薄凸透鏡焦距自動測量裝置及其測量方法
2023-07-15 03:21:06 1
專利名稱：薄凸透鏡焦距自動測量裝置及其測量方法
薄凸透鏡焦距自動測量裝置及其測量方法技術領域
本發明屬於物理實驗儀器的設計與製造技術領域，尤其涉及一種薄凸透鏡焦距自 動測量技術。
背景技術：
在大學物理實驗中，薄透鏡焦距的測量是最基本的實驗。常用的測量方法有自準 法、物距-像距法、共軛法以及透鏡組合法。測量薄凸透鏡的焦距主要採用前三種方法。無 論哪種方法，都需要人眼去判斷成像的清晰程度，進而確定像屏位置。由於個人的視覺習慣 不同和像差的限制，因此，像屏位置一般很難準確確定，測量結果的精度一般都不高。此外 光源、物屏和像屏選取的不同，也會對成像清晰程度的判斷帶來一定的影響。綜上所述，如 果這些影響因素疊加，測量結果可能會出現較大誤差。發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種薄凸透鏡焦距自動測量技術，有效地提高 薄凸透鏡焦距的測量精度。
根據本發明的一個方面，提供一種薄凸透鏡焦距自動測量裝置，所述裝置包括 LED光源、光源濾鏡、黑色帶孔物屏、可滑動擋板、凸透鏡卡槽、光強傳感器、黑色像屏、傳動 杆、電動機、液晶顯示屏、CPU控制器、啟動開關、超聲波測距傳感器、運行底座和支架、裝置 外殼和狀態指示燈，其中，
所述CPU控制器是所述裝置的中央控制器，其負責所述裝置的所有輸入數據的處 理和所有控制信號的輸出；
所述LED光源在所述CPU控制器的控制下為所述裝置提供光源；
所述光源濾鏡是一凸透鏡，所述LED光源設置在此凸透鏡的焦平面上，以保證射 到所述黑色帶孔物屏上的光線為平行光線；
所述黑色帶孔物屏是一帶有I字形孔的黑色面板；
所述可滑動擋板用於使所述裝置內各光學器件相對於外界密封，從而使凸透鏡焦 距測量過程不會受到外界光線的影響；
所述凸透鏡卡槽是一可調的半圓形卡槽，其通過卡槽支架固定在所述傳動杆上；
所述光強傳感器附著在所述黑色像屏上，在所述CPU控制器的控制下進行光強度 的檢測，並將檢測結果送至所述CPU控制器進行處理；
所述電動機在所述CPU控制器的控制下驅動所述傳動杆的移動；
所述傳動杆帶有螺紋，在所述電動機的驅動下帶動固定在其上的所述凸透鏡卡槽 移動；
所述超聲波測距傳感器固定在所述黑色帶孔物屏的下端，在所述CPU控制器的控 制下測量所述黑色帶孔物屏和待測凸透鏡之間的距離，並將測量結果送至所述CPU控制器 進行處理；
所述運行底座和支架支持所述裝置的各光學器件，並保證各光學器件的光心均處於同一高度；
所述液晶顯示屏在所述CPU控制器的控制下數字顯示待測凸透鏡的焦距；
所述狀態指示燈在所述CPU控制器的控制下指示所述裝置中各可控部件的運行 狀態；
所述啟動開關用於接通所述裝置的電源以啟動所述裝置；以及
所述裝置外殼為所述裝置內的光學器件和其他部件提供機械保護。
優選地，所述CPU控制器實現為所述裝置中的主控電路板，其進一步包括復位電 路、晶振電路、電源電路、超聲波測距傳感器信號調理電路、光強傳感器信號調理電路、液晶 驅動電路、電動機驅動電路、裝置狀態指示燈電路、串口下載調試電路和CPU。
優選地，所述電源電路採用交直流整流電路和穩壓晶片構成，所述超聲波測距傳 感器信號調理電路用於保證與超聲波測距傳感器之間的信號無幹擾地傳輸，所述光強傳感 器信號調理電路用於保證與光強傳感器之間的信號無幹擾地傳輸，所述液晶驅動電路用以 增加CPU對液晶顯示屏的驅動能力，所述電動機驅動電路用以增加CPU對電動機的驅動能 力，所述裝置狀態指示燈電路用以支持狀態指示燈來指示電源、各種傳感器、電動機的運行 狀態，所述CPU採用STC89C54系列晶片實現。
根據本發明的另一個方面，還提供一種薄凸透鏡焦距自動測量方法，所述方法包 括如下步驟
步驟1:將待測凸透鏡夾在凸透鏡卡槽上；
步驟2 :當待測凸透鏡夾穩後，滑動可滑動擋板使各光學器件相對於外界密封，從 而使測量過程不受外界光線影響；
步驟3 =CPU控制器觸發LED光源工作，LED光源所發出光線經光源濾鏡後變為平 行光線，再經黑色帶孔物屏上的I字形孔均勻射到待測凸透鏡上，並在黑色像屏上成像；
步驟4 :光強傳感器檢測黑色像屏接收到的光照強度，同時電動機帶動傳動杆上 的凸透鏡卡槽移動，當光強傳感器檢測到光強最大時，制動電動機以停止凸透鏡卡槽移動， 並啟動超聲波測距傳感器測距，從而得到黑色帶孔物屏到待測凸透鏡的距離；以及
步驟5 =CPU控制器計算得到待測凸透鏡的焦距，
其中，在所述步驟5中，所使用的測量凸透鏡的焦距的公式為其中L是黑色帶孔物屏到黑色像屏的距離，s是所述步驟4中所得到的黑色帶孔物屏到待測凸透鏡 的距離，利用上述公式計算得到待測凸透鏡的焦距f。
優選地，所述方法進一步包括步驟6 =CPU控制器將計算得到的凸透鏡焦距在液晶 顯示屏上顯示。
根據上述技術方案，本發明通過光強的檢測精確地判斷成像的清晰程度，從而有 效地提高了薄凸透鏡焦距的測量精度。本發明的技術先進合理，自動化程度高，測量快速準 確，是一種有效的薄凸透鏡焦距自動測量技術。
圖1是本發明具體實施方式
中薄凸透鏡焦距自動測量裝置的實物示意圖2是本發明具體實施方式
中薄凸透鏡焦距自動測量裝置的功能結構圖3是本發明具體實施方式
中薄凸透鏡焦距自動測量裝置的主控電路板的電路 模塊圖4是本發明具體實施方式
中薄凸透鏡焦距自動測量方法的步驟流程圖。
具體實施方式
圖1是本發明具體實施方式
中薄凸透鏡焦距自動測量裝置的實物示意圖。如圖1 所示，本發明具體實施方式
中的薄凸透鏡焦距自動測量裝置包括LED光源1、光源濾鏡2、 黑色帶孔物屏3、可滑動擋板4、凸透鏡卡槽5、光強傳感器6、黑色像屏7、傳動杆8、電動機9、液晶顯示屏10、CPU控制器11、啟動開關12、超聲波測距傳感器13、運行底座和支架14、 裝置外殼15和狀態指示燈16等。
圖2是本發明具體實施方式
中薄凸透鏡焦距自動測量裝置的功能結構圖。圖中各 部件間的帶箭頭虛線表示光線射入路徑，帶箭頭實線表示控制信號或者數據信號的傳輸路 徑，不帶箭頭的實線表示部件間在物理上有一定連接關係。
下面就結合圖1、2對具體實施方式
中薄凸透鏡焦距自動測量裝置的重要部件做 進一步介紹。
CPU控制器11是該薄凸透鏡焦距自動測量裝置的中央控制器，負責所有輸入數據 的處理和控制信號的輸出，其具體可實現為裝置中的主控電路板。LED光源I在CPU控制器 11的控制下為裝置提供光源，其避免了採用鎢絲白熾燈帶來的散熱等一些問題。光源濾鏡 2是一凸透鏡，LED光源I設置在此凸透鏡的焦平面上，以保證射到黑色帶孔物屏3上的光 線為平行光線。黑色帶孔物屏3是一帶有I字形孔的黑色面板。可滑動擋板4用於使裝置 內各光學器件相對於外界密封，從而使凸透鏡焦距測量過程不會受到外界光線的影響。凸 透鏡卡槽5是一可調的半圓形卡槽，其通過卡槽支架固定在傳動杆8上。光強傳感器6附 著在黑色像屏7上，在CPU控制器11的控制下進行光強度的檢測，並將檢測結果送至CPU 控制器11進行處理。電動機9在CPU控制器11的控制下驅動傳動杆的移動。該傳動杆8 帶有螺紋，在電動機9的驅動下帶動固定在其上的凸透鏡卡槽5移動。超聲波測距傳感器 13固定在黑色帶孔物屏3的下端，在CPU控制器11的控制下測量黑色帶孔物屏3和待測凸 透鏡之間的距離，並將測量結果送至CPU控制器11進行處理。運行底座和支架14支持裝 置的各光學器件(包括LED光源1、光源濾鏡2、黑色帶孔物屏3、黑色像屏7等)，並保證各光 學器件的光心均處於同一高度。液晶顯示屏10在CPU控制器11的控制下數字顯示所測透 鏡的焦距。狀態指示燈16在CPU控制器11的控制下指示裝置中各可控部件的運行狀態。 啟動開關12用於接通裝置電源以啟動裝置。裝置外殼15為裝置內的光學器件和其他部件 提供機械保護。
圖3是本發明具體實施方式
中薄凸透鏡焦距自動測量裝置的主控電路板(CPU控 制器)的電路模塊圖。其中，附圖標記101是復位電路；102是晶振電路；103是電源電路， 其採用交直流整流電路和穩壓晶片構成；104是超聲波測距傳感器信號調理電路，保證與 超聲波測距傳感器之間信號無幹擾地傳輸；105是光強傳感器信號調理電路，保證與光強 傳感器之間信號無幹擾地傳輸；106是液晶驅動電路，以增加CPU對液晶顯示屏的驅動能 力；107是電動機驅動電路，以增加CPU對電動機的驅動能力；108是裝置狀態指示燈電路，以支持狀態指示燈來指示電源、各種傳感器、電動機等的運行狀態；109是串口下載調試電路；110是CPU，其可採用STC89C54系列晶片實現。
圖4是本發明具體實施方式
中薄凸透鏡焦距自動測量方法的步驟流程圖。該方法的原理在於如果圖像不清晰，特別是邊緣模糊時，是由於實物邊緣點發出的光線並沒有匯聚到像屏上造成的。因此當圖像清晰時，即光線匯聚於像屏上時光照強度為最大。
如圖4所示，具體實施方式
中的薄凸透鏡焦距自動測量方法包括如下步驟
步驟1:將待測凸透鏡夾在凸透鏡卡槽上。
步驟2 :當待測凸透鏡夾穩後，滑動可滑動擋板使各光學器件相對於外界密封，從而使測量過程不受外界光線影響。
步驟3 =CPU控制器觸發LED光源工作，LED光源所發出光線經光源濾鏡後變為平行光線，再經黑色帶孔物屏上的I字形孔均勻射到待測凸透鏡上，並在黑色像屏上成像。
步驟4 :光強傳感器檢測黑色像屏接收到的光照強度，同時電動機帶動傳動杆上的凸透鏡卡槽移動，當光強傳感器檢測到光強最大時，制動電動機以停止凸透鏡卡槽移動， 並啟動超聲波測距傳感器測距，從而得到黑色帶孔物屏到待測凸透鏡的距離S。
步驟5 =CPU控制器計算得到待測凸透鏡的焦距。
具體地，由於本發明裝置的LED光源、光源濾鏡、黑色帶孔物屏和黑色像屏等都處於固定位置，因此黑色帶孔物屏到黑色像屏的距離為一定值L。根據凸薄透鏡成像公式 Cl)VV
權利要求
1.一種薄凸透鏡焦距自動測量裝置，其特徵在於，所述裝置包括LED光源、光源濾鏡、黑色帶孔物屏、可滑動擋板、凸透鏡卡槽、光強傳感器、黑色像屏、傳動杆、電動機、液晶顯示屏、CPU控制器、啟動開關、超聲波測距傳感器、運行底座和支架、裝置外殼和狀態指示燈，其中， 所述CPU控制器是所述裝置的中央控制器，其負責所述裝置的所有輸入數據的處理和所有控制信號的輸出； 所述LED光源在所述CPU控制器的控制下為所述裝置提供光源； 所述光源濾鏡是一凸透鏡，所述LED光源設置在此凸透鏡的焦平面上，以保證射到所述黑色帶孔物屏上的光線為平行光線； 所述黑色帶孔物屏是一帶有I字形孔的黑色面板； 所述可滑動擋板用於使所述裝置內各光學器件相對於外界密封，從而使凸透鏡焦距測量過程不會受到外界光線的影響； 所述凸透鏡卡槽是一可調的半圓形卡槽，其通過卡槽支架固定在所述傳動杆上；所述光強傳感器附著在所述黑色像屏上，在所述CPU控制器的控制下進行光強度的檢測，並將檢測結果送至所述CPU控制器進行處理； 所述電動機在所述CPU控制器的控制下驅動所述傳動杆的移動； 所述傳動杆帶有螺紋，在所述電動機的驅動下帶動固定在其上的所述凸透鏡卡槽移動； 所述超聲波測距傳感器固定在所述黑色帶孔物屏的下端，在所述CPU控制器的控制下測量所述黑色帶孔物屏和待測凸透鏡之間的距離，並將測量結果送至所述CPU控制器進行處理； 所述運行底座和支架支持所述裝置的各光學器件，並保證各光學器件的光心均處於同一高度； 所述液晶顯示屏在所述CPU控制器的控制下數字顯示待測凸透鏡的焦距； 所述狀態指示燈在所述CPU控制器的控制下指示所述裝置中各可控部件的運行狀態； 所述啟動開關用於接通所述裝置的電源以啟動所述裝置；以及 所述裝置外殼為所述裝置內的光學器件和其他部件提供機械保護。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於，所述CPU控制器實現為所述裝置中的主控電路板，其進一步包括復位電路、晶振電路、電源電路、超聲波測距傳感器信號調理電路、光強傳感器信號調理電路、液晶驅動電路、電動機驅動電路、裝置狀態指示燈電路、串口下載調試電路和CPU。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述電源電路採用交直流整流電路和穩壓晶片構成，所述超聲波測距傳感器信號調理電路用於保證與所述超聲波測距傳感器之間的信號無幹擾地傳輸，所述光強傳感器信號調理電路用於保證與所述光強傳感器之間的信號無幹擾地傳輸，所述液晶驅動電路用以增加所述CPU對所述液晶顯示屏的驅動能力，所述電動機驅動電路用以增加所述CPU對所述電動機的驅動能力，所述裝置狀態指示燈電路用以支持所述狀態指示燈來指示電源、各種傳感器、電動機的運行狀態，所述CPU採用STC89C54系列晶片實現。
4.一種薄凸透鏡焦距自動測量方法，其特徵在於，所述方法包括如下步驟步驟1:將待測凸透鏡夾在凸透鏡卡槽上； 步驟2 :當待測凸透鏡夾穩後，滑動可滑動擋板使各光學器件相對於外界密封，從而使測量過程不受外界光線影響； 步驟3 =CPU控制器觸發LED光源工作，LED光源所發出光線經光源濾鏡後變為平行光線，再經黑色帶孔物屏上的I字形孔均勻射到待測凸透鏡上，並在黑色像屏上成像； 步驟4 :光強傳感器檢測黑色像屏接收到的光照強度，同時電動機帶動傳動杆上的凸透鏡卡槽移動，當光強傳感器檢測到光強最大時，制動電動機以停止凸透鏡卡槽移動，並啟動超聲波測距傳感器測距，從而得到黑色帶孔物屏到待測凸透鏡的距離；以及步驟5 =CPU控制器計算得到待測凸透鏡的焦距； 其中，在所述步驟5中，所使用的測量凸透鏡的焦距的公式為
5.根據權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述方法進一步包括步驟6 =CPU控制器將計算得到的凸透鏡焦距在液晶顯示屏上顯示。
全文摘要
本發明公開了一種薄凸透鏡焦距自動測量裝置及其測量方法。本發明通過光強的檢測精確地判斷成像的清晰程度，從而有效地提高了薄凸透鏡焦距的測量精度。本發明的技術先進合理，自動化程度高，測量快速準確，是一種有效的薄凸透鏡焦距自動測量技術。
文檔編號G01M11/02GK103033345SQ20131000188
公開日2013年4月10日 申請日期2013年1月5日 優先權日2013年1月5日
發明者宋宏偉, 郭文斌, 王啟銀, 施俊國 申請人:山西省電力公司大同供電分公司, 國家電網公司