CN112967534B - 迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统及迈克尔逊干涉实验方法 - Google Patents

迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统及迈克尔逊干涉实验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统及迈克尔逊干涉实验方法,系统包括计算设备和虚拟现实设备,计算设备构建有仿真的迈克尔逊干涉实验装置,虚拟现实设备包含定位器、VR手柄和VR头戴式显示设备,VR头戴式显示设备输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置;VR手柄用于调控VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置;定位器用于定位VR手柄和VR头戴式显示设备,并将定位数据发送给计算设备。计算设备用于根据定位数据输出调控后的VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置以及干涉条纹实验现象,同时将仿真的迈克尔逊干涉实验装置进行同步更新。本发明能够模拟迈克尔逊干涉实验光路搭建以及现象观测的过程。

Description

迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统及迈克尔逊干涉实验方法
技术领域
本发明涉及虚拟现实和实验教学技术领域,特别涉及一种迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统及迈克尔逊干涉实验方法。
背景技术
虚拟现实技术(VR)是一种可以模拟现实世界体验的计算机仿真系统,随着计算机技术的发展,VR技术发展迅速,并在医疗、教育、传媒、商业等领域展现了巨大的应用潜力。VR技术在展示训练方面有独特优势,该优势使其在医疗训练、实验教学等方面有不可替代的作用。例如,在医疗方面,外科手术操作训练是培养外科医生的关键环节之一,虚拟仿真技术的应用,大幅提高了训练效果,减少了大量不规范操作带来的医疗安全风险。在教育教学方面,VR技术的大量应用正在带来教学方式的革命,并为一些安全风险大、难度高的实验项目教学提供了可能。
迈克尔逊干涉仪是十九世纪美国科学家莫雷和迈克尔逊合作研发的一种光学测量仪器,该仪器原理在引力波、以太风、太阳系外行星探测等物理和天文领域有重要应用。此外,迈克尔逊干涉仪是大学物理实验教学中的重要项目。在传统的教学模式中,老师通常先讲解再演示,由于每个学生的知识水平不一样,传统的教学模式难以进行针对性的教学。通过VR技术,对该传统进行仿真模拟,可以使各学生根据自身情况学习,有助于激发学生实践热情,提高教学效果。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足,提供一种迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统,该系统可以用于通过VR的方式模拟迈克尔逊干涉实验。
本发明的第二目的在于提供一种迈克尔逊干涉实验方法,该方法可以模拟迈克尔逊干涉实验光路搭建以及现象观测的过程。
本发明的第一目的通过下述技术方案实现:一种迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统,包括计算设备和虚拟现实设备,计算设备安装有迈克尔逊干涉实验装置仿真软件和VR运行软件,迈克尔逊干涉实验装置仿真软件构建有仿真的迈克尔逊干涉实验装置,虚拟现实设备包含定位器、VR手柄和VR头戴式显示设备,其中,
VR头戴式显示设备连接计算设备,并输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置,该VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置与迈克尔逊干涉实验装置仿真软件所显示的仿真迈克尔逊干涉实验装置同步且对应;
VR手柄连接计算设备,用于调控VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置中的元器件;
定位器用于定位VR手柄和VR头戴式显示设备,定位器发出的激光不断扫描VR手柄和VR头戴式显示设备,VR手柄和VR头戴式显示设备上安装的光敏传感器捕捉到激光变化,定位器与计算设备相连,并将定位数据发送给计算设备;
计算设备用于根据定位数据输出VR环境下的调控后的迈克尔逊干涉实验装置以及迈克尔逊干涉实验装置产生的干涉条纹实验现象,同时将仿真的迈克尔逊干涉实验装置进行同步更新。
优选的,仿真的迈克尔逊干涉实验装置和VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置均包括激光器、白屏、孔径光阑、扩束镜、迈克尔逊干涉仪和压电陶瓷晶片。
优选的,定位器为激光定位器、红外定位器或可见光定位器。
优选的,定位器通过电源线连接电源。
本发明的第二目的通过下述技术方案实现:一种迈克尔逊干涉实验方法,包括如下步骤:
S1、将虚拟现实设备连接至计算设备,然后运行计算设备安装的迈克尔逊干涉实验装置仿真软件和VR运行软件,通过VR头戴式显示设备输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置,该装置包括激光器、白屏、孔径光阑、扩束镜、迈克尔逊干涉仪和压电陶瓷晶片;
S2、打开激光器:利用VR手柄触摸激光器上的启动按钮,激光从激光器发出;
S3、激光光束的调整:在激光器发出激光的一端利用VR手柄将白屏放置到激光的高亮处,并前后挪动白屏,确保移动的过程中光束射在白屏上的光点位置不变;
然后利用VR手柄移开白屏,放入孔径光阑,调节迈克逊干涉仪使其激光光束返回到孔径光阑中,接着移开孔径光阑,利用VR手柄将扩束镜放置到光路中;
S4、VR环境下的迈克尔逊干涉仪的调整:利用VR手柄前后移动迈克尔逊干涉仪中的活动镜,使迈克尔逊干涉仪中的接收屏上出现干涉条纹实验现象;
S5、压电陶瓷压电系数的测量:利用VR手柄将压电陶瓷晶片放入迈克尔逊干涉仪的活动镜上,并给压电陶瓷晶片加上25V~200V的电压,压电陶瓷伸长,进而引起活动镜的移动,使得接收屏上干涉条纹环数目随之发生变化,压电陶瓷晶片长度会随电压变化而变化,进而引起活动镜的移动,使干涉条纹也随之发生变化,通过计数接收屏上干涉条纹的吞吐数量计算出晶片的压电系数。
优选的,VR头戴式显示设备输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置时,还对应在VR环境中输出用于控制激光器工作状态的激光器打开控制区域;
在步骤S2中,利用VR手柄触碰VR环境下的激光器打开控制区域,从而打开激光器。
优选的,准直的过程如下:
利用VR手柄调节白屏高度,前后挪动白屏,移动的过程中观察光束射在白屏上的光点位置;然后利用VR手柄一边调节激光器的激光出射角度,一边前后移动白屏,确保移动过程中射在白屏上的光点位置不变,直至光束水平;
扩束的过程如下:
利用VR手柄调节扩束镜高度,使激光光束穿过扩束镜,光线得到扩束。
优选的,VR环境下的迈克尔逊干涉仪的调整过程如下:
利用VR手柄旋转迈克尔逊干涉仪中的分光板来调整分光板的角度,使分光板与补偿板平行,也即与光路呈45度夹角,从而可以出现等倾干涉实验现象;然后利用VR手柄调整活动镜旋钮、反射镜旋钮,使活动镜前后移动,活动镜前后位移的变化使得光程差发生变化,从而可以产生同心条纹吞吐的实验现象。
优选的,VR头戴式显示设备输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置时,还对应在VR环境中输出用于控制压电陶瓷晶片两端电压的压电陶瓷增压按钮和用于显示操作步骤提示、实验参数的UI提示板;
增压过程具体为:利用VR手柄触碰压电陶瓷增压按钮对压电陶瓷晶片进行增加电压操作,在不超过200V的情况下,每触碰一次压电陶瓷增压按钮便会增加一定的电压,干涉条纹也会出现相应变化,UI提示板同步记录电压和条纹吞吐数量。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
(1)本发明利用了VR技术,VR环境下的迈克尔逊干涉实验可实现情景重构,学生可以和具体对象进行交互,一改教师说教式的上课模式,学生在课下即可进行预先学习,而且具体的3D画面比文字、图片、言语更容易理解,大大提高教学效果和激发学生实践热情。
(2)本发明可方便学生随时进行自主实验,不受实验场地和实验设备的限制。即使实验失败也不怕损坏仪器,也不怕操作失误造成人身安全,因此大大降低了实验室建设成本,提高实验安全系数。
附图说明
图1是本发明迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统的示意图。
图2是迈克尔逊干涉实验的原理图。
图3是利用图1系统进行迈克尔逊干涉实验的流程图。
图4是迈克尔逊干涉仪虚拟仿真软件的打开激光器界面示意图。
图5是迈克尔逊干涉仪虚拟仿真软件的准直界面示意图。
图6是迈克尔逊干涉仪虚拟仿真软件的扩束界面示意图。
图7是迈克尔逊干涉仪虚拟仿真软件的调节迈克尔逊干涉仪界面示意图。
图8是迈克尔逊干涉仪虚拟仿真软件的测量压电陶瓷压电系数界面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
本发明可以模拟迈克尔逊干涉实验光路搭建以及现象观测的过程,解决了实验仪器成本高,受限实验场地等问题,能够给学生最直观的训练体验,增强学生对此实验的理解,大大提升了课堂效率。结合虚拟现实交互性强和沉浸感突出的特点,本发明将抽象的实验原理和操作过程三维具体化,并且具有可互动的效果,提升了学生的动手能力和知识理解力。
实施例1
本实施例公开了一种迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统,如图1所示,包括计算设备和虚拟现实设备。计算设备安装有迈克尔逊干涉实验装置仿真软件和VR运行软件,迈克尔逊干涉实验装置仿真软件构建有仿真的迈克尔逊干涉实验装置,虚拟现实设备包含定位器、VR手柄和VR头戴式显示设备(可简称VR头显)。
其中,VR头戴式显示设备连接计算设备,并输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置。该VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置与迈克尔逊干涉实验装置仿真软件所显示的仿真迈克尔逊干涉实验装置同步且对应。VR手柄打开电源按键,VR手柄连接计算设备,用于调控VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置中的元器件。
仿真的迈克尔逊干涉实验装置和VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置均包括激光器、白屏、孔径光阑、扩束镜、迈克尔逊干涉仪和压电陶瓷晶片,其中,激光器用于发射激光光束,可采用He-Ne激光器。
如图2为迈克尔逊干涉实验的原理图,M1和M2是迈克尔逊干涉仪中的两平面镜,G1是迈克尔逊干涉仪中的分光板,G2是迈克尔逊干涉仪中的补偿板,G1把由光源射来的光线分成强度相等的两束光,投射到M1和M2上,被M1和M2反射到G1,又经G1反射或透射后干涉,并在迈克尔逊干涉仪中的接收屏上产生干涉条纹。
定位器用于定位VR手柄和VR头戴式显示设备,定位器通过电源线连接电源,定位器发出的激光不断扫描VR手柄和VR头戴式显示设备,VR手柄和VR头戴式显示设备上安装的光敏传感器捕捉到激光变化,VR头戴式显示设备与计算设备相连,并将定位数据发送给计算设备。
计算设备用于根据定位数据输出VR环境下的调控后的迈克尔逊干涉实验装置以及迈克尔逊干涉实验装置产生的干涉条纹实验现象,同时将仿真的迈克尔逊干涉实验装置进行同步更新。
本实施例的虚拟现实设备可采用成套的htc vive设备,该套设备包含两个定位器、两个htc手柄、一个Vive头戴式设备以及相关连接线。其中,定位器可以是激光定位器、红外定位器或可见光定位器,可通过电源线连接电源。计算设备具体可采用电脑设备(包含主机、显卡、显示器、音响等),计算设备安装的VR运行软件为Steam、SteamVR。
基于上述迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统,如图3~图8所示,本实施例还公开了一种迈克尔逊干涉实验方法,包括如下步骤:
S1、将虚拟现实设备连接至计算设备,然后运行计算设备安装的迈克尔逊干涉实验装置仿真软件和VR运行软件,通过VR头戴式显示设备输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置,该迈克尔逊干涉实验装置包括激光器、白屏、孔径光阑、扩束镜、迈克尔逊干涉仪和压电陶瓷晶片。
这里,VR头戴式显示设备还有在VR环境中输出用于控制激光器工作状态的激光器打开控制区域(该区域可设置在激光器附近)、用于控制压电陶瓷晶片两端电压的压电陶瓷增压按钮(参见图8中位于左下角的圆柱形按钮)和UI提示板。UI提示板用于显示操作步骤提示(参见图4~6、8中的黑板)、实验参数例如干涉条纹数、压电陶瓷电压。
S2、打开激光器:利用VR手柄触摸激光器上的启动按钮,激光从激光器发出。
S3、激光光束的调整:在激光器发出激光的一端利用VR手柄将白屏放置到激光的高亮处,并前后挪动白屏,确保移动的过程中光束射在白屏上的光点位置不变。如图4所示,其中左边的元件为方形的白屏,右边的元件为激光器。
准直的过程具体是:利用VR手柄调节白屏高度,前后挪动白屏,移动的过程中观察光束射在白屏上的光点位置。然后利用VR手柄一边调节激光器的激光出射角度,一边前后移动白屏,确保移动过程中射在白屏上的光点位置不变,直至光束水平;
然后利用VR手柄移开白屏,放入孔径光阑,调节迈克逊干涉仪使激光光束返回到孔径光阑中,接着移开孔径光阑,利用VR手柄将扩束镜放置到光路中。可参见图5,图5中左边的元件为光阑,右边的元件为激光器。
接着利用VR手柄取出孔径光阑,移开白屏,放入扩束镜进行激光的扩束,可参见图6,图6中左边元件为圆形的接收屏,位于接收屏右侧,被光束穿过的元件为扩束镜。扩束的过程具体是:利用VR手柄调节扩束镜高度,使激光光束穿过扩束镜,光线得到扩束。
S4、VR环境下的迈克尔逊干涉仪的调整:利用VR手柄前后移动迈克尔逊干涉仪中的活动镜,使迈克尔逊干涉仪中的接收屏上出现干涉条纹实验现象。
具体来说,如图7所示,图7中的仪器为迈克尔逊干涉仪,其中平行的两个方形镜片为分光板和补偿板,显示有同心条纹的元件为圆形的接收屏,接收屏位于分光板的一侧,分光板的另一侧设有活动镜。先利用VR手柄旋转迈克尔逊干涉仪中的分光板来调整分光板的角度,使迈克尔逊干涉仪中的分光板与迈克尔逊干涉仪中的补偿板平行,也即与光路呈45度夹角,经分光板分束得到的两束光最终是在接收屏上重合,从而可以出现等倾干涉实验现象;然后利用VR手柄调整迈克尔逊干涉仪的活动镜旋钮、反射镜旋钮,使迈克尔逊干涉仪中的活动镜前后移动,活动镜前后位移的变化使得光程差发生变化,从而可以产生同心条纹“吞吐”的实验现象。
S5、压电陶瓷压电系数的测量:利用VR手柄将压电陶瓷晶片放入迈克尔逊干涉仪的活动镜上,并给压电陶瓷晶片加上25V~200V的电压,可参见图8,图8中的方块为压电陶瓷晶体。当加在压电陶瓷片上的驱动直流电压增加时,会引起压电陶瓷的微小伸长,进而引起活动镜的移动,使得接收屏上干涉条纹环数目随之发生变化,通过计数接收屏上干涉条纹的“吞吐”数量n即可计算出晶片的压电系数d。
其中,计算公式如下:
Figure BDA0002937983550000081
式中,λ为激光波长,L1和L2分别为晶片的长度和厚度,U为加给压电陶瓷晶片的电压。
增压过程具体为:利用VR手柄触碰压电陶瓷增压按钮对压电陶瓷晶片进行增加电压操作,在不超过200V的情况下,每触碰一次压电陶瓷增压按钮便会增加一定的电压,本实施例是每次增加25V电压,干涉条纹也会出现相应变化,UI提示板同步记录电压和条纹“吞吐”数量,方便用户数据记录。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种迈克尔逊干涉实验方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、将虚拟现实设备连接至计算设备,然后运行计算设备安装的迈克尔逊干涉实验装置仿真软件和VR运行软件,通过VR头戴式显示设备输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置,该装置包括激光器、白屏、孔径光阑、扩束镜、迈克尔逊干涉仪和压电陶瓷晶片;
S2、打开激光器:利用VR手柄触摸激光器上的启动按钮,激光从激光器发出;
S3、激光光束的调整:在激光器发出激光的一端利用VR手柄将白屏放置到激光的高亮处,并前后挪动白屏,确保移动的过程中光束射在白屏上的光点位置不变;
然后利用VR手柄移开白屏,放入孔径光阑,调节迈克逊干涉仪使其激光光束返回到孔径光阑中,接着移开孔径光阑,利用VR手柄将扩束镜放置到光路中;
S4、VR环境下的迈克尔逊干涉仪的调整:利用VR手柄前后移动迈克尔逊干涉仪中的活动镜,使迈克尔逊干涉仪中的接收屏上出现干涉条纹实验现象;利用VR手柄旋转迈克尔逊干涉仪中的分光板来调整分光板的角度,使分光板与补偿板平行,也即与光路呈45度夹角,从而出现等倾干涉实验现象;然后利用VR手柄调整活动镜旋钮、反射镜旋钮,使活动镜前后移动,活动镜前后位移的变化使得光程差发生变化,从而产生同心条纹吞吐的实验现象;
S5、压电陶瓷压电系数的测量:利用VR手柄将压电陶瓷晶片放入迈克尔逊干涉仪的活动镜上,并给压电陶瓷晶片加上25V~200V的电压,压电陶瓷伸长,进而引起活动镜的移动,使得接收屏上干涉条纹环数目随之发生变化,通过计数接收屏上干涉条纹的吞吐数量计算出晶片的压电系数,具体如下式:
Figure FDA0003882467070000011
式中,d为压电系数,n为吞吐数量,λ为激光波长,L1和L2分别为晶片的长度和厚度,U为加给压电陶瓷晶片的电压;
VR头戴式显示设备输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置时,还对应在VR环境中输出用于控制压电陶瓷晶片两端电压的压电陶瓷增压按钮和用于显示操作步骤提示、实验参数的UI提示板;
增压过程具体为:利用VR手柄触碰压电陶瓷增压按钮对压电陶瓷晶片进行增加电压操作,在不超过200V的情况下,每触碰一次压电陶瓷增压按钮便会增加一定的电压,干涉条纹也会出现相应变化,UI提示板同步记录电压和条纹吞吐数量。
2.根据权利要求1所述的迈克尔逊干涉实验方法,其特征在于,VR头戴式显示设备输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置时,还对应在VR环境中输出用于控制激光器工作状态的激光器打开控制区域;
在步骤S2中,利用VR手柄触碰VR环境下的激光器打开控制区域,从而打开激光器。
3.根据权利要求1所述的迈克尔逊干涉实验方法,其特征在于,准直的过程如下:
利用VR手柄调节白屏高度,前后挪动白屏,移动的过程中观察光束射在白屏上的光点位置;然后利用VR手柄一边调节激光器的激光出射角度,一边前后移动白屏,确保移动过程中射在白屏上的光点位置不变,直至光束水平;
扩束的过程如下:
利用VR手柄调节扩束镜高度,使激光光束穿过扩束镜,光线得到扩束。
4.一种迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统,其特征在于,应用权利要求1-3任一项所述的迈克尔逊干涉实验方法,包括计算设备和虚拟现实设备,计算设备安装有迈克尔逊干涉实验装置仿真软件和VR运行软件,迈克尔逊干涉实验装置仿真软件构建有仿真的迈克尔逊干涉实验装置,虚拟现实设备包含定位器、VR手柄和VR头戴式显示设备,其中,
VR头戴式显示设备连接计算设备,并输出VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置,该VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置与迈克尔逊干涉实验装置仿真软件所显示的仿真迈克尔逊干涉实验装置同步且对应;
VR手柄连接计算设备,用于调控VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置中的元器件;
定位器用于定位VR手柄和VR头戴式显示设备,定位器发出的激光不断扫描VR手柄和VR头戴式显示设备,VR手柄和VR头戴式显示设备上安装的光敏传感器捕捉到激光变化,定位器与计算设备相连,并将定位数据发送给计算设备;
计算设备用于根据定位数据输出VR环境下的调控后的迈克尔逊干涉实验装置以及迈克尔逊干涉实验装置产生的干涉条纹实验现象,同时将仿真的迈克尔逊干涉实验装置进行同步更新。
5.根据权利要求4所述的迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统,其特征在于,仿真的迈克尔逊干涉实验装置和VR环境下的迈克尔逊干涉实验装置均包括激光器、白屏、孔径光阑、扩束镜、迈克尔逊干涉仪和压电陶瓷晶片。
6.根据权利要求4所述的迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统,其特征在于,定位器为激光定位器、红外定位器或可见光定位器。
7.根据权利要求4所述的迈克尔逊干涉仪虚拟仿真系统,其特征在于,定位器通过电源线连接电源。
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