一種數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置及其教學(xué)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，包括有光源模塊，用于給裝置提供光源；準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊，用于獲得滿足實(shí)驗(yàn)要求大小的光束；空間光調(diào)制模塊，用于模擬實(shí)驗(yàn)所需的各種光學(xué)元件；觀察成像模塊，用于觀察和采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果；輔助光路模組，安裝于上述各模塊之間用于改變主光路上的光束；以及安裝平臺(tái)，用于安裝上述各模塊，提供安裝接口便于接駁輔助光路模組和提供與外界PC機(jī)連接的接口。該實(shí)驗(yàn)裝置有效解決了教學(xué)過程中傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置搭建的繁瑣、使用局限和元件多的問題，再集成了計(jì)算機(jī)控制模塊可使該實(shí)驗(yàn)裝置形成一個(gè)集成了數(shù)字化元件、觀察裝置和網(wǎng)絡(luò)裝置的獨(dú)立系統(tǒng)，可以脫離實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)環(huán)境，任意安置在教室或其他場(chǎng)地上。
【專利說明】一種數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置及其教學(xué)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光電實(shí)驗(yàn)裝置，具體是一種數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置及其教學(xué)方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的物理、光學(xué)工程與信息光學(xué)等專業(yè)的教學(xué)過程中，光學(xué)教學(xué)內(nèi)容中幾何光學(xué)、干涉、衍射、全息等知識(shí)領(lǐng)域的教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采用包括各種透鏡、狹縫、光闌、白板等光學(xué)元件來完成，需要在專門的光學(xué)平臺(tái)上搭建組合各種元件，參數(shù)調(diào)整和更換相對(duì)繁瑣，且成本較高。同時(shí)，普通的光學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法實(shí)時(shí)地通過網(wǎng)絡(luò)將光學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像共享到遠(yuǎn)端，實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果從空間上無法超越實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的范圍，也不利于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的快速分享和分析。而且，大量實(shí)體光學(xué)元件需要在實(shí)驗(yàn)過程中被搭建在光學(xué)平臺(tái)上，不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要更換元器件、重新調(diào)節(jié)光路，這對(duì)工作人員的管理、維護(hù)工作帶來極大的不便和工作量。
[0003]關(guān)于液晶空間光調(diào)制器用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)的論文和技術(shù)雖然早有傳播，但沒有統(tǒng)一的具體實(shí)現(xiàn)集成裝置，而是臨時(shí)地將各個(gè)構(gòu)成部件搭建在光學(xué)平臺(tái)上固定起來，無法脫離實(shí)驗(yàn)室環(huán)境做到便攜化、集成化。通常這種做法是利用光具固定座、光學(xué)支架等機(jī)械裝置將包括液晶空間光調(diào)制器、透鏡、棱鏡等在內(nèi)的光學(xué)元件按照光路需要依次排列搭建成實(shí)驗(yàn)光路，無法整體移動(dòng)和復(fù)制，也未能充分計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，存在一定局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種集成了數(shù)字化元件、觀察裝置和網(wǎng)絡(luò)裝置的可脫離實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)環(huán)境的數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括有:
光源模塊，用于給裝置提供光源；
準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊，用于獲得滿足實(shí)驗(yàn)要求大小的光束；
空間光調(diào)制模塊，用于模擬實(shí)驗(yàn)所需的各種光學(xué)元件；
觀察成像模塊，用于觀察和采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
輔助光路模組，安裝于上述各模塊之間用于改變主光路上的光束；
以及安裝平臺(tái)，用于安裝上述各模塊，提供安裝接口便于接駁輔助光路模組和提供與外界PC機(jī)連接的接口。
[0006]其中，本發(fā)明可以與外界PC機(jī)連接，通過在外界PC機(jī)上安裝相應(yīng)的軟件即可實(shí)現(xiàn)生成控制指令和接收并處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)然也可以將該功能集成化，即本發(fā)明還包括有計(jì)算機(jī)控制模塊，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)行光學(xué)元件數(shù)字化、生成控制指令輸出到空間光調(diào)制模塊并顯示相應(yīng)的模擬圖形，接收并處理來自觀察成像模塊中采集到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并提供數(shù)據(jù)交換接口連接外部共享設(shè)備。
[0007]上述準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊包括用于固定上述光源模塊的固定夾具、小孔濾波裝置、反射鏡、擴(kuò)束透鏡模組和反射鏡，所述小孔濾波裝置、反射鏡、擴(kuò)束透鏡模組和反射鏡通過帶微調(diào)裝置的基座固定在安裝平臺(tái)上，反射鏡與擴(kuò)束透鏡模組的中心距離滿足擴(kuò)束透鏡模組焦距的要求。
[0008]為了使該實(shí)驗(yàn)裝置適合不同的實(shí)驗(yàn)，甚至用于科研目的而非簡單的教學(xué)目的，上述空間光調(diào)制模塊可以為透射式空間光調(diào)制器模組，所述透射式空間光調(diào)制器模組依次包括有起偏器、透射式空間光調(diào)制器、檢偏器和可變光闌，所述可變光闌為可選組件，用于將通過透射式空間光調(diào)制器后的被調(diào)制光斑進(jìn)行選擇過濾以獲得合適的觀察光斑；上述空間光調(diào)制模塊可以為反射式空間光調(diào)制器模組，所述反射式空間光調(diào)制器模組依次包括有反射鏡、分光棱鏡和反射式空間光調(diào)制器，所述反射鏡為可選組件，該反射鏡采用活動(dòng)鉸鏈結(jié)構(gòu)或可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連接在安裝平臺(tái)的固定軸上。
[0009]本發(fā)明的觀察成像模塊包括有共軛成像透鏡和圖像采集組件，所述共軛成像透鏡用于將調(diào)制結(jié)果進(jìn)行成像以獲得清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所述圖像采集組件用于將實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)采集到上述計(jì)算機(jī)控制模塊上。
[0010]為了能實(shí)現(xiàn)干涉、衍射、全息等眾多實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，上述輔助光路模組包括有分光棱鏡、反射鏡和合光棱鏡，根據(jù)需要選擇其中的一種或者兩種以上的結(jié)合，所述輔助光路模組采用活動(dòng)鉸鏈結(jié)構(gòu)或可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連接在安裝平臺(tái)的固定軸上。故不用時(shí)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度即可其從主光路中移開。
[0011]本發(fā)明的計(jì)算機(jī)控制模塊可以外接，也可以集成，集成的計(jì)算機(jī)控制模塊包括有系統(tǒng)主板、設(shè)置在系統(tǒng)主板上的連接空間光調(diào)制模塊的接口、連接網(wǎng)絡(luò)模塊的接口、連接外部顯示設(shè)備的接口和圖像采集控制板卡接口、以及操作控制處理電路板和控制面板，所述控制面板上設(shè)有用于選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的旋轉(zhuǎn)按鈕、調(diào)整參數(shù)用的滑塊組件和用于顯示實(shí)驗(yàn)名稱和參數(shù)內(nèi)容及相應(yīng)值的顯示屏。
[0012]一種數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置的教學(xué)方法，其特征在于包括以下步驟:
(A)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行組裝，包括上述的光源模塊、準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊、空間光調(diào)制模塊、觀察成像模塊、輔助光路模組和計(jì)算機(jī)控制模塊；
(B)、針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)相關(guān)的核心光學(xué)元件進(jìn)行數(shù)字化處理，即將所需的元件轉(zhuǎn)換為空間光調(diào)制模塊可以顯示的圖形數(shù)據(jù)；
(C)、利用計(jì)算機(jī)控制模塊向空間光調(diào)制模塊輸入步驟(B)中的圖形數(shù)據(jù)；
(D)、校正輔助光路模組以及觀察成像模塊，以便獲得清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
(E)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以顯示在觀察白板或通過圖像采集模塊采集到計(jì)算機(jī)控制模塊中，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果投影到投影設(shè)備；
(F)、利用計(jì)算機(jī)控制模塊調(diào)取實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)應(yīng)的仿真效果與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并將對(duì)比結(jié)果投影到投影設(shè)備上；
(G)、利用計(jì)算機(jī)控制模塊聯(lián)入到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中而實(shí)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉鄠€(gè)的客戶端；
(H)、完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)后，可以通過改變空間光調(diào)制模塊和輔助光路模組即可進(jìn)行新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)以上步驟(B)?(G)0
[0013]其中，上述步驟(B)中包括有如下步驟:
(a)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建立數(shù)學(xué)模型； (b)、選擇相應(yīng)的可變參數(shù)；
(C)、分別建立元件函數(shù)和仿真函數(shù)；
(d)、定義操作界面和指令模式；
(e)、編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化。
[0014]本發(fā)明由于采用空間光調(diào)制模塊來將核心元件數(shù)字化，便于多種規(guī)格元件的共享和重復(fù)利用，改變了必須通過更換不同元件來實(shí)現(xiàn)多個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的現(xiàn)狀，并最終將各類干涉、衍射、全息等相關(guān)實(shí)驗(yàn)集成到了一套裝置中；采用準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊和輔助光路模組將多個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所需的裝置進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作者和管理者而言，都極大地簡化了操作步驟，降低了工作量；采用安裝平臺(tái)將所有模塊和模組安裝于其中而形成便攜化的集成結(jié)構(gòu)，可以脫離光學(xué)平臺(tái)，能在任意場(chǎng)地展開教學(xué)實(shí)驗(yàn)，構(gòu)成了一套獨(dú)立的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，而非傳統(tǒng)教學(xué)必須在特定光學(xué)平臺(tái)上才能完成的做法；最后采用計(jì)算機(jī)控制模塊將實(shí)驗(yàn)控制過程數(shù)字化，實(shí)驗(yàn)操作指令和實(shí)驗(yàn)結(jié)果全部通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行管理，方便了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、管理、存儲(chǔ)和社會(huì)化共享，并進(jìn)一步拓寬了實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的方法。該實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)集成了數(shù)字化元件、觀察裝置和網(wǎng)絡(luò)裝置的獨(dú)立系統(tǒng)，可以脫離實(shí)驗(yàn)室光學(xué)平臺(tái)環(huán)境，任意安置在教室或其他場(chǎng)地上。本發(fā)明的教學(xué)方法的核心在于利用空光調(diào)制器來完成傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)體元件的數(shù)字化，外延到實(shí)驗(yàn)過程元件數(shù)字化、控制過程數(shù)字化、實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)字化以及分析測(cè)量過程數(shù)字化，進(jìn)而使原來不可以通過網(wǎng)絡(luò)控制或共享的內(nèi)容也可以利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)入到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中或顯示到其他設(shè)備上，從而突破了實(shí)驗(yàn)室地域空間的限制，使實(shí)驗(yàn)過程變?yōu)橐粋€(gè)能被廣泛觀察和存儲(chǔ)的教學(xué)過程。
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的方框結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明一種實(shí)施方式的方框結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明另一種實(shí)施方式的方框結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4是本發(fā)明計(jì)算機(jī)控制模塊的簡易結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5是本發(fā)明教學(xué)方法的流程方框示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]如圖1至圖3所示，該實(shí)施例所述的一種數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括有光源模塊，用于給裝置提供光源；準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊2，用于獲得滿足實(shí)驗(yàn)要求大小的光束；空間光調(diào)制模塊3，用于模擬實(shí)驗(yàn)所需的各種光學(xué)元件；觀察成像模塊4，用于觀察和采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果；輔助光路模組7，安裝于上述各模塊之間用于改變主光路上的光束；以及安裝平臺(tái)I，用于安裝上述各模塊，提供安裝接口便于接駁輔助光路模組7和提供與外界PC機(jī)連接的接口。
[0022]實(shí)施例1:基于透射式液晶空間光調(diào)制器的多實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置集成方案
如圖2所示，該實(shí)施例的安裝平臺(tái)I由左右兩框架集成的框架結(jié)構(gòu)，可用鋼柱結(jié)構(gòu)組合固定作為整個(gè)裝置的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，其中左框架11為帶M4、M6等螺紋孔的基板底座；右框架12為一種可接駁元件的結(jié)構(gòu)件，包括有固定孔、固定軸和鍥型插入固定裝置，用于固定各類元件以及模塊。在左右框架中預(yù)置了線纜固定槽，用于固定模塊所需的電源、數(shù)據(jù)線纜。該實(shí)施例的準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊2、空間光調(diào)制模塊3、觀察成像模塊4和計(jì)算機(jī)控制模塊5均安裝在該安裝平臺(tái)I上，準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊2、空間光調(diào)制模塊3和觀察成像模塊4這三個(gè)模塊為可移動(dòng)模塊，采用微面包板結(jié)構(gòu)即模塊本身可以再增加一定數(shù)量的光學(xué)支架結(jié)構(gòu)件，上面按一定的規(guī)格尺寸要求布滿M3、M4、M6的螺紋孔。
[0023]該實(shí)施例的準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊2的主要功能就是對(duì)激光器5發(fā)出的光束進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束，該實(shí)施例的激光器5通常為氦氖集光器,實(shí)際實(shí)施時(shí)可以為533nm或632.8nm波長的激光器，通過準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊2以獲得直徑5~15_左右的光束，其包括有五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件:固定夾具21、小孔濾波裝置22、反射鏡23、擴(kuò)束透鏡模組24和反射鏡25，其中固定夾具21用于安裝不同規(guī)格的激光器5，考慮到設(shè)備資源共用，該實(shí)施例的激光器5為可選配置。該固定夾具21集成在準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊2上；擴(kuò)束透鏡模組24 —般放大倍數(shù)30-50倍；小孔濾波裝置22、反射鏡23、擴(kuò)束透鏡模組24和反射鏡25都通過帶微調(diào)裝置的基座固定在安裝平臺(tái)I上，反射鏡23和擴(kuò)束透鏡模組24的中心距離滿足擴(kuò)束透鏡模組24焦距的要求，以保證光束通過擴(kuò)束透鏡模組24后擴(kuò)束為平行光束。該實(shí)施例的空間光調(diào)制模塊3為透射式空間光調(diào)制器模組，用來模擬實(shí)驗(yàn)所需的各種光學(xué)元件，包括起偏器31、透射式空間光調(diào)制器32、檢偏器33和可變光闌34四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元。其中起偏器31既可以集成在該空間光調(diào)制模塊3中，也可以調(diào)整其位置集成到準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊2中；該可變光闌34為可選組件，用于將通過透射式空間光調(diào)制器32后被調(diào)制的光斑進(jìn)行選擇過濾，以選擇合適的觀察光斑。該實(shí)施例的觀察成像模塊4，用于觀察、采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括有共軛成像透鏡41和圖像采集組件42 二個(gè)單元，其中共軛成像透鏡41可以單個(gè)或成對(duì)出現(xiàn)，主要是將調(diào)制結(jié)果進(jìn)行成像，以便獲得清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖像采 集組件42為CCD或CMOS圖像采集組件，用于將實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)采集到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊2、空間光調(diào)制模塊3和觀察成像模塊4組成了完成干涉、衍射、全息、各類利用透射式空間光調(diào)制器32進(jìn)行振幅實(shí)驗(yàn)的核心結(jié)構(gòu)，其中觀察成像模塊可以更換為其他觀察測(cè)量裝置，比如光強(qiáng)儀等。
[0024]該實(shí)施例還包括有輔助光路模組7，主要是針對(duì)特定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如液晶對(duì)光束的相位調(diào)制測(cè)量實(shí)驗(yàn)，就需要在主光路上增加輔助光路模組7。該輔助光路模組包括有一個(gè)分光棱鏡71、二個(gè)反射鏡72和一個(gè)合光棱鏡73,這些鏡片兀件屬于可拆卸兀件，固定在安裝平臺(tái)上，可以根據(jù)需要增加、更換，除非特定內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)，對(duì)很多教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不需要更換。因此，在集成方案的設(shè)計(jì)中，分光棱鏡71和合光棱鏡73采用活動(dòng)鉸鏈結(jié)構(gòu)或可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連接在左框架的固定軸上，不用時(shí)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度即可從主光路中移開。按照該裝置方案，當(dāng)移開分光棱鏡71和合光棱鏡73時(shí)即可完成包括小孔衍射、楊氏雙縫、光柵設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、傅立葉信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)等在內(nèi)的多套實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在該裝置的擴(kuò)展性上，如果將空間光調(diào)制模塊3移開，保留該實(shí)施例的輔助光路模組7就構(gòu)成了一套邁克耳遜干涉實(shí)驗(yàn)裝置，兩個(gè)反射鏡72的微調(diào)裝置設(shè)置有刻度，通過調(diào)整這兩個(gè)反射鏡72的角度，即可觀察到干涉條紋的變化，由于帶有刻度，調(diào)整數(shù)據(jù)可被量化直接讀出，這樣可以幫助實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行量化分析。
[0025]實(shí)施例2:基于反射式液晶空間光調(diào)制器的多實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置集成方案
如圖3所示，根據(jù)實(shí)施I的內(nèi)容，由反射式液晶空光調(diào)制器作為主功能器件的教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置主要的改變?cè)谟诳臻g光調(diào)制模塊3的變化。其中，安裝平臺(tái)I結(jié)構(gòu)不改變，觀察成像模塊4不改變，而準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊2略有變化，將實(shí)施I中的空間光調(diào)制模塊3中的起偏器31移動(dòng)到準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊2中，然后將空間光調(diào)制模塊3以及輔助光路模塊7進(jìn)行替換:采用利用反射式空間光調(diào)制器模組替換了透射式空間光調(diào)制器模組，并將輔助光路模塊7中的反射鏡72移動(dòng)了安裝位置。其中，反射式空間光調(diào)制器模組由反射鏡35、分光棱鏡36和反射式空間光調(diào)制器37三個(gè)核心組件構(gòu)成，視實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的需要，反射鏡35為可選組件，不用時(shí)通過調(diào)整角度從光路中移開即可，與此同時(shí)分光棱鏡36也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容不同，改為半反射鏡。
[0026]以上兩個(gè)實(shí)施例中都包括有計(jì)算機(jī)控制模塊6，該計(jì)算機(jī)控制模塊6的主要功能就是利用嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)行光學(xué)元件數(shù)字化、生成控制指令輸出到透射式空間光調(diào)制器32或反射式空間光調(diào)制器37并顯示相應(yīng)的模擬圖形，接收并處理來自圖像采集組件42采集到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并提供數(shù)據(jù)交換接口連接外部共享設(shè)備如投影顯示裝置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；如圖4所示，該計(jì)算機(jī)控制模塊6的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案如下:計(jì)算機(jī)控制模塊6通過外殼60來集成相應(yīng)組成部分，其組成部分包括有系統(tǒng)主板61、設(shè)置在系統(tǒng)主板61上的連接空間光調(diào)制模塊3的接口 62、連接網(wǎng)絡(luò)模塊的接口 63、連接外部顯示設(shè)備的接口 64和圖像采集控制板卡接口 65、以及操作控制處理電路板66和控制面板67，其中系統(tǒng)主板61為嵌入式的，由于目前計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，各類現(xiàn)成的嵌入式主板隨處可獲；連接空間光調(diào)制模塊3的接口 62視空間光調(diào)制模塊3數(shù)據(jù)接口不同包括有USB、HDMI, VGA、DVI或串口中的任意一種或兩種以上，主要用于向透射式空間光調(diào)制器32或反射式空間光調(diào)制器37輸出元件數(shù)據(jù)；操作控制處理電路板66，用于獲取用戶的操作指令并實(shí)時(shí)反饋到控制面板67上?？刂泼姘?7即為人機(jī)交互界面，主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)操作人員，包括旋轉(zhuǎn)按鈕671，用于選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，參數(shù)調(diào)整的滑塊組件672，共設(shè)三組，用于調(diào)整每個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中模擬光學(xué)元件或顯示灰度圖的參數(shù)，實(shí)際上可以根據(jù)需要增加滑塊的數(shù)量；控制面板11上的液晶顯示屏673，用來顯示當(dāng)前實(shí)驗(yàn)名稱和可調(diào)參數(shù)內(nèi)容及相應(yīng)值。該實(shí)施例也可以省去計(jì)算機(jī)控制模塊6，改為直接連接外界PC機(jī)，主要是由于一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，作為上位機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都是共有資源，可用于多種目的。
[0027]該計(jì)算機(jī)控制模塊6的具體實(shí)現(xiàn)方法與實(shí)驗(yàn)操作步驟如下:光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容被預(yù)先存儲(chǔ)到系統(tǒng)主板61中，并默認(rèn)啟動(dòng)嵌入式系統(tǒng)和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)控制程序，使用者調(diào)整旋轉(zhuǎn)按鈕671，操作控制處理電路板66接到調(diào)整指令后通知控制程序，由控制程序中運(yùn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，輸出到透射式空間光調(diào)制器32或反射式空間光調(diào)制器37，并將當(dāng)前參數(shù)信息反饋到顯示屏673上，用戶調(diào)節(jié)滑塊組件672即可實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的元件，例如針對(duì)正弦光柵，可以設(shè)計(jì)為用戶拖動(dòng)第一個(gè)滑塊，即改變光柵周期，每改變一次參數(shù)值，意味相對(duì)傳統(tǒng)實(shí)體光柵元件，就更換了一塊新的光柵元件。通過在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行相應(yīng)的程序，可以將采集到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像通過連接網(wǎng)絡(luò)模塊的接口 63或連接外部顯示設(shè)備的接口 64共享到外部設(shè)備中，從而具體實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的大范圍的共享，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或顯示設(shè)備引入到光學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，顯示設(shè)備包括但不限于背投投影設(shè)備電視、投影儀以及電視墻等裝置；網(wǎng)絡(luò)共享則是利用教學(xué)局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)通過控制程序?qū)?shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲煌蛻舳说姆椒?，傳播形式可以包括各種網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)施、社交媒體工具如微博、微信、社交網(wǎng)站等各類社會(huì)化分享平臺(tái)以及特定的平臺(tái)。
[0028]如圖5所示，該發(fā)明的教學(xué)方法包括以下步驟:
(A)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行組裝，包括上述的光源模塊、準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊、空間光調(diào)制模塊、觀察成像模塊、輔助光路模組和計(jì)算機(jī)控制模塊，其中主要的是空間光調(diào)制模塊中的空間光調(diào)制器的選擇，還有就是輔助光路模組的選用組裝；
(B)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建立數(shù)學(xué)模型，然后選擇相應(yīng)的可變參數(shù)，再分別建立元件函數(shù)和仿真函數(shù)，接著定義操作界面和指令模式，最后編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化，即完成將元件轉(zhuǎn)換為空間光調(diào)制模塊可以顯示的圖形數(shù)據(jù)；
(C)、利用計(jì)算機(jī)控制模塊向空間光調(diào)制模塊輸入步驟(B)中的圖形數(shù)據(jù)，如小孔衍射實(shí)驗(yàn)就在空間光調(diào)制模塊上輸入小孔數(shù)據(jù)，孔徑從(TlOmm范圍可變，孔徑形狀可以為圓形、方形、三角形、星型或多邊型，以此類推，可以輸入不同數(shù)據(jù)獲得不同類型的小孔，進(jìn)而觀察不同小孔對(duì)光波的衍射實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
(D)、校正輔助光路模組以及觀察成像模塊，以便獲得清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；
(E)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以顯示在觀察白板或通過圖像采集模塊采集到計(jì)算機(jī)控制模塊中，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果投影到投影設(shè)備；
(F)、利用計(jì)算機(jī)控制模塊調(diào)取實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)應(yīng)的仿真效果與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并將對(duì)比結(jié)果投影到投影設(shè)備上；
(G)、利用計(jì)算機(jī)控制模塊聯(lián)入到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中而實(shí)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉鄠€(gè)的客戶端；
(H)、完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)后，可以通過改變空間光調(diào)制模塊和輔助光路模組即可進(jìn)行新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)以上步驟(b)?(g)。
[0029]盡管本發(fā)明是參照具體實(shí)施例來描述，但這種描述并不意味著對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制。參照本發(fā)明的描述，所公開的實(shí)施例的其他變化，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是可以預(yù)料的，這種的變化應(yīng)屬于所屬權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于包括有: 光源模塊，用于給裝置提供光源； 準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊(2)，用于獲得滿足實(shí)驗(yàn)要求大小的光束； 空間光調(diào)制模塊(3)，用于模擬實(shí)驗(yàn)所需的各種光學(xué)元件； 觀察成像模塊(4)，用于觀察和采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果； 輔助光路模組(7)，安裝于上述各模塊之間用于改變主光路上的光束； 以及安裝平臺(tái)(1)，用于安裝上述各模塊，提供安裝接口便于接駁輔助光路模組(7)和提供與外界PC機(jī)連接的接口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于還包括有計(jì)算機(jī)控制模塊(6)，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)行光學(xué)元件數(shù)字化、生成控制指令輸出到空間光調(diào)制模塊(3)并顯示相應(yīng)的模擬圖形，接收并處理來自觀察成像模塊(4)中采集到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并提供數(shù)據(jù)交換接口連接外部共享設(shè)備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于上述準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊(2)包括用于固定上述光源模塊的固定夾具(21)、小孔濾波裝置(22)、反射鏡(23)、擴(kuò)束透鏡模組(24)和反光鏡(25)，所述小孔濾波裝置(22)、反射鏡(23)、擴(kuò)束透鏡模組(24)和反光鏡(25)通過帶微調(diào)裝置的基座固定在安裝平臺(tái)(I)上，反射鏡(23)與擴(kuò)束透鏡模組(24)的中心距離滿足擴(kuò)束透鏡模組(24)焦距的要求。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于上述空間光調(diào)制模塊(3)為透射式空間光調(diào)制 器模組，所述透射式空間光調(diào)制器模組依次包括有起偏器(31)、透射式空間光調(diào)制器(32)、檢偏器(33)和可變光闌(34)，所述可變光闌(34)為可選組件，用于將通過透射式空間光調(diào)制器(32)后的被調(diào)制光斑進(jìn)行選擇過濾以獲得合適的觀察光斑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于上述空間光調(diào)制模塊(3)為反射式空間光調(diào)制器模組，所述反射式空間光調(diào)制器模組依次包括有反射鏡(35)、分光棱鏡(36)和反射式空間光調(diào)制器(37)，所述反射鏡(35)為可選組件，該反射鏡(35)采用活動(dòng)鉸鏈結(jié)構(gòu)或可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連接在安裝平臺(tái)(I)的固定軸上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于上述觀察成像模塊(4)包括有共軛成像透鏡(41)和圖像采集組件(42)，所述共軛成像透鏡(41)用于將調(diào)制結(jié)果進(jìn)行成像以獲得清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所述圖像采集組件(42)用于將實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)采集到上述計(jì)算機(jī)控制模塊(6)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于上述輔助光路模組(7)包括有分光棱鏡(71 )、反射鏡(72)和合光棱鏡(73),根據(jù)需要選擇其中的一種或者兩種以上的結(jié)合，所述輔助光路模組(7)采用活動(dòng)鉸鏈結(jié)構(gòu)或可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連接在安裝平臺(tái)(I)的固定軸上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于上述計(jì)算機(jī)控制模塊(6)包括有系統(tǒng)主板(61)、設(shè)置在系統(tǒng)主板(61)上的連接空間光調(diào)制模塊(3)的接口(62)、連接網(wǎng)絡(luò)模塊的接口(63)、連接外部顯示設(shè)備的接口(64)和圖像采集控制板卡接口(65)、以及操作控制處理電路板(66)和控制面板(67)，所述控制面板(67)上設(shè)有用于選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的旋轉(zhuǎn)按鈕(671)、調(diào)整參數(shù)用的滑塊組件(672)和用于顯示實(shí)驗(yàn)名稱和參數(shù)內(nèi)容及相應(yīng)值的顯示屏(673)。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置的教學(xué)方法，其特征在于包括以下步驟: (A)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行組裝，包括上述的光源模塊、準(zhǔn)直擴(kuò)束模塊、空間光調(diào)制模塊、觀察成像模塊、輔助光路模組和計(jì)算機(jī)控制模塊； (B)、針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)相關(guān)的核心光學(xué)元件進(jìn)行數(shù)字化處理，即將所需的元件轉(zhuǎn)換為空間光調(diào)制模塊可以顯示的圖形數(shù)據(jù)； (C)、利用計(jì)算機(jī)控制模塊向空間光調(diào)制模塊輸入步驟(B)中的圖形數(shù)據(jù)； (D)、校正輔助光路模組以及觀察成像模塊，以便獲得清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)果； (E)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以顯示在觀察白板或通過圖像采集模塊采集到計(jì)算機(jī)控制模塊中，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果投影到投影設(shè)備； (F)、利用計(jì)算機(jī)控制模塊調(diào)取實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)應(yīng)的仿真效果與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并將對(duì)比結(jié)果投影到投影設(shè)備上； (G)、利用計(jì)算機(jī)控制模塊聯(lián)入到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中而實(shí)現(xiàn)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉鄠€(gè)的客戶端； (H)、完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)后，可以通過改變空間光調(diào)制模塊和輔助光路模組即可進(jìn)行新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，重復(fù)以上步驟(B)~(G)0
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的數(shù)字化光電實(shí)驗(yàn)裝置的教學(xué)方法，其特征在于上述步驟(B)中包括有如下步驟: (a)、根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建立數(shù)學(xué)模型； (b)、選擇相應(yīng)的可變參數(shù)；` (C)、分別建立元件函數(shù)和仿真函數(shù)； (d)、定義操作界面和指令模式； (e)、編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化。
【文檔編號(hào)】G09B23/22GK103745637SQ201410024460
【公開日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】殷長志, 張翔 申請(qǐng)人:上海瑞立柯信息技術(shù)有限公司