分光計裝置改進設計

林二妹

（閩南理工學院，福建石獅362700）

分光計裝置改進設計

林二妹

（閩南理工學院，福建石獅362700）

介紹了分光計調節中常出現的問題，提出對分光計進行改裝，分別在望遠鏡目鏡前加裝CCD系統，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。改進后的分光計結構更簡單、測量精度更高，操作方便，對儀器的調節也具有一定的創新性，縮短了分光計的調整時間。

CCD系統；分光計；水平儀；改進

1 改進分光計設計的現狀研究

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儀器，在光學儀器中具有一定的代表性，被廣泛應用于大學物理光學實驗中。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，經過光學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角度，從而得到光學參量。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節，調節望遠鏡軸線與載物臺轉軸的垂直、望遠鏡軸線與平行光管軸線的平行的調節。而且在實驗過程中調節望遠鏡軸線與載物臺轉軸垂直是比較困難的，在實驗課過程中，指導教師都想演示一下儀器的調節過程，讓學生觀察調節中出現的現象，由于儀器的協同調節與實驗現象的觀察都只能通過望遠鏡來實現。而望遠鏡用于觀察的視野很小，在教學示范、演示過程中受到很大的局限性。另外，由于實驗現代技術含量低，缺乏直觀的生動性，學生感覺內容較枯燥，對實驗缺乏興趣。另外，由于整個調節過程都要用眼睛對著望眼鏡進行觀察現象，這就容易使眼睛感覺疲勞。因此本文結合CCD技術對分光計進行改造，在分光計的基礎上再設計添加CCD成像系統，將CCD的鏡頭對準望眼鏡的目鏡，通過CCD采集目鏡中的光學信號，并將光學信號轉化為電信號傳輸到顯示屏，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學生學習的興趣，同時可供多人觀察實驗調節現象，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生視覺疲勞，減少了對眼睛的傷害，用于演示實驗教學內容，更易于學生理解和接受。另外，添加水準儀使學生能更好的掌握分光計的粗調。

1.2 分光計調節存在的問題及其分析

結合多年的教學經驗，總結出在上課中分光計調節常出現的問題，主要有以下幾點的問題：

（1）分光計結構較為復雜，實驗中要調整的螺釘較多，且一個螺釘稍微調節不當，就有可能使實驗不成功，調節要求較高，學生常常不能再規定的時間內完成實驗。

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

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

（4）分光計的調節首先要進行粗調，粗調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。然而很多學生在實驗時都忽略了對分光計進行目測粗調，實驗一開始就直接進入細調，對著望遠鏡目鏡筒觀察反射回來的十字叉絲像。或者學生進行粗調時，由于粗調是用眼睛觀察，學生在觀察望遠鏡、載物臺、平行光管是否水平時，只是一個大致的結果，沒有參照物作為標準，調節達不到理想的效果。

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

2 分光計裝置改進方案

結合上述中提到分光計調節出現的問題，我們也一直在探索一種簡單、快捷且能充分體現教學意圖的方法，為了解決上述中提到的由于望眼鏡目鏡視場過小，容易產生視覺疲勞，老師的示范教學過程也受到了很大的限制這一問題。我們采用結合CCD攝像技術的基本原理，通過在望眼鏡目鏡后設置添加CCD攝相機和監視器，用視頻線將CCD與監視器相聯，構成帶有CCD攝像系統的分光計。通過CCD采集望遠鏡內的光學圖像，然后通過視頻線將光學信號轉化為電信號傳輸到監視器，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節CCD的高度，設置了將CCD攝像機安裝在一維的磁性底座上，便于調節高度使其與望遠鏡保持同一高度。

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

3 改裝后儀器的調整步驟

3.1 對望眼鏡調焦

首先對目鏡調焦，轉動目鏡視度調焦手輪對目鏡調焦，使眼睛通過目鏡能清晰的看到分劃板刻線和十字光標。

物鏡調焦，將光學元件的一光學面貼在物鏡端上，前后移動目鏡套管，使綠色十字叉絲像清晰。

3.2 粗調

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至水平。根據望遠鏡及載物臺上的水準儀的位置，調節望遠鏡和平行光管的高低調節螺絲，使望遠鏡和平行光管上的水平儀中的水準泡處于中央位置，再調節載物臺下面的三個調節螺絲，使載物臺上水準儀的水準泡也處于中央位置，經過粗調，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。轉動載物臺使AB面（三棱鏡其中一光學面）正對望遠鏡，使望遠鏡垂直于三棱鏡的光學面，觀察望遠鏡的目鏡看是否能看到由光學面反射回來的十字像。再轉動載物臺使三棱鏡的另一光學面垂直于望眼鏡，同樣觀察是否能看到十字光標反射回來的十字像。當無論以三棱鏡的哪個光學面與望眼鏡垂直時，均能從目鏡視場中觀察到反射回來的十字像時，此時，說明粗調完成，接下來采用“各半調節法”進行細調。

3.3 利用“各半調整法”對儀器進行細調

圖1 三棱鏡的放置

采用“各半調整法”對分光計進行細調。具體做法是當三棱鏡的一個光學面垂直于望眼鏡時，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，調節望遠鏡高低調節螺絲和載物臺下面的螺絲（注：如圖1放置三棱鏡，當三棱鏡的AB面垂直于望眼鏡時，調節B2螺釘）使差距減少一半，再轉動載物臺使望遠鏡垂直于三棱鏡的另一光學面（AC面），當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，調節螺絲B3。采用上述同樣的方法進行“各半法調節”，如此重復多次，直至轉動載物臺時，無論哪個光學面垂直于望遠鏡時，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，調節升降手輪使CCD攝像機鏡頭與望眼鏡高度一致，并使CCD攝像機鏡頭對準望眼鏡目鏡且相距1cm左右。然后調節CCD調焦旋鈕，使在監視器中看到清晰的十字叉絲像和分劃板刻線。當在監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據。

4 總結

基于傳統的分光計實驗中出現的問題，對分光計實驗裝置進行改進，在原來實驗裝置上增加了CCD圖像采集和監視器設備，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，能夠實現快速調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。解決了用目測法調節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平的難度，解決了因分光計調節復雜而引起的上課不容易講解的問題，改善了實驗教學的效果。改進后的分光計對調整和使用其他光學儀器具有較好的指導意義，且分光計實驗在大學物理實驗中應用十分廣泛，對提高學生學習興趣、學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新實驗有借鑒意義。

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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。

〔責任編輯 高彩云〕