一种能投影展示光的干涉的实验装置的制作方法

1.本发明涉及光学测量技术领域，更具体地说，本发明涉及一种能投影展示光的干涉的实验装置。


背景技术：

2.传统高中的干涉实验装置，由于使用的光源亮度和集中性不够好，需要用遮光筒将单缝、双缝及光屏都密封起来，为了弄清单缝、双缝及光屏之间的关系，更多是靠深晦的物理原理进行理解，缺乏直观观察和体验，容易形成知识盲区，另外，根据现有技术中双缝本身的缝隙宽度和双缝间距相近，容易产生明显的单缝衍射调制效应造成缺级，观察到的干涉图样受到实验条件限制，往往屡次不成功，但由于图像密闭，老师缺乏直观有效的观察途径，对学生容易存在扫盲漏洞，基于此，现阶段亟需一种能投影展示光的干涉的实验装置来解决上述问题。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种能投影展示光的干涉的实验装置，本发明所要解决的技术问题是：传统高中的干涉实验装置，由于使用的光源亮度和集中性不够好，需要用遮光筒将单缝、双缝及光屏都密封起来，为了弄清单缝、双缝及光屏之间的关系，更多是靠深晦的物理原理进行理解，缺乏直观观察和体验，容易形成知识盲区，另外，根据现有技术中双缝本身的缝隙宽度和双缝间距相近，容易产生明显的单缝衍射调制效应造成缺级，观察到的干涉图样受到实验条件限制，往往屡次不成功，但由于图像密闭，老师缺乏直观有效的观察途径，对学生容易存在扫盲漏洞的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种能投影展示光的干涉的实验装置，包括支撑架，所述支撑架内侧的底部固定连接有滑轨，并且支撑架上对应滑轨的位置设置有电插板，所述滑轨上由左至右依次设置有光源发生器、单双缝片滑块、光屏和摄像头，所述支撑架上还设置有旋钮和树莓派。
5.作为本发明的进一步方案：所述滑轨的长度不小于50厘米，所述支撑架的总长度不小于1米。
6.作为本发明的进一步方案：所述摄像头通过数据线与树莓派电性连接，所述树莓派上搭载有触摸屏，所述单双缝片滑块上连接有步进电机，并且步进电机通过单双缝片滑块接入arduino mega。
7.作为本发明的进一步方案：所述光源发生器选择红光635nm、5mw，蓝紫光405nm、5mw和绿光520nm、5mw的一字型激光头作为光源。
8.一种能投影展示光的干涉的实验方法，所述实验方法包括以下步骤：
9.步骤s1：选择对应色光的激光以及双缝的规格；
10.步骤s2：固定光源发生器、单双缝片滑块、光屏和摄像头的中心处于同一高度并在滑轨正上方；
11.步骤s3：打开光源发生器和树莓派的电源开光，调整旋钮，直到触摸屏上出现清晰的干涉图像；
12.步骤s4：勾选图像优化，开启图像纵向模糊功能以及仿真显示，让图像更加清晰可见；
13.步骤s5：选择条纹标注线功能，标注任意亮条纹，自动测算亮条纹间距
△
y，同时自动测算双缝间距d、光屏与双缝的间距l；
14.步骤s6：根据现有已知测算并显示光波长λ的计算值，并进行显示。
15.作为本发明的进一步方案：所述摄像头拍摄的条纹上增加了标注亮条纹以及自动换算亮条纹间距的功能，所述摄像头的分辨率是4056*3040。
16.作为本发明的进一步方案：所述步骤s2中还需先将树莓派的显存增大到256mb，然后设定触摸屏的显示最大分辨率为1024*608的小图，再将图像转换为灰度，连续多次拍摄后，将灰度图像矩阵按照列来累加，得到行向量。
17.作为本发明的进一步方案：所述步骤s6中自动调节成与条纹本身的对比度足够强烈的颜色，并使用取相反颜色的方法，使rgb的每个分量都采用255-原始颜色的方式获得反色，来填充所画的这个标注线条，通过标注线条，根据图形定位，树莓派自动测量相邻标注线之间的间距，并取平均值，从而获得光屏条纹间距
△
y值，在触摸屏上显示。
18.作为本发明的进一步方案：所述双缝到光屏间距l的测量中：
19.在实验装置启动时，程序会自动通过步进电机先将双缝移动到最靠近光屏的位置，并记录这个点，点到光屏的距离设为l0；
20.转动3d打印的旋钮控制闭环步进电机带动单双缝片滑块在滑轨上运动，根据步进电机转动产生的脉冲值的数量，换算出此时双缝与标记点之间的距离偏差值d
l
，则此时双缝片到光屏的距离l＝l0+d
l
；
21.在触摸屏上勾选采用的双缝间距d，树莓派会根据物理原理公式自动换算光源的波长；
22.设双缝间距为d，光波长为λ，光屏与双缝的间距为l，设x为光屏上的横坐标，s0为亮条纹中心点处光强，s(x)是光屏上任意点处光强，k是代表任意亮条纹等级的整数，设光屏中心为x＝0，则光屏上条纹亮度与坐标x的关系式为：
[0023][0024]
作为本发明的进一步方案：所述摄像头拍到的干涉条纹为竖线，通过调用opencv库函数增加了可选项，纵向模糊功能，条纹纵向模糊功能和亮条纹线标注功能能够叠加使用。
[0025]
本发明的有益效果在于：
[0026]
1、本发明，实现了实验装置的裸露外放，便于干涉实验原理的理解和观察，不仅通过树莓派弥补了真实实验环境下双缝干涉条纹的不足，增加了仿真图像的显示功能，还能根据干涉条纹的实验结果自动计算波长，利用树莓派的图像编程特性增加了干涉图样纵向模糊功能的可选项，更好地让学生理解和体验实验；
[0027]
2、本发明，通过选择优质光源，将实验装置外放，并且将实验的干涉图样进行投影放大进行展示，能有效帮助学生更好理解干涉实验，整个实验过程也能及时得到老师的干
预，尽快掌握知识要点，无需靠深晦的物理原理进行理解，通过直观观察和体验，避免形成知识盲区。
附图说明
[0028]
图1为本发明的立体结构示意图。
[0029]
图中：1、支撑架；2、滑轨；3、光源发生器；4、单双缝片滑块；5、光屏；6、摄像头；7、旋钮；8、树莓派；9、电插板。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
如图1所示，本发明提供了一种能投影展示光的干涉的实验装置，包括支撑架1，支撑架1内侧的底部固定连接有滑轨2，并且支撑架1上对应滑轨2的位置设置有电插板9，滑轨2上由左至右依次设置有光源发生器3、单双缝片滑块4、光屏5和摄像头6，支撑架1上还设置有旋钮7和树莓派8。
[0032]
如图1所示，滑轨2的长度不小于50厘米，支撑架1的总长度不小于1米。
[0033]
如图1所示，摄像头6通过数据线与树莓派8电性连接，树莓派8上搭载有触摸屏，单双缝片滑块4上连接有步进电机，并且步进电机通过单双缝片滑块4接入arduino mega。
[0034]
如图1所示，光源发生器3选择红光635nm、5mw，蓝紫光405nm、5mw和绿光520nm、5mw的一字型激光头作为光源。
[0035]
一种能投影展示光的干涉的实验方法，实验方法包括以下步骤：
[0036]
步骤s1：选择对应色光的激光以及双缝的规格；
[0037]
步骤s2：固定光源发生器3、单双缝片滑块4、光屏5和摄像头6的中心处于同一高度并在滑轨2正上方；
[0038]
步骤s3：打开光源发生器3和树莓派8的电源开光，调整旋钮7，直到触摸屏上出现清晰的干涉图像；
[0039]
步骤s4：勾选图像优化，开启图像纵向模糊功能以及仿真显示，让图像更加清晰可见；
[0040]
步骤s5：选择条纹标注线功能，标注任意亮条纹，自动测算亮条纹间距
△
y，同时自动测算双缝间距d、光屏5与双缝的间距l；
[0041]
步骤s6：根据现有已知测算并显示光波长λ的计算值，并进行显示。
[0042]
如图1所示，摄像头6拍摄的条纹上增加了标注亮条纹以及自动换算亮条纹间距的功能，摄像头6的分辨率是4056*3040。
[0043]
如图1所示，步骤s2中还需先将树莓派8的显存增大到256mb，然后设定触摸屏的显示最大分辨率为1024*608的小图，再将图像转换为灰度，连续多次拍摄后，将灰度图像矩阵按照列来累加，得到行向量。
[0044]
如图1所示，步骤s6中自动调节成与条纹本身的对比度足够强烈的颜色，并使用取
相反颜色的方法，使rgb的每个分量都采用255-原始颜色的方式获得反色，来填充所画的这个标注线条，通过标注线条，根据图形定位，树莓派8自动测量相邻标注线之间的间距，并取平均值，从而获得光屏5条纹间距
△
y值，在触摸屏上显示。
[0045]
如图1所示，双缝到光屏5间距l的测量中：
[0046]
在实验装置启动时，程序会自动通过步进电机先将双缝移动到最靠近光屏5的位置，并记录这个点，点到光屏5的距离设为l0；
[0047]
转动3d打印的旋钮7控制闭环步进电机带动单双缝片滑块4在滑轨2上运动，根据步进电机转动产生的脉冲值的数量，换算出此时双缝与标记点之间的距离偏差值d
l
，则此时双缝片到光屏5的距离l＝l0+d
l
；
[0048]
在触摸屏上勾选采用的双缝间距d，树莓派8会根据物理原理公式自动换算光源的波长；
[0049]
设双缝间距为d，光波长为λ，光屏5与双缝的间距为l，设x为光屏5上的横坐标，s0为亮条纹中心点处光强，s(x)是光屏5上任意点处光强，k是代表任意亮条纹等级的整数，设光屏5中心为x＝0，则光屏5上条纹亮度与坐标x的关系式为：
[0050][0051]
如图1所示，摄像头6拍到的干涉条纹为竖线，通过调用opencv库函数增加了可选项，纵向模糊功能，条纹纵向模糊功能和亮条纹线标注功能能够叠加使用。
[0052]
本发明工作原理：
[0053]
选择对应色光的激光以及双缝的规格；
[0054]
固定光源发生器3、单双缝片滑块4、光屏5和摄像头6的中心处于同一高度并在滑轨2正上方；
[0055]
其中，摄像头6拍摄的条纹上增加了标注亮条纹以及自动换算亮条纹间距的功能，摄像头6的分辨率是4056*3040；
[0056]
其中，先将树莓派8的显存增大到256mb，然后设定触摸屏的显示最大分辨率为1024*608的小图，再将图像转换为灰度，连续多次拍摄后，将灰度图像矩阵按照列来累加，得到行向量；
[0057]
打开光源发生器3和树莓派8的电源开光，调整旋钮7，直到触摸屏上出现清晰的干涉图像；
[0058]
勾选图像优化，开启图像纵向模糊功能以及仿真显示，让图像更加清晰可见；
[0059]
选择条纹标注线功能，标注任意亮条纹，自动测算亮条纹间距
△
y，同时自动测算双缝间距d、光屏5与双缝的间距l；
[0060]
根据现有已知测算并显示光波长λ的计算值，并进行显示；
[0061]
其中，自动调节成与条纹本身的对比度足够强烈的颜色，并使用取相反颜色的方法，使rgb的每个分量都采用255-原始颜色的方式获得反色，来填充所画的这个标注线条，通过标注线条，根据图形定位，树莓派8自动测量相邻标注线之间的间距，并取平均值，从而获得光屏5条纹间距
△
y值，在触摸屏上显示；
[0062]
双缝到光屏5间距l的测量中：
[0063]
在实验装置启动时，程序会自动通过步进电机先将双缝移动到最靠近光屏5的位
置，并记录这个点，点到光屏5的距离设为l0；
[0064]
转动3d打印的旋钮7控制闭环步进电机带动单双缝片滑块4在滑轨2上运动，根据步进电机转动产生的脉冲值的数量，换算出此时双缝与标记点之间的距离偏差值d
l
，则此时双缝片到光屏5的距离l＝l0+d
l
；
[0065]
在触摸屏上勾选采用的双缝间距d，树莓派8会根据物理原理公式自动换算光源的波长；
[0066]
设双缝间距为d，光波长为λ，光屏5与双缝的间距为l，设x为光屏5上的横坐标，s0为亮条纹中心点处光强，s(x)是光屏5上任意点处光强，k是代表任意亮条纹等级的整数，设光屏5中心为x＝0，则光屏5上条纹亮度与坐标x的关系式为：
[0067][0068]
最后应说明的几点是：首先，在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
[0069]
其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；
[0070]
最后：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。