CN113418680B - 一种基于电光调制的薄凸透镜焦距测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学透镜焦距测量技术领域，具体涉及一种基于电光调制的薄凸透镜焦距测量装置及方法，用电信号调制光源，使光源发出带有调制信号的光，光经过待测透镜后，由光电转换模块将接收到的光信号转变为电信号，再通过解调模块将其解调为原始电信号，原始电信号在示波器上显示；调整待测透镜到光源的距离，用示波器观测电信号幅值的变化，当观测到电信号出现最大幅值时，待测透镜与光源间的距离即为待测透镜的焦距；集光学、电学、通讯等知识点于一体，实现了用电学的方法测量光学透镜的焦距；其原理科学，实验调整简单，数据便于观测，稳定性高，测量精度高。
Description
技术领域：
本发明属于光学透镜焦距测量技术领域，具体涉及一种基于电光调制的薄凸透镜焦距测量装置及方法，用电学的方法实现对光学器件焦距的测量，测量精度高，操作简便。
背景技术：
测量薄凸透镜的焦距是大学物理实验中一项基本的实验，目前常用的测量方法有自准法、共扼法。例如中国专利CN201720118329.7公开了一种测量薄凸透镜焦距的实验装置，该装置包括光具座，点光源，透镜框，标准薄凸透镜，待测薄凸透镜，光强检测探头，支架，导线，显示屏，激光校准装置，利用所述激光校准装置完成光学系统同轴等高的调节；调整支架高度使得激光发射器所发出的激光能够通过校准器的中心；通过观察所述的支架底部指针与所述光具座上标尺重合的位置来读取所述的点光源、标准薄凸透镜、待测量薄凸透镜、光强检测探头的坐标；移动光强检测探头的位置，观察显示屏上光强读数变化，研究待测薄凸透镜像方空间的光强分布情况，寻找光强最大值的位置，从而找到待测薄凸透镜的焦点位置，最终实现对待测薄凸透镜焦距测量的目的；该方法依赖光强读数寻找光强最大值对应的待测透镜的位置，光源、物屏和像屏选取的不同,也会对光强读数带来一定的影响，测量结果可能会出现较大误差。中国专利CN201720219441.X公开了一种测量薄凸透镜焦距的实验仪器，利用CCD相机捕捉成像光斑，在数值、图像上精确判断成像光斑的大小、强度，能够快速精确测量的同时也可以清晰直观地展示出薄透镜成像规律，并辅助学生加深对成像规律的理解，实现自动、手动两种模式测量薄凸透镜焦距的实验仪器，包括：点光源，可调节光阑，薄凸透镜组件，像屏，遮光筒，外壳，活动轨道，调节档杆，传动装置，红外测距装置，显示屏，CPU控制器；该方法基于共轭原理，成像的判断依赖于相机的成像质量，而且测量方法依赖于CPU控制，比较复杂，不适合作为大学物理实验的教学内容。现有必要研发一种操作简便、稳定性高且测量精度高的薄凸透镜的测量方法。
发明内容：
本发明为了克服现有技术存在的缺点，提供一种基于电光调制的薄凸透镜焦距测量装置及方法，用电学的方法实现对光学器件焦距的测量，测量精度高，操作简便。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于电光调制的薄凸透镜焦距测量方法，用电信号调制光源，使光源发出带有调制信号的光，光经过待测透镜后，由光电转换模块将接收到的光信号转变为电信号，再通过解调模块将其解调为原始电信号，原始电信号在示波器上显示；调整待测透镜到光源的距离，用示波器观测电信号幅值的变化，当观测到电信号出现最大幅值时，待测透镜与光源间的距离即为待测透镜的焦距。
进一步的，基于电光调制的薄凸透镜焦距测量方法的具体步骤为：
(1)搭建测量装置：在光具座上从左至右依次放置点光源、待测透镜和光电转换模块,调节使光路共轴；将点光源与电光调制模块电连接，将电光调制模块与信号源电信号连接；将光电转换模块与解调模块电信号连接，将解调模块与示波器电信号连接；解调模块能够将接收到的调制电信号解调为原始信号，原始信号波形能够在示波器上显示；
(2)打开信号源、电光调制模块、解调模块和示波器的开关，设置信号源波形，电光调制模块发出调制电信号，驱动点光源发光；光路通过待测透镜后，由光电转换模块将接收到的光信号转变为电信号并输入到解调模块，解调模块将接收到的电信号解调为所设置的波形信号，波形在示波器上显示；
(3)固定电光源和光电转换模块的位置,移动待测透镜，观察示波器上信号的变化；如果点光源正好在待测透镜的一倍焦距处，光线经待测透镜后成为平行光，光电转换模块接收到的光强度最大，转换成的电信号最强，调解后得到的电信号的幅值最大，所以当示波器上信号图像有最大幅值时，此时待测透镜与LED光源之间的距离即为待测透镜的一倍焦距。
进一步的，步骤(1)搭建测量装置时增加会聚透镜，会聚透镜位于待测透镜与光电转换模块之间，调整光电转换模块与会聚透镜之间的距离为会聚透镜的一倍焦距F’。
本发明还提供所述的基于电光调制的薄凸透镜焦距测量方法所用装置，主体结构包括：待测透镜、点光源、光电转换模块、信号源、电光调制模块、解调模块和示波器，点光源、待测透镜、会聚透镜和光电转换模块依次从左至右通过支架安装在光具座上；点光源与电光调制模块电连接；电光调制模块与信号源电信号连接；光电转换模块与解调模块电信号连接；解调模块与示波器电信号连接。
进一步的，还包括会聚透镜，会聚透镜位于待测透镜与光电转换模块之间，光电转换模块与会聚透镜之间的距离为会聚透镜的一倍焦距F’。
本发明与现有技术相比，利用电光调制原理和示波器测量电信号的方法实现对凸透镜焦距的测量，观测电信号幅值来确定待测透镜一倍焦距的位置，其准确性要比传统方法中用肉眼判断成像是否清晰更加准确和容易；实现了用电学的方法测量光学透镜的焦距，拓展了透镜焦距测量的方法，既是对传统物理实验的有益补充，又给大学物理实验的改革与创新提供了新的思路；该方法集光学、电学、通讯等知识点于一体，可以基于此方法开设一综合性实验，开展更多参数的测量，从而有助于提高学生对综合知识的运用能力，培养学生的创新性思维能力和实验设计能力，适合作为大学物理实验的创新性实验或作为焦距测量实验的补充与扩展；其原理科学，实验调整简单，数据便于观测，稳定性高，测量精度高。
附图说明：
图1为本发明涉及的基于电光调制的薄凸透镜焦距测量装置的整体结构原理示意图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及一种基于电光调制的薄凸透镜焦距测量方法，用电信号调制光源，使光源发出带有调制信号的光，光经过待测透镜1后，由光电转换模块6将接收到的光信号转变为电信号，再通过解调模块7将其解调为原始电信号，原始电信号在示波器8上显示；调整待测透镜1到光源的距离，用示波器8观测电信号幅值的变化，当观测到电信号出现最大幅值时，待测透镜1与光源间的距离即为待测透镜1的焦距；具体步骤为：
(1)搭建测量装置：在光具座上从左至右依次放置LED光源3、待测透镜1、会聚透镜2和光电转换模块6,调节使光路共轴；调整光电转换模块6与会聚透镜2(焦距F’已知)之间的距离为会聚透镜2的一倍焦距F’；将LED光源3与电光调制模块5电连接，将电光调制模块5与信号源4电信号连接；将光电转换模块6与解调模块7电信号连接，将解调模块7与示波器8电信号连接；解调模块7能够将接收到的调制电信号解调为原始信号，原始信号波形能够在示波器8上显示；
(2)打开信号源4、电光调制模块5、解调模块7和示波器8的开关，设置信号源4波形为脉冲波，电光调制模块5将电信号调制为带脉冲波的电信号后，驱动LED光源3发光；光路通过待测透镜1后，经会聚透镜2会聚到光电转换模块6，光电转换模块6将接收到的光信号转变为电信号并输入到解调模块7，解调模块7将接收到的电信号解调为脉冲波信号，脉冲波在示波器8上显示；
(3)固定LED光源3、会聚透镜2及光电转换模块6的位置,移动待测透镜1，观察示波器8上信号的变化；如果LED光源3正好在待测透镜1的一倍焦距处，光线经待测透镜1后成为平行光，平行光经会聚透镜2会聚后，光电转换模块6接收到的光强度最大，转换成的电信号最强，调解后得到的电信号的幅值最大，所以当示波器8上信号图像有最大幅值时，此时待测透镜1与LED光源3之间的距离即为待测透镜1的1倍焦距；待测透镜1与LED光源3之间的距离通过读取各自在光具座上的刻度计算。
本实施例涉及的基于电光调制的薄凸透镜焦距测量方法所用装置的主体结构包括：待测透镜1、会聚透镜2、LED光源3、光电转换模块6、信号源4、电光调制模块5、解调模块7和示波器8，LED光源3、待测透镜1、会聚透镜2和光电转换模块6依次从左至右通过支架安装在光具座上，光具座上设有刻度；光电转换模块6与会聚透镜2(焦距F’已知)之间的距离为会聚透镜2的一倍焦距F’；LED光源3与电光调制模块5电连接；电光调制模块5与信号源4电信号连接；光电转换模块6与解调模块7电信号连接；解调模块7与示波器8电信号连接。
本实施例涉及的会聚透镜2的主要作用是辅助光路聚焦，增加光电转换模块6接收的光强度，有助于提高测量效率和测量精度。
本实施例涉及的信号源4能设置各种波形的电信号输入到电光调制模块5，为现有技术的信号源设备。
本实施例涉及的电光调制模块5为光通信实验信号发送机，输出端选择LED端口。
本实施例涉及的光电转换模块6能够将光信号转换为电信号，光强度的大小影响转换后电信号的强弱；光电转换模块6为现有技术的光电探测器或其他能够实现光电转换的设备。
本实施例涉及的解调模块7为现有技术的光通讯实验信号接收机。
本实施例方法对LED光源3、待测透镜1、会聚透镜2和光电转换模块6的光路共轴精度要求不高；会聚透镜2可以撤去不用，当没有会聚透镜2时，示波器上也能显示电信号波形及幅值。
实施例2：
本实施例为实施例1涉及的基于电光调制的薄凸透镜焦距测量方法的精确度实验。选用焦距为100mm的标准透镜作为待测透镜1，分别用实施例1的电光调制法、自准直法和共轭法测量其焦距，测量数据如表1所示。
表1电光调制法、自准直法和共轭法的焦距测量结果
从表1中可以看出：使用共轭法测得透镜平均焦距为10.37cm，偏差为3.3mm，误差为
4.1％；使用自准直法测得透镜平均焦距为9.83cm，偏差为1.7mm，误差为1.3％；使用电光调制法测得透镜平均焦距为9.97cm，偏差为0.3mm，误差为0.3％。从实验结果可以看出电光调制法测透镜焦距比共轭法和自准直法的测量精度高。
Claims (4)
1.一种基于电光调制的薄凸透镜焦距测量方法，其特征在于，用电信号调制点光源，使点光源发出带有调制信号的光，光经过待测透镜后，由光电转换模块将接收到的光信号转变为电信号，再通过解调模块将其解调为原始电信号，原始电信号在示波器上显示；调整待测透镜到点光源的距离，用示波器观测电信号幅值的变化，当观测到电信号出现最大幅值时，待测透镜与点光源间的距离即为待测透镜的焦距；具体步骤为：
(1)搭建测量装置：在光具座上从左至右依次放置点光源、待测透镜和光电转换模块,调节使光路共轴；将点光源与电光调制模块电连接，将电光调制模块与信号源电信号连接；将光电转换模块与解调模块电信号连接，将解调模块与示波器电信号连接；解调模块能够将接收到的调制电信号解调为原始信号，原始信号波形能够在示波器上显示；
(2)打开信号源、电光调制模块、解调模块和示波器的开关，设置信号源波形，电光调制模块发出调制电信号，驱动点光源发光；光路通过待测透镜后，由光电转换模块将接收到的光信号转变为电信号并输入到解调模块，解调模块将接收到的电信号解调为所设置的波形信号，波形在示波器上显示；
(3)固定点光源和光电转换模块的位置,移动待测透镜，观察示波器上信号的变化；如果点光源正好在待测透镜的一倍焦距处，光线经待测透镜后成为平行光，光电转换模块接收到的光强度最大，转换成的电信号最强，调解后得到的电信号的幅值最大，所以当示波器上信号图像有最大幅值时，此时待测透镜与点光源之间的距离即为待测透镜的一倍焦距。
2.根据权利要求1所述的基于电光调制的薄凸透镜焦距测量方法，其特征在于，步骤(1)搭建测量装置时增加会聚透镜，会聚透镜位于待测透镜与光电转换模块之间，调整光电转换模块与会聚透镜之间的距离为会聚透镜的一倍焦距F’。
3.一种如权利要求1所述的基于电光调制的薄凸透镜焦距测量方法所用装置，其特征在于，主体结构包括：待测透镜、点光源、光电转换模块、信号源、电光调制模块、解调模块和示波器，点光源、待测透镜、会聚透镜和光电转换模块依次从左至右通过支架安装在光具座上；点光源与电光调制模块电连接；电光调制模块与信号源电信号连接；光电转换模块与解调模块电信号连接；解调模块与示波器电信号连接。
4.根据权利要求3所述的基于电光调制的薄凸透镜焦距测量方法所用装置，其特征在于，还包括会聚透镜，会聚透镜位于待测透镜与光电转换模块之间，光电转换模块与会聚透镜之间的距离为会聚透镜的一倍焦距F’。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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