分光計裝置改進設(shè)計

林二妹

（閩南理工學(xué)院，福建石獅362700）

分光計裝置改進設(shè)計

林二妹

（閩南理工學(xué)院，福建石獅362700）

介紹了分光計調(diào)節(jié)中常出現(xiàn)的問題，提出對分光計進行改裝，分別在望遠鏡目鏡前加裝CCD系統(tǒng)，在望遠鏡和平行光管上添加條形水平儀，在載物臺上安裝萬向水平儀。改進后的分光計結(jié)構(gòu)更簡單、測量精度更高，操作方便，對儀器的調(diào)節(jié)也具有一定的創(chuàng)新性，縮短了分光計的調(diào)整時間。

CCD系統(tǒng)；分光計；水平儀；改進

1 改進分光計設(shè)計的現(xiàn)狀研究

1.1 分光計裝置改進的意義

分光計，是一種分光和精確測量角度的光學(xué)儀器，在光學(xué)儀器中具有一定的代表性，被廣泛應(yīng)用于大學(xué)物理光學(xué)實驗中。其基本原理是，讓光線通過狹縫和聚焦透鏡形成一束平行光線，經(jīng)過光學(xué)元件的反射或折射后進入望遠鏡物鏡并成像在望遠鏡的焦平面上，通過目鏡進行觀察和測量各種光線的偏轉(zhuǎn)角度，從而得到光學(xué)參量。例如用分光計測量三棱鏡的折射率、用衍射光柵測量光波波長等。而在使用分光計測量前要對它仔細調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)望遠鏡軸線與載物臺轉(zhuǎn)軸的垂直、望遠鏡軸線與平行光管軸線的平行的調(diào)節(jié)。而且在實驗過程中調(diào)節(jié)望遠鏡軸線與載物臺轉(zhuǎn)軸垂直是比較困難的，在實驗課過程中，指導(dǎo)教師都想演示一下儀器的調(diào)節(jié)過程，讓學(xué)生觀察調(diào)節(jié)中出現(xiàn)的現(xiàn)象，由于儀器的協(xié)同調(diào)節(jié)與實驗現(xiàn)象的觀察都只能通過望遠鏡來實現(xiàn)。而望遠鏡用于觀察的視野很小，在教學(xué)示范、演示過程中受到很大的局限性。另外，由于實驗現(xiàn)代技術(shù)含量低，缺乏直觀的生動性，學(xué)生感覺內(nèi)容較枯燥，對實驗缺乏興趣。另外，由于整個調(diào)節(jié)過程都要用眼睛對著望眼鏡進行觀察現(xiàn)象，這就容易使眼睛感覺疲勞。因此本文結(jié)合CCD技術(shù)對分光計進行改造，在分光計的基礎(chǔ)上再設(shè)計添加CCD成像系統(tǒng)，將CCD的鏡頭對準(zhǔn)望眼鏡的目鏡，通過CCD采集目鏡中的光學(xué)信號，并將光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)斤@示屏，增加了實驗的形象直觀性。改造后的分光計不僅能能進一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，同時可供多人觀察實驗調(diào)節(jié)現(xiàn)象，不用眼睛直接觀看分光計使眼睛得以解放，不會因為長時間的觀察而使眼睛產(chǎn)生視覺疲勞，減少了對眼睛的傷害，用于演示實驗教學(xué)內(nèi)容，更易于學(xué)生理解和接受。另外，添加水準(zhǔn)儀使學(xué)生能更好的掌握分光計的粗調(diào)。

1.2 分光計調(diào)節(jié)存在的問題及其分析

結(jié)合多年的教學(xué)經(jīng)驗，總結(jié)出在上課中分光計調(diào)節(jié)常出現(xiàn)的問題，主要有以下幾點的問題：

（1）分光計結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實驗中要調(diào)整的螺釘較多，且一個螺釘稍微調(diào)節(jié)不當(dāng)，就有可能使實驗不成功，調(diào)節(jié)要求較高，學(xué)生常常不能再規(guī)定的時間內(nèi)完成實驗。

（2）在調(diào)節(jié)望眼鏡軸線與載物臺轉(zhuǎn)軸的垂直步驟時，反射回的十字叉像高度的光路分析在教材中并無測及，學(xué)生只能慢慢摸索調(diào)節(jié)找規(guī)律，這就需要較長的時間。

（3）實驗現(xiàn)象的觀察都是通過望眼鏡來實現(xiàn)，望眼鏡目鏡視場范圍狹窄，長時間的觀察容易導(dǎo)致視覺疲勞，同時老師要示范教學(xué)過程也受到了很大的限制，整個分光計調(diào)節(jié)難度較大的根源也是由于望眼鏡的視場過小。

（4）分光計的調(diào)節(jié)首先要進行粗調(diào)，粗調(diào)的理想效果是平面鏡的兩個面無論哪個面正對望遠鏡時，都能在望遠鏡的目鏡中觀察到反射回來的十字叉絲像。然而很多學(xué)生在實驗時都忽略了對分光計進行目測粗調(diào)，實驗一開始就直接進入細調(diào)，對著望遠鏡目鏡筒觀察反射回來的十字叉絲像?；蛘邔W(xué)生進行粗調(diào)時，由于粗調(diào)是用眼睛觀察，學(xué)生在觀察望遠鏡、載物臺、平行光管是否水平時，只是一個大致的結(jié)果，沒有參照物作為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)達不到理想的效果。

總之，分光計調(diào)節(jié)難度較大的原因一方面在于望眼鏡目鏡視場過小，容易產(chǎn)生視覺疲勞；另一方面是由于在粗調(diào)時缺少參考物，只能靠目測進行調(diào)節(jié)，這就使學(xué)生不能很好的完成實驗。

2 分光計裝置改進方案

結(jié)合上述中提到分光計調(diào)節(jié)出現(xiàn)的問題，我們也一直在探索一種簡單、快捷且能充分體現(xiàn)教學(xué)意圖的方法，為了解決上述中提到的由于望眼鏡目鏡視場過小，容易產(chǎn)生視覺疲勞，老師的示范教學(xué)過程也受到了很大的限制這一問題。我們采用結(jié)合CCD攝像技術(shù)的基本原理，通過在望眼鏡目鏡后設(shè)置添加CCD攝相機和監(jiān)視器，用視頻線將CCD與監(jiān)視器相聯(lián)，構(gòu)成帶有CCD攝像系統(tǒng)的分光計。通過CCD采集望遠鏡內(nèi)的光學(xué)圖像，然后通過視頻線將光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號傳輸?shù)奖O(jiān)視器，供實驗者觀察，擴大了視野，克服了直接用望眼鏡目鏡觀察的困難，改善了學(xué)生在實驗中用眼疲勞，同時消除了望眼鏡目鏡視場的限制，便于教師演示實驗過程。在實驗過程中為了便于調(diào)節(jié)CCD的高度，設(shè)置了將CCD攝像機安裝在一維的磁性底座上，便于調(diào)節(jié)高度使其與望遠鏡保持同一高度。

另一方面，針對在粗調(diào)時由于缺少參考物，只能靠目測來觀察望眼鏡、平行光管、載物臺是否水平，常出現(xiàn)學(xué)生不能很好的把握好粗調(diào)使細調(diào)無法進行。為了解決這一問題，我們根據(jù)望遠鏡、平行光管、載物臺的結(jié)構(gòu)出發(fā)，分別在望遠鏡鏡筒、平行光管上各安裝一個條形水準(zhǔn)儀，在載物臺上安裝一個萬向水平儀。使學(xué)生在調(diào)節(jié)過程中可借助水平儀對望眼鏡、平行光管、載物臺進行水平調(diào)節(jié)，通過觀察水平儀是否水平就可知粗調(diào)有沒調(diào)好，可降低粗調(diào)的難度，提高粗調(diào)的精度，細調(diào)時就能較順利找到綠色十字叉絲反射像。

3 改裝后儀器的調(diào)整步驟

3.1 對望眼鏡調(diào)焦

首先對目鏡調(diào)焦，轉(zhuǎn)動目鏡視度調(diào)焦手輪對目鏡調(diào)焦，使眼睛通過目鏡能清晰的看到分劃板刻線和十字光標(biāo)。

物鏡調(diào)焦，將光學(xué)元件的一光學(xué)面貼在物鏡端上，前后移動目鏡套管，使綠色十字叉絲像清晰。

3.2 粗調(diào)

借助萬向水平儀和條形水平儀將載物臺、望遠鏡和平行光管基本調(diào)至水平。根據(jù)望遠鏡及載物臺上的水準(zhǔn)儀的位置，調(diào)節(jié)望遠鏡和平行光管的高低調(diào)節(jié)螺絲，使望遠鏡和平行光管上的水平儀中的水準(zhǔn)泡處于中央位置，再調(diào)節(jié)載物臺下面的三個調(diào)節(jié)螺絲，使載物臺上水準(zhǔn)儀的水準(zhǔn)泡也處于中央位置，經(jīng)過粗調(diào)，望遠鏡、載物臺臺面、平行光管這三者都大致水平，此時它們也與分光計的主軸大致垂直。接下來將光學(xué)元件（三棱鏡、雙平面鏡）放在載物臺上，按圖1所示將三棱鏡放在載物臺上，即使三棱鏡ABC的三個面分別與載物臺下面的三個螺絲的連線兩兩垂直。轉(zhuǎn)動載物臺使AB面（三棱鏡其中一光學(xué)面）正對望遠鏡，使望遠鏡垂直于三棱鏡的光學(xué)面，觀察望遠鏡的目鏡看是否能看到由光學(xué)面反射回來的十字像。再轉(zhuǎn)動載物臺使三棱鏡的另一光學(xué)面垂直于望眼鏡，同樣觀察是否能看到十字光標(biāo)反射回來的十字像。當(dāng)無論以三棱鏡的哪個光學(xué)面與望眼鏡垂直時，均能從目鏡視場中觀察到反射回來的十字像時，此時，說明粗調(diào)完成，接下來采用“各半調(diào)節(jié)法”進行細調(diào)。

3.3 利用“各半調(diào)整法”對儀器進行細調(diào)

圖1 三棱鏡的放置

采用“各半調(diào)整法”對分光計進行細調(diào)。具體做法是當(dāng)三棱鏡的一個光學(xué)面垂直于望眼鏡時，從目鏡視場中觀察的反射十字像與分劃板上十字交叉點相差距離h時，此時，調(diào)節(jié)望遠鏡高低調(diào)節(jié)螺絲和載物臺下面的螺絲（注：如圖1放置三棱鏡，當(dāng)三棱鏡的AB面垂直于望眼鏡時，調(diào)節(jié)B2螺釘）使差距減少一半，再轉(zhuǎn)動載物臺使望遠鏡垂直于三棱鏡的另一光學(xué)面（AC面），當(dāng)AC面正對望眼鏡時，因為AB面與B1、B2的連線垂直，所以B1、B2不動，調(diào)節(jié)螺絲B3。采用上述同樣的方法進行“各半法調(diào)節(jié)”，如此重復(fù)多次，直至轉(zhuǎn)動載物臺時，無論哪個光學(xué)面垂直于望遠鏡時，都能從目鏡視場中看到亮十字像的橫像都能與分劃板上方的水平準(zhǔn)線重合為止。至此，望遠鏡光軸和分光計的主軸相互垂直。接著將CCD攝像機安裝在一維磁性底座上，調(diào)節(jié)升降手輪使CCD攝像機鏡頭與望眼鏡高度一致，并使CCD攝像機鏡頭對準(zhǔn)望眼鏡目鏡且相距1cm左右。然后調(diào)節(jié)CCD調(diào)焦旋鈕，使在監(jiān)視器中看到清晰的十字叉絲像和分劃板刻線。當(dāng)在監(jiān)視器能看到清晰的十字像和分劃板刻線時，即可進行實驗測量數(shù)據(jù)。

4 總結(jié)

基于傳統(tǒng)的分光計實驗中出現(xiàn)的問題，對分光計實驗裝置進行改進，在原來實驗裝置上增加了CCD圖像采集和監(jiān)視器設(shè)備，同時在望眼鏡、平行管上各安裝一條形水平儀，在載物臺上安裝一萬向水平儀。改裝后的分光計，一方面，能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)整望遠鏡光軸與分光計中心軸垂直，另一方面，擴大了視野范圍，具備了降低實驗過程中用眼疲勞的作用。解決了用目測法調(diào)節(jié)載物臺水平及望眼鏡光軸水平較為困難的問題，以及降低了分光計調(diào)平的難度，解決了因分光計調(diào)節(jié)復(fù)雜而引起的上課不容易講解的問題，改善了實驗教學(xué)的效果。改進后的分光計對調(diào)整和使用其他光學(xué)儀器具有較好的指導(dǎo)意義，且分光計實驗在大學(xué)物理實驗中應(yīng)用十分廣泛，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)生實驗效果有深刻意義。通過對實驗儀器的稍加改進就能提高實驗效果也對其他物理創(chuàng)新實驗有借鑒意義。

[1]鐘克華，鐘志榮.分光計實驗教學(xué)中的體會[J].大學(xué)物理實驗,2010,23(6)：44-49.

[2]王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津：天津出版社,2000：30-32.

[3]陳紅,張偉森,王德軍,等.分光計實驗研究[J].長春大學(xué)學(xué)報，2006,16(4)：23-25.

[4]朱宏娜.CCD技術(shù)在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理實驗，2011,15(8)：138-140.

[5]付麗萍.大學(xué)物理實驗[M].廈門：廈門大學(xué)出版社，2015：142-144.

[6]樊俊義,王景衡.分光計調(diào)節(jié)技巧介紹[J].實驗室科學(xué),2011,14(1)：168-169.

On Design Improvements of Spectrometer Device

LIN Er-mei
(Minnan University of Science and Technology, Shishi Fujian, 362700)

The main problems of spectrometer adjustment are introduced in this paper,and improvements are put forward as follows：modification of spectrometer,sight glasses equipped with CCD system,adding bar level meter to telescope and collimator,installment of universal level instrument on the stage.The improved spectrometer has simpler structure,higher measuring precision,which is easy to operate.As an innovation to the instrument adjustment,it can shorten the time of spectrometer adjustment.

CCD system;spectrometer;level;improvement

TN02

A

1674-0874(2017)06-0037-03

2017-05-19

林二妹(1983-)，女，福建漳州人，實驗師，研究方向：光電技術(shù)。

〔責(zé)任編輯 高彩云〕