TWI413032B - Lens imaging aids - Google Patents

Description

透鏡成像教具

本發明係關於一種教具，特別係關於一種透鏡成像教具。

凸透鏡具有將光線會聚之功能，故又稱會聚透鏡。由某一個點光源所發出的眾多光線，經凸透鏡折射後在鏡後會相交於一點，這樣的特性即構成了凸透鏡成像最基本的原理。

如第一圖所示，由於點光源S所發出的光線經透鏡X折射後，最後會朝向同一個點前進，因此只要藉由其中幾條光線1-5之走向，吾人便可以判斷其成像之位置，而其中幾條光線的走向亦有一定的規則可尋，包括：光線1-平行主軸L的光線1，經透鏡X折射後會穿過鏡後的焦點F；光線2-射向鏡心的光線2不偏折；以及光線3-從焦點F射出的光線3，經透鏡X折射後會平行主軸L射出。

由於兩條線便能構成一交點，因此在國中透鏡成像原理的教學也常省略光線3而直接利用光線1和光線2對成像的狀況進行判斷，如第二圖所示。

但是，這樣的教學方式容易讓學生認為像的形成是由有限條之光線所會聚而成。有學者指出，由於教師或教科書中的講解常以光線作圖法來解題，所以很多國中學生習慣用光線作圖法來處理凸透鏡某些部分被除去或遮蔽時的成像問題，僅用主要的兩條或三條光線(即第二圖的光線1、2、3)來判斷成像 結果，使得學生錯誤地建立凸透鏡實像就只由這二或三條光線會聚形成的迷思。

在這樣的迷思概念架構下，學生對於凸透鏡成像可能導致的錯誤推論為：使用作圖法時若兩條以上的光線(例如光線1、2)被擋住無法通過透鏡X，則無法描繪出成像(即表示無法成像)，例如第三圖所示。

然而實際上，即使透鏡的某些部分(例如上半部、下半部、鏡心或外圍等)被去除或遮蔽，其他的光線依然會投射至屏幕上，也就是成像與原先相比僅亮度變小，其餘並不會改變，因此並不會有前述學生之迷思概念如像的上半部、中間、或下半部消失，或者無法成像等情況發生。

因此，為了要適當地導正學生對於透鏡成像之迷思概念，必須讓學生對完整的透鏡成像原理有所理解，但相關的教學方案卻寥寥可數。

例如，TW M317016揭示了藉由更換不同透光板片以改變發射光源之分佈，以進一步改變成像之型態；TW M310343揭示利用發光源產生對稱的圖案，而可觀察顯示單元上的倒影成像；TW 201126468則揭示了利用可變倍率透鏡模組改變透鏡的焦距以觀察光路徑及成像的變化。

但是，這些成像教具都無法用以模擬出位於透鏡一側的點光源發射出若干條光線，經過凸透鏡折射之後會再會聚於一點的光學原理，因此對於導正前述迷思概念並無實質助益。

有鑑於此，如何提供適當的透鏡成像教具以導正前述迷思概念，自係本領域人士所應思量的。

本發明的主要目的係提供一種可模擬自點光源發射的數條光線經透鏡折射後仍會聚焦於一點的光學原理的透鏡成像教具。

為了達成上述及其他目的，本發明提供一種透鏡成像教具，其包括一滑軌、一透鏡承座、一凸透鏡單元、一立柱、若干座體及若干雷射發射器。該滑軌定義一線性軌道，該透鏡承座係設於該滑軌，該凸透鏡單元係設於該透鏡承座，該立柱係設於該滑軌，且該立柱與該透鏡承座可沿該線性軌道相對滑移，該些座體係分別設於該立柱，該些雷射發射器則分別可沿一水平假想軸轉動地設於該些座體，且各該水平假想軸約與該滑軌垂直，各該雷射發射器係用以朝該凸透鏡單元發射雷射光束，且該些雷射光束可會聚於雷射發射器與凸透鏡單元之間的一點。

由於本案透鏡成像教具的雷射發射器可以相對座體轉動，因此使用者可以藉由調整各個雷射發射器的角度來讓所發出的雷射光束會聚於凸透鏡單元前方的一點，該點即可用以模擬點光源，而該些雷射光束於經過該點後繼續朝凸透鏡單元移動，這些雷射光束即等同於自點光源所發射出的數條光線，這些自點光源所發散的數條光線經過凸透鏡單元的折射後，亦會交會於一點，如此即可清楚地表現光學折射原理，並有助於避免學生建立錯誤的迷思概念。

首先，請參考第四圖，本發明提供一種透鏡成像教具，其 包括一滑軌10、一透鏡承座20、一凸透鏡單元30、一立柱40、若干座體50、若干雷射發射器60及一透明罩體70。

該滑軌10定義一線性軌道11而可立於一平面，該透鏡承座20係滑設於該滑軌10而可沿該線性軌道11滑移，而該凸透鏡單元30則係設於該透鏡承座20；該透鏡承座20包括一下管21、一插設於下管21且可相對該下管21上下滑移的上管22、一固定機構23用以固定上、下管21、22的相對位置、以及一鏡座24設於上管22頂端並可供支撐該凸透鏡單元30，該凸透鏡單元30可包括單一片凸透鏡，或者為包括複數透鏡的鏡頭並具有聚光性而非散光性。若該凸透鏡單元30僅包括單一片凸透鏡時，該鏡座24可設成包括一底板26設於上管22頂端、及二側板25由底板26兩側延伸而出，並於各該側板25形成一定位槽251，而可供凸透鏡單元30(即凸透鏡)之一外緣嵌抵其內。其中，前述上、下管之結構亦可改為上管套設於下管而可上下滑移，或以其他非穿套之方式結合，甚至以一固定長度之直桿取代該上、下管與固定機構亦可。

請同時參考第四、五圖，該立柱40係滑設於該滑軌10而可沿該線性軌道11滑移，該座體50則可分別上下滑移地滑設於該立柱40，此時該立柱40可具有若干滑槽41，而各該座體50則具有一滑塊51滑設於該滑槽41中；除此之外，該滑塊51可開設有螺孔52而利用一螺絲53螺設於該螺孔52，令滑塊51可以緊抵於滑槽41內壁而固定滑塊51與滑槽41的相對位置，藉此當座體50滑移至預定高度時，利用螺絲53將座體50固定於該高度。

另一方面，該些雷射發射器60係分別可沿一水平假想軸L1轉動地設於該些座體50而用以朝該凸透鏡單元30發射雷射光束，各該水平假想軸L1約與該滑軌10垂直，且各該座體50更可包括一設於立柱40的支撐部54、一螺固件55及一螺母56，該支撐部54係固定於同一座體50的滑塊51且具有一穿孔57，該螺固件55具有一平行於該水平假想軸L1的螺紋段551而穿過該穿孔57並與該螺母56螺設而將該支撐部54夾掣於其中，該些雷射發射器60係分別固定於該些螺固件55；藉此，當螺固件55與螺母56並未緊迫夾抵支撐部54時，該雷射發射器60的角度即可得調整，而當螺固件55與螺母緊迫夾抵支撐部54時，則可固定雷射發射器60相對水平面的夾角。另外，該些雷射發射器60可電連接於一控制盒65，該控制盒65可控制該些雷射發射器60的啟閉並可供給其電能。

該透明罩體70定義一容置空間並具有一下開口，而可由上而下罩設前述元件，此時該滑軌10、透鏡承座20、凸透鏡單元30、立柱40、座體50及雷射發射器60即位於該容置空間內，實際操作透鏡成像教具時可在容置空間內製造一些煙霧，使雷射發射器60所發射的光束更容易被觀察到。當然，在沒有設置透明罩體70的場合，亦不至於影響這些雷射光束的匯聚效果。

請參考第六圖。使用時，該些雷射發射器60所發射的雷射光束61可會聚於雷射發射器60與凸透鏡單元30之間的一點A，該點A即等同於一點光源，而自該點A繼續延伸的雷射光束61則等同於自點光源發散的多數光線，這些雷射光束 61經過凸透鏡單元30折射後可重新聚焦於一點B，如此即可模擬自點光源發散的數條光線經凸透鏡折射後可重行會聚於一點的「萬線一心」光學原理。

這樣的模擬結果可以幫助學生理解除了常見、易表示的幾條光路徑之外，點光源也會發出行經其他路徑的光線，且所有的光線都會重新會聚於透鏡後一點，且本發明的教具也可表現出其中幾條光線被遮蔽時，其他光線仍會聚焦於一點的現象，從而導正學生常見的迷思概念，俾教導學生建立正確的光學概念。

最後，必須再次說明，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，例如座體可直接固定於該立柱，立柱滑槽的數量以至少一個即已足，雷射發射器與座體之間的可轉動功能亦可藉由其他機構實現，且透鏡承座與立柱其中一者可以改為固設而非滑設於滑軌，此等變化方式亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。

1-5‧‧‧光線

10‧‧‧滑軌

11‧‧‧線性軌道

20‧‧‧透鏡承座

21‧‧‧下管

22‧‧‧上管

23‧‧‧固定機構

24‧‧‧鏡座

25‧‧‧側板

251‧‧‧定位槽

26‧‧‧底板

30‧‧‧凸透鏡單元

40‧‧‧立柱

41‧‧‧滑槽

50‧‧‧座體

51‧‧‧滑塊

52‧‧‧螺孔

53‧‧‧螺絲

54‧‧‧支撐部

55‧‧‧螺固件

551‧‧‧螺紋段

56‧‧‧螺母

57‧‧‧穿孔

60‧‧‧雷射發射器

61‧‧‧雷射光束

65‧‧‧控制盒

70‧‧‧透明罩體

S‧‧‧點光源

X‧‧‧透鏡

L‧‧‧主軸

L1‧‧‧水平假想軸

F‧‧‧焦點

A、B‧‧‧點

第一圖係光學成像原理示意圖(一)。

第二圖係光學成像原理示意圖(二)。

第三圖係光學成像原理示意圖(三)。

第四圖係本發明較佳實施例之立體示意圖。

第五圖係本發明較佳實施例之局部分解圖。

第六圖係本發明較佳實施例之使用狀態示意圖。

10‧‧‧滑軌

11‧‧‧線性軌道

20‧‧‧透鏡承座

21‧‧‧下管

22‧‧‧上管

23‧‧‧固定機構

24‧‧‧鏡座

25‧‧‧側板

251‧‧‧定位槽

26‧‧‧底板

30‧‧‧凸透鏡單元

40‧‧‧立柱

41‧‧‧滑槽

50‧‧‧座體

60‧‧‧雷射發射器

65‧‧‧控制盒

70‧‧‧透明罩體

Claims (5)

1. 一種透鏡成像教具，包括：一滑軌，定義一線性軌道；一透鏡承座，係設於該滑軌，該透鏡承座包括一下管、一可相對該下管上下滑移的上管、一固定機構用以固定上、下管的相對位置、以及一鏡座設於上管頂端並可供支撐該凸透鏡單元，該鏡座包括一底板設於該上管頂端、以及二側板由該底板二側延伸而出，各該側板具有一定位槽；一凸透鏡單元，設於該透鏡承座，且凸透鏡單元之一外緣係嵌抵於鏡座側板的定位槽內；一立柱，係設於該滑軌，且該立柱與該透鏡承座可沿該線性軌道相對滑移；若干座體，分別設於該立柱；以及若干雷射發射器，分別可沿一水平假想軸轉動地設於該些座體，且各該水平假想軸約與該滑軌垂直，該些雷射發射器係用以朝該凸透鏡單元發射雷射光束，且該些雷射光束可會聚於雷射發射器與凸透鏡單元之間的一點。
2. 如請求項1所述之透鏡成像教具，其中該些座體係可上下滑移地設於該立柱。
3. 如請求項2所述之透鏡成像教具，其中該立柱具有至少一滑槽，各該座體具有一滑塊滑設於該滑槽中、一支撐部其具有一穿孔，以及一螺絲穿過該支撐部之穿孔並與該滑塊之一螺孔螺合，藉以將該座體固定於該立柱。
4. 如請求項2所述之透鏡成像教具，其中各該座體包括一支 撐部、一螺固件及一螺母，該支撐部係設於該立柱且具有一穿孔，該螺固件係穿過該穿孔並與該螺母螺設而將該支撐部夾掣於其中，該螺固件具有一平行於該水平假想軸之螺紋段，該些雷射發射器係分別固定於該些螺固件。
5. 如請求項1所述之透鏡成像教具，更包括一透明罩體定義一容置空間，該滑軌、透鏡承座、凸透鏡單元、立柱、座體及雷射發射器皆位於該容置空間內。