一种具有自动显示对焦状态功能的透镜成像实验装置

1.本发明涉及光学实验技术领域，尤其涉及一种具有自动显示对焦状态功能的透镜成像实验装置。


背景技术：

2.透镜组件成像实验是中学教材中重要物理实验，其实验目的是通过实验帮助学生理解透镜组件的成像规律。目前透镜组件成像实验装置主要由光具座和设在光具座上的透镜组件、光源和像屏组成。实验时，在透镜组件的两侧分别放置光源和像屏，通过移动光源或像屏相对于透镜组件的距离，使得光源在像屏上成清晰的像，然后在实际操作时，往往时一边调整光学器具的位置，一边通过肉眼观看成像的清晰度，来确定焦距是否对准，这样调整方式存在精度不高、速度慢等缺点；此外，目前也有在像屏上设置光敏传感器来通过测量光强变化，从而来确定对焦位置，但是此种测量方式容易受到调整仪器动作引起的晃动的影响，存在精度不高、数据不稳定的缺点。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种设计合理、使用方便、对焦直观且精度较高的具有自动显示对焦状态功能的透镜成像实验装置。
4.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有自动显示对焦状态功能的透镜成像实验装置，包括光具座，所述光具座上设置有导轨，所述导轨上依次滑动安装有物屏组件、透镜组件和像屏组件，
5.所述物屏组件包括滑动安装在所述导轨上的物屏壳体，所述物屏壳体靠近所述透镜组件一侧转动安装有旋转轮，所述物屏壳体内设置有与所述旋转轮连接用于驱动所述旋转轮转动的驱动电机，所述物屏壳体内还设置有用于产生光信号的光源，所述旋转轮的外表面边缘一周设置有呈环形结构的光线通过区，所述光源与所述光线通过区对应；
6.所述光线通过区内设置有若干扇形区，所述扇形区顺时针或逆时针排列，分别为1、2、3
……
扇形区，奇数扇形区与其后相邻的偶数扇形区所对应的圆心角相等，偶数扇形区所对应的圆心角大于其后相邻的奇数扇形区所对应的圆心角，奇数扇形区为光信号不可通过的非透明区，偶数扇形区为光信号可通过的透明区；
7.所述像屏组件包括滑动安装在所述导轨上的像屏壳体，所述像屏壳体上设置有依次电连接的光敏模块、脉冲间距测量比较模块和最小脉冲间距显示模块，
8.所述光敏模块设置在所述像屏壳体靠近所述透镜组件一侧的表面，用于接收所述光源由所述透明区通过的光信号，并将间歇通过的光信号转化为电脉冲信号；
9.脉冲间距测量比较模块设置在所述像屏壳体内，用于接收所述光敏模块传来的脉冲信号，依次测量相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，形成脉冲间距值，然后对各脉冲间距值进行比较，找到相邻两个最大脉冲间距值之间的最小脉冲间距值，最后把所述最小脉冲间距值传送给所述最小脉冲间距显示模块；
10.所述最小脉冲间距显示模块设置在所述像屏壳体外表面，用于接收并显示来自所述脉冲间距测量比较模块的最小脉冲间距值。
11.作为优选的技术方案，所述旋转轮外表面的中心部分向内凹陷形成凹陷区，所述凹陷区内设置有用于显示图案的圆形物屏屏幕，所述圆形物屏屏幕固定在所述物屏壳体上，所述圆形物屏屏幕的外表面与所述光线通过区的外表面处于同一平面。
12.作为优选的技术方案，所述像屏壳体靠近所述透镜组件一侧的表面上还设置有显像区，所述显像区与所述圆形物屏屏幕对应，所述圆形物屏屏幕上的图案通过所述透镜组件后显示在所述显像区内。
13.作为优选的技术方案，所述光敏模块包括安装在所述像屏壳体上的光敏传感器，所述光敏传感器与所述显像区在同一平面内，且与所述扇形区的成像位置对应。
14.作为优选的技术方案，光源安装在所述物屏组件上部扇形区的后面，所述光敏模块包括安装在所述像屏壳体的下部，所述光敏模块包括和所述显像区处于同一平面的表面板，所述表面板上设有竖直的狭缝，所述表面板的内侧与所述狭缝对应的位置设有菲涅尔透镜，所述狭缝透过的光经所述菲涅尔透镜汇聚于一点，所述光敏模块的光敏传感器设置在光汇聚点处，所述光敏模块将光信号转化为电脉冲信号并传递至所述脉冲间距测量比较模块。
15.作为优选的技术方案，首位的奇数扇形区的圆心角为5
°
，从第二位奇数扇形区开始，奇数扇形区的圆心角是其前相邻的偶数扇形区圆心角的90％。
16.由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：对焦过程中，脉冲间距测量比较模块接收所述光敏模块传来的脉冲信号，依次测量相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，形成脉冲间距值，并对各脉冲间距值进行比较，找到相邻两个最大脉冲间距值之间的最小脉冲间距值，并把所述最小脉冲间距值传送给最小脉冲间距显示模块；然后，最小脉冲间距显示模块接收并显示来自所述脉冲间距测量比较模块的最小脉冲间距值；因为最小脉冲间距显示模块显示的是最小脉冲间距值，所以在透镜实验调节的过程中，对焦越清晰，最小脉冲间距显示模块显示的数字越小，所以可以依次作为参照，进行对焦，使用起来比人工肉眼观察的方式更方便、更准确；
17.本发明中的脉冲间距值为相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，此种距离值的数值显示方式更加直观、准确，将现有技术中通过亮度信号的测量方式量化，便于找准对焦最佳位置；此外，本发明还将各个透明区对应的脉冲间距值进行比较，然后实时显示出最小脉冲间距值，这样当所述旋转轮每转动一圈时，必然存在一个最小脉冲间距值，此种测量结果的可靠性更高。
附图说明
18.以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
19.图1是本发明实施例的结构示意图；
20.图2是本发明实施例物屏组件的正视图；
21.图3是本发明实施例物屏组件的侧视图；
22.图4是本发明实施例像屏组件的正视图；
23.图5是本发明实施例像屏组件的侧视图；
24.图6是本发明实施例像屏组件内各部分的连接框图；
25.图7是本发明实施例光敏模块的结构示意图；
26.图中：1
‑
光具座；2
‑
导轨；3
‑
物屏组件；31
‑
物屏壳体；32
‑
旋转轮；33
‑
驱动电机；34
‑
光源；35
‑
非透明区；36
‑
透明区；37
‑
圆形物屏屏幕；38
‑
连接部；4
‑
透镜组件；5
‑
像屏组件；51
‑
像屏壳体；52
‑
脉冲间距测量比较模块；53
‑
最小脉冲间距显示模块；54
‑
显像区；55
‑
光敏模块；551
‑
表面板；552
‑
狭缝；553
‑
菲涅尔透镜；554
‑
光敏传感器。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
28.实施例一：
29.如图1所示，一种具有自动显示对焦状态功能的透镜成像实验装置，包括光具座1，所述光具座1上设置有导轨2，所述导轨2上依次滑动安装有物屏组件3、透镜组件4和像屏组件5，所述光具座上还设置有标尺，用于测量各个部件之间的距离，来求得透镜组件4的成像规律。
30.参见图2和图3，所述物屏组件3包括滑动安装在所述导轨2上的物屏壳体31，所述物屏壳体31靠近所述透镜组件4一侧转动安装有旋转轮32，所述物屏壳体31内设置有与所述旋转轮32连接用于驱动所述旋转轮32转动的驱动电机33，所述驱动电机33的转速可以在5
‑
100r/s范围内调节。所述物屏壳体31内还设置有用于产生光信号的光源34，所述旋转轮32的外表面边缘一周设置有呈环形结构的光线通过区，所述光源34与所述光线通过区对应。
31.参见图2，所述光线通过区内设置有若干扇形区，所述扇形区顺时针或逆时针排列，分别为1、2、3
……
扇形区，奇数扇形区与其后相邻的偶数扇形区所对应的圆心角相等，偶数扇形区所对应的圆心角大于其后相邻的奇数扇形区所对应的圆心角，奇数扇形区为光信号不可通过的非透明区35，偶数扇形区为光信号可通过的透明区36。参见图4、图5和图6，所述像屏组件5包括滑动安装在所述导轨2上的像屏壳体51，所述像屏壳体51上设置有依次电连接的光敏模块55、脉冲间距测量比较模块52和最小脉冲间距显示模块53。参见图4至图6，所述光敏模块55设置在所述像屏壳体51靠近所述透镜组件4一侧的表面，用于接收所述光源34由所述透明区36通过的光信号，并将间歇通过的光信号转化为电脉冲信号；所述脉冲间距测量比较模块52设置在所述像屏壳体51内，用于接收所述光敏模块55传来的脉冲信号，依次测量相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，形成脉冲间距值，然后对各脉冲间距值进行比较，找到相邻两个最大脉冲间距值之间的最小脉冲间距值，最后把所述最小脉冲间距值传送给所述最小脉冲间距显示模块；所述最小脉冲间距显示模块53设置在所述像屏壳体51外表面，用于接收并显示来自所述脉冲间距测量比较模块52中找到的最小脉冲间距值。所述最小脉冲间距显示模块53包括显示器，显示器上可以实时显示出最小脉冲间距值。
32.参见图3、图7，所述光源34安装在所述物屏组件3上部扇形区的后面，所述光敏模
块55安装在所述像屏壳体51的下部，所述光敏模块55包括和所述显像区54处于同一平面的表面板551，所述表面板551上设有竖直的狭缝552，所述表面板551的内侧与所述狭缝552对应的位置设有菲涅尔透镜553，所述狭缝552透过的光经所述菲涅尔透镜553汇聚于一点，所述光敏模块55的光敏传感器554设置在光汇聚点处，所述光敏模块55将光信号转化为电脉冲信号并传递至所述脉冲间距测量比较模块52。所述光敏传感器554可以由光敏三极管、光敏二极管组成。
33.首位的奇数扇形区的圆心角为5
°
，从第二位奇数扇形区开始，奇数扇形区的圆心角是其前相邻的偶数扇形区圆心角的90％。
34.本实施例的工作原理为：
35.所述狭缝552位置对应于所述扇形区正上方的位置，当透明区36转到正上方位置时，光源34的光线会到达狭缝552，当非透明区35转到正上方位置时，光源34的光线被挡住，不能到达狭缝552，因此在旋转轮32转动时，光敏模块55可以产生电脉冲；当对焦清晰的时候，圆心角较小的扇形区的像也能在狭缝处清晰的显示出来，能产生明暗相间的照度变化，因此光敏模块55能产生电脉冲，相反，如果对焦不清晰，则圆心角较小的非透明区35所成的像同相邻的透明区36融合在一起，经过狭缝处的光线照度没有变化，就不能产生电脉冲。圆心角越小扇形区之间的间距越短，形成的电脉冲之间的时间间隔越短，因此所述旋转轮32每旋转一圈，对焦越清晰的时候，所述光敏模块55产生的脉冲越多，最小脉冲时间间隔越短，最小脉冲间距显示模块53显示的数字就越小；
36.对焦过程中，脉冲间距测量比较模块52接收所述光敏模块55传来的脉冲信号，依次测量相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，形成脉冲间距值，并对各脉冲间距值进行比较，找到相邻两个最大脉冲间距值之间的最小脉冲间距值，然后，脉冲间距测量比较模块52把最小脉冲间距值传输到后面的最小脉冲间距显示模块，最小脉冲间距显示模块53接收并显示来自所述脉冲间距测量比较模块52的最小脉冲间距值；在透镜实验调节的过程中，对焦越清晰，最小脉冲间距显示模块53显示的数字越小，所以可以依次作为参照，进行对焦，使用起来比人工肉眼观察的方式更方便、更准确。
37.本发明中的脉冲间距值为相邻两脉冲的上升沿或下降沿之间的距离，此种距离值的数值显示方式更加直观、准确，便于找准对焦最佳位置。
38.实施例二：
39.实施例二与实施例一的结构基本相同，区别在于所述光敏模块55的结构不同，具体为：所述光敏模块55包括安装在所述像屏壳体3上的光敏传感器554，所述光敏传感器554与所述显像区54在同一平面内，且与所述扇形区的成像位置对应。
40.实施例三：
41.实施例三与实施例一的结构基本相同，区别在于：所述旋转轮32外表面的中心部分向内凹陷形成凹陷区，所述凹陷区设置有用于显示图案的圆形物屏屏幕37，所述圆形物屏屏幕37的底端通过连接部38固定在所述物屏壳体31上，所述圆形物屏屏幕37的外表面与所述光线通过区的外表面处于同一平面，所述圆形物屏屏幕37为灯箱。
42.靠近所述透镜组件4一侧的所述像屏壳体51表面上还设置有显像区54，所述显像区54与所述圆形物屏屏幕37对应，所述圆形物屏屏幕37上的图案通过所述透镜组件4后显示在所述显像区54内。
43.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。