一种凸凹透镜焦距测量的装置与方法与流程

1.本发明涉及光学测量技术领域，特别涉及一种凸凹透镜焦距测量的装置与方法。


背景技术：

2.透镜的焦距对于现代精密光学仪器的设计、光学成像、光学滤波、激光探测等诸多方面有着重要的应用。因此，测量透镜的焦距具有重要意义。目前传统的测量方法有自准直法、物距像距法、共轭法、透镜组合法。无论用那一种方法，都需要人眼去判断成像的清晰程度，进而确定像的位置。由于个人的视角习惯不同及色差和球差的限制，像的位置一般很难准确确定，测量精度一般不高。此外，光源、物屏的选取不同，也会对成像清晰程度的判断带来一定的影响。综上所述，如果这些影响因素叠加，测量结果可能会出现较大的误差。
3.上述测量透镜焦距的方法存在的缺点是：物距和像距均不容易准确测量，由以上实验方法得到的物距和相距计算得到的透镜焦距存在很大的误差。
4.基于激光散斑技术可以精确测量凸(凹)透镜的物距和像距，从而提高透镜焦距测量的精度和准确度。


技术实现要素：

5.为克服现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种基于激光散斑技术的精确测量的凸凹透镜焦距测量的装置与方法。
6.为了达到上述技术效果，本发明采用如下的技术解决方案：
7.一种凸凹透镜焦距测量的装置，包括光学导轨、固定架、激光光源、短焦距凸透镜、待测透镜、白屏、毛玻璃、像屏以及连接体；其中，光学导轨上设置固定架，激光光源、短焦距凸透镜、待测透镜、白屏、毛玻璃以及像屏设置在固定架上；短焦距凸透镜、待测透镜与激光光源发射的激光共轴；毛玻璃和像屏通过连接体固定；毛玻璃、像屏和白屏与激光光源发射的激光垂直；待测透镜为待测焦距的凸透镜或待测焦距的凹透镜。
8.进一步的，光学导轨上安装有标尺。
9.进一步的，固定架包括激光固定架、透镜固定架、毛玻璃固定架、像屏固定架和白屏固定架；
10.其中，激光固定架包括二维光学导轨滑块、套筒、接杆和激光调整架，导轨滑块设置在光学导轨上，导轨滑块上设置有套筒，套筒上设置有接杆，接杆上设置有激光调整架，激光光源设置在激光调整架上；
11.透镜固定架包括二维光学导轨滑块、套筒、接杆和透镜四维调整架，二维光学导轨滑块设置在光学导轨上，二维光学导轨滑块上设置有套筒，套筒上设置有接杆，接杆上设置有透镜四维调整架，短焦距凸透镜与待测透镜均设置在透镜四维调整架上；
12.像屏固定架和白屏固定架的结构相同，像屏固定架包括二维光学导轨滑块与套筒，二维光学导轨滑块设置在光学导轨上，二维光学导轨滑块上设置有套筒，像屏设置在套筒上。
13.毛玻璃固定架包括二维光学导轨滑块、套筒、接杆和毛玻璃夹持架；二维光学导轨滑块设置在光学导轨上，二维光学导轨滑块上设置有套筒，套筒上设置有接杆，接杆上设置有毛玻璃夹持架，毛玻璃设置在毛玻璃夹持架上。
14.进一步的，激光光源是氦-氖激光。
15.进一步的，短焦距凸透镜的焦距是30mm。
16.进一步的，连接体为刚性材料，毛玻璃、像屏和连接体为一体结构。
17.进一步的，像屏上形成激光散斑颗粒的大小s按下式计算：
18.s＝1.22λl/πd
19.其中，λ为激光波长，l为像屏与毛玻璃粗糙表面的距离，d为毛玻璃粗糙表面圆形照明区域的直径。
20.进一步的，毛玻璃粗糙表面和像屏之间距离为80cm。
21.一种基于上述装置的凸凹透镜焦距测量的方法，包括如下步骤：
22.将毛玻璃在待测透镜的物或虚物的附近从左向右缓慢移动，毛玻璃和像屏沿着光学导轨向右缓慢联动，像屏上散斑最大时，毛玻璃粗糙表面对应的位置是待测透镜的物或虚物的位置，记下待测透镜的物或虚物的位置对应的标尺刻度；
23.毛玻璃在待测透镜像的附近从左向右缓慢移动，毛玻璃和像屏沿着光学导轨向右缓慢联动，像屏上散斑最大时，毛玻璃粗糙表面对应的位置是待测透镜的像的位置，记下待测透镜的像的位置对应的标尺刻度；
24.根据光学导轨上的标尺刻度读取待测透镜位置对应的标尺刻度、待测透镜的物或虚物的位置对应的标尺刻度以及待测透镜的像的位置对应的标尺刻度，计算待测透镜物距u和像距v，并通过下式计算待测透镜的焦距；
25.透镜成像公式：
26.其中，f是待测透镜的焦距。
27.与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
28.本发明利用激光散斑技术精确测量待测透镜物距和像距，提高透镜测量的精度和准确度，因此避免传统透镜焦距测量方法中对于像的准确位置难以判断造成的测量误差。本发明提供了一种既可以测量凸透镜焦距又可以测量凹透镜焦距的测量方法与装置。设计制作保持固定长距离的毛玻璃与像屏的稳固的连接体是发明装置的关键组成部分，这一部分通过刚性材料连接体把毛玻璃和像屏之间固定连接起来，毛玻璃和像屏垂直于连接体，毛玻璃、像屏和连接体是一个整体。毛玻璃处光斑最小时，像屏上光斑最大，且毛玻璃和像屏之间距离越长，测量精确度越高。待测透镜的物和像处光斑都是物附近和像附近光斑最小的位置，毛玻璃分别在物和像的附近移动时，当毛玻璃移动到待测透镜物和像处时，像屏上光斑都是最大的。基于激光散斑技术精准测量待测透镜的物距和像距，进而准确测量凸透镜焦距和凹透镜焦距。这种测量方法简单，直观，好操作。
附图说明
29.图1为是基于激光散斑测量光束通过短焦距透镜汇聚点位置(也是待测凸透镜成像物的位置)的光路图。
30.图2是基于激光散斑测量光束通过待测凸透镜像位置的光路图。
31.图3是基于激光散斑测量光束通过待测凹透镜像位置光路图。
32.图4是基于激光散斑测量凸透镜焦距实验装置示意图。
33.图5是基于激光散斑测量凹透镜焦距实验装置示意图。
34.图6是基于激光散斑测量凸凹透镜焦距测量的装置的结构示意图。
35.图中，1为光学导轨，2为固定架，3为激光光源，4为短焦距凸透镜，5为待测焦距的凸透镜，6为待测焦距的凹透镜，7为白屏，8为毛玻璃，9为像屏，10为连接体。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明进行详细描述。
37.参见图1到图6，本发明基于激光散斑的测量凸(凹)透镜焦距的测量装置，不仅可以精确测量凸透镜焦距，还可以精确测量凹透镜的焦距。该装置由光学导轨1、固定架2、激光光源3、短焦距凸透镜4、待测透镜、白屏7、毛玻璃8、像屏9以及连接体10构成，其中，光学导轨1上安装有标尺，并且光学导轨1为一维精密光学导轨。毛玻璃8与像屏9的连接体10保持毛玻璃8与像屏9之间是固定的长距离。待测透镜为待测焦距的凸透镜5或待测焦距的凹透镜6。
38.待测透镜、短焦距凸透镜4与激光光源3发射的激光共轴，白屏7、毛玻璃8以及像屏9垂直于激光。
39.固定架2包括激光固定架、透镜固定架、白屏固定架、毛玻璃固定架及像屏固定架。其中，激光固定架包括二维光学导轨滑块、套筒、接杆和激光调整架，导轨滑块设置在光学导轨1，导轨滑块上设置套筒，套筒上设置有接杆，接杆上设置有激光调整架，激光光源3设置在激光调整架上。
40.透镜固定架包括二维光学导轨滑块、套筒、接杆和透镜四维调整架，二维光学导轨滑块设置在光学导轨1上，二维光学导轨滑块上设置有套筒，套筒上设置有接杆，接杆上设置有透镜四维调整架，短焦距凸透镜4、待测焦距的凸透镜5与待测焦距的凹透镜6均设置在透镜四维调整架上。
41.白屏7和像屏9的固定架均包括二维光学导轨滑块、套筒，二维光学导轨滑块设置在光学导轨1上，二维光学导轨滑块上设置有套筒，套筒上设置有白屏7和像屏9。
42.像屏固定架包括二维光学导轨滑块与套筒，二维光学导轨滑块设置在光学导轨1上，二维光学导轨滑块上设置有套筒；套筒上设置有像屏9。
43.白屏固定架包括二维光学导轨滑块与套筒，二维光学导轨滑块设置在光学导轨1上，二维光学导轨滑块上设置有套筒；套筒上设置有白屏7。
44.毛玻璃固定架包括二维光学导轨滑块、套筒、接杆和毛玻璃夹持架。二维光学导轨滑块设置在光学导轨1上，二维光学导轨滑块上设置有套筒，套筒上设置有接杆，接杆上设置有毛玻璃夹持架，毛玻璃8设置毛玻璃夹持架上。
45.所述的激光光源3是氦-氖激光。
46.所述短焦距凸透镜4的焦距是30mm，为待测焦距的凸透镜5和待测焦距的凹透镜6提供物(虚物)；所述待测焦距的凸透镜5和待测焦距的凹透镜6可测量焦距范围比较宽；所述白屏7上有水平和垂直的十字线。激光光源3、短焦距透镜4、待测焦距的凸透镜5、待测焦
距的凹透镜6和白屏7依次安装在所述光学导轨1上的固定架2上。
47.毛玻璃8与像屏9通过连接体10(刚性材料)连接起来，其三者是一个整体，毛玻璃8和像屏9表面与激光光源3发射的激光垂直。并且连接体10与毛玻璃8和像屏9的表面垂直。当毛玻璃8移动时，毛玻璃8和像屏9联动(即移动中两者的距离不变)。
48.根据惠更斯原理，激光光斑通过粗糙毛玻璃8后会产生激光散斑。自毛玻璃粗糙表面上直径为d的圆形照明区域的散射光，在与毛玻璃粗糙表面距离为l的像屏上形成激光散斑颗粒的大小s可按下式估计：
49.s＝1.22λl/πd
50.其中，λ为激光波长，从上式不难看出，当毛玻璃8粗糙表面与像屏9距离l一定时，散斑表观颗粒的大小只与毛玻璃8粗糙表面被照明的圆形照明区域的直径d有关，并且被照明的圆形照明区域越小，散斑表观颗粒越大。毛玻璃粗糙表面与像屏相距l越大，散斑放大倍率越高。待测透镜的物和像处光斑都是物附近和像附近光斑最小的位置，毛玻璃8分别在物和像的附近移动时，当毛玻璃移动到待测透镜物和像处时，像屏上光斑都是最大的。且毛玻璃8粗糙表面和像屏9之间距离越长，测量精度越高。装置中设计毛玻璃8粗糙表面和像屏9之间距离为80cm，如果镜子焦距很长，可以加长毛玻璃8和像屏9之间距离，以增加测量精确度。
51.基于激光散斑测量凸(凹)透镜焦距的测量装置的测量透镜焦距的方法，包括如下步骤：
52.步骤1，激光光源3固定在光学导轨1上左端，白屏7放置在光学导轨1上，利用“近远场”法调节激光光源3的激光束与光学导轨中心轴线平行。光学导轨1上靠近激光光源3放置短焦距凸透镜4，调节镜架，使短焦距凸透镜4与激光共轴，激光通过短焦距凸透镜4的会聚点，作为被测凸(凹)透镜的物(虚物)。
53.步骤2，光学导轨1上靠近短焦距凸透镜4放置毛玻璃与像屏的连接体，毛玻璃8粗糙表面在待测透镜物或虚物附近从左向右缓慢移动，由于毛玻璃8、像屏9和连接体10是一个整体，毛玻璃和像屏沿着光学导轨向右缓慢联动(即移动中两者的距离不变)，像屏散斑最大时毛玻璃8粗糙表面对应的位置是待测透镜的物的位置。记下待测透镜的物或虚物的位置对应的标尺刻度。
54.步骤3，光学导轨1上靠近待测凸(凹)透镜的物(虚物)的右(左)侧位置放置待测透镜，调节共轴，光学导轨1上靠近待测透镜放置毛玻璃与像屏连接体，毛玻璃8在待测凸(凹)透镜像附近从左向右缓慢移动，毛玻璃和像屏沿着光学导轨向右缓慢联动，像屏散斑最大时毛玻璃8粗糙表面对应的位置是待测透镜的像的位置，记下待测透镜的像的位置对应的标尺刻度。
55.基于激光散斑精确测量待测透镜的物与像的位置(即待测透镜的物的位置对应的标尺刻度与待测透镜的像的位置对应的标尺刻度)，根据光学导轨1上的标尺读取待测透镜位置对应的标尺刻度，进而精确测量待测透镜的物距与像距，并通过下式计算待测透镜的焦距。
56.透镜成像公式：
57.其中，u是物距，物距的大小是激光通过短焦距透镜的会聚点与待测透镜的距离，
待测透镜是凸透镜，物距的符号是正的；待测透镜是凹透镜，物距的符号是负的。v是像距，是待测透镜与待测透镜像之间的距离。f是待测透镜的焦距。
58.根据透镜成像公式计算的待测凸(凹)透镜的焦距的结果十分准确。
59.为了验证该方法的有效性，利用本发明实施例提供的测量方法及装置(毛玻璃8粗糙表面与像屏之间距离是30cm)测量了一个凸透镜的焦距和一个凹透镜的焦距。
60.待测透镜物的位置对应标尺刻度x1，待测透镜位置对应标尺刻度x2，待测透镜像位置对应标尺刻度x3，详见表1。
61.表1凸透镜和凹透镜的待测透镜物距和像距
[0062][0063][0064]
其中，根据表1中得到的透镜的物距、像距、实验测得透镜焦距和实际透镜的焦距的关系可以得出：根据实验测得透镜焦距和透镜实际焦距相比，证明该方案完全有效。毛玻璃粗糙表面与像屏之间距离是30cm是测量的，这套装置的毛玻璃与像屏之间距离是80cm，毛玻璃与像屏之间距离越大，测量的精度和准确度越高。这一套装置测量的精度和准确度更高。
[0065]
本发明利用激光散斑技术精确测量待测透镜物距和像距，提高透镜测量的精度和准确度，因此避免传统透镜焦距测量方法中对于像的准确位置难以判断造成的测量误差。本发明提供了一种既可以测量凸透镜焦距又可以测量凹透镜焦距的测量方法与装置。设计保持固定长距离的毛玻璃与像屏的连接体是发明装置的关键组成部分，毛玻璃和像屏之间距离固定时，毛玻璃处光斑最小时，像屏上光斑最大，且毛玻璃和像屏之间距离越长，测量精确度越高。待测透镜的物和像处光斑都是物附近和像附近光斑最小的，毛玻璃分别在物和像的附近移动时，当毛玻璃移动到物和像处，像屏上光斑都是最大的。基于激光散斑技术精准测量待测透镜的物距和像距，进而准确测量凸透镜焦距和凹透镜焦距。这种测量方法简单，直观，好操作。
[0066]
在本发明各方法的实施例中，各步骤的序号并不能限定各步骤的先后顺序先，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的变化也在本发明的保护范围之内。
[0067]
以上是本发明的优选方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。