置有与所述竖向条纹组行数相同数量的光敏模块，各光敏模块产生的电脉冲同时传到所述脉冲间距测量比较模块，所述脉冲间距测量比较模块对所有的脉冲间距值进行处理；各所述光敏模块竖向排列且与各所述竖向条纹组一一对应。
5.如权利要求3所述的一种具有对焦状态数字化显示的透镜成像实验装置，其特征在于：所述光敏模块包括安装在所述像屏壳体的下部，所述光敏模块包括和所述显像区处于同一平面的表面板，所述表面板上设有竖直的狭缝，所述表面板的内侧与所述狭缝对应的位置设有菲涅尔透镜，所述狭缝透过的光经所述菲涅尔透镜汇聚于一点，在光汇聚点设有光敏传感器，所述光敏传感器将光信号转化为电脉冲信号并传递至所述脉冲间距测量比较模块。
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