林二妹

（闽南理工学院，福建石狮362700）

分光计装置改进设计

林二妹

（闽南理工学院，福建石狮362700）

介绍了分光计调节中常出现的问题，提出对分光计进行改装，分别在望远镜目镜前加装CCD系统，在望远镜和平行光管上添加条形水平仪，在载物台上安装万向水平仪。改进后的分光计结构更简单、测量精度更高，操作方便，对仪器的调节也具有一定的创新性，缩短了分光计的调整时间。

CCD系统；分光计；水平仪；改进

1 改进分光计设计的现状研究

1.1 分光计装置改进的意义

分光计，是一种分光和精确测量角度的光学仪器，在光学仪器中具有一定的代表性，被广泛应用于大学物理光学实验中。其基本原理是，让光线通过狭缝和聚焦透镜形成一束平行光线，经过光学元件的反射或折射后进入望远镜物镜并成像在望远镜的焦平面上，通过目镜进行观察和测量各种光线的偏转角度，从而得到光学参量。例如用分光计测量三棱镜的折射率、用衍射光栅测量光波波长等。而在使用分光计测量前要对它仔细调节，调节望远镜轴线与载物台转轴的垂直、望远镜轴线与平行光管轴线的平行的调节。而且在实验过程中调节望远镜轴线与载物台转轴垂直是比较困难的，在实验课过程中，指导教师都想演示一下仪器的调节过程，让学生观察调节中出现的现象，由于仪器的协同调节与实验现象的观察都只能通过望远镜来实现。而望远镜用于观察的视野很小，在教学示范、演示过程中受到很大的局限性。另外，由于实验现代技术含量低，缺乏直观的生动性，学生感觉内容较枯燥，对实验缺乏兴趣。另外，由于整个调节过程都要用眼睛对着望眼镜进行观察现象，这就容易使眼睛感觉疲劳。因此本文结合CCD技术对分光计进行改造，在分光计的基础上再设计添加CCD成像系统，将CCD的镜头对准望眼镜的目镜，通过CCD采集目镜中的光学信号，并将光学信号转化为电信号传输到显示屏，增加了实验的形象直观性。改造后的分光计不仅能能进一步激发学生学习的兴趣，同时可供多人观察实验调节现象，不用眼睛直接观看分光计使眼睛得以解放，不会因为长时间的观察而使眼睛产生视觉疲劳，减少了对眼睛的伤害，用于演示实验教学内容，更易于学生理解和接受。另外，添加水准仪使学生能更好的掌握分光计的粗调。

1.2 分光计调节存在的问题及其分析

结合多年的教学经验，总结出在上课中分光计调节常出现的问题，主要有以下几点的问题：

（1）分光计结构较为复杂，实验中要调整的螺钉较多，且一个螺钉稍微调节不当，就有可能使实验不成功，调节要求较高，学生常常不能再规定的时间内完成实验。

（2）在调节望眼镜轴线与载物台转轴的垂直步骤时，反射回的十字叉像高度的光路分析在教材中并无测及，学生只能慢慢摸索调节找规律，这就需要较长的时间。

（3）实验现象的观察都是通过望眼镜来实现，望眼镜目镜视场范围狭窄，长时间的观察容易导致视觉疲劳，同时老师要示范教学过程也受到了很大的限制，整个分光计调节难度较大的根源也是由于望眼镜的视场过小。

（4）分光计的调节首先要进行粗调，粗调的理想效果是平面镜的两个面无论哪个面正对望远镜时，都能在望远镜的目镜中观察到反射回来的十字叉丝像。然而很多学生在实验时都忽略了对分光计进行目测粗调，实验一开始就直接进入细调，对着望远镜目镜筒观察反射回来的十字叉丝像。或者学生进行粗调时，由于粗调是用眼睛观察，学生在观察望远镜、载物台、平行光管是否水平时，只是一个大致的结果，没有参照物作为标准，调节达不到理想的效果。

总之，分光计调节难度较大的原因一方面在于望眼镜目镜视场过小，容易产生视觉疲劳；另一方面是由于在粗调时缺少参考物，只能靠目测进行调节，这就使学生不能很好的完成实验。

2 分光计装置改进方案

结合上述中提到分光计调节出现的问题，我们也一直在探索一种简单、快捷且能充分体现教学意图的方法，为了解决上述中提到的由于望眼镜目镜视场过小，容易产生视觉疲劳，老师的示范教学过程也受到了很大的限制这一问题。我们采用结合CCD摄像技术的基本原理，通过在望眼镜目镜后设置添加CCD摄相机和监视器，用视频线将CCD与监视器相联，构成带有CCD摄像系统的分光计。通过CCD采集望远镜内的光学图像，然后通过视频线将光学信号转化为电信号传输到监视器，供实验者观察，扩大了视野，克服了直接用望眼镜目镜观察的困难，改善了学生在实验中用眼疲劳，同时消除了望眼镜目镜视场的限制，便于教师演示实验过程。在实验过程中为了便于调节CCD的高度，设置了将CCD摄像机安装在一维的磁性底座上，便于调节高度使其与望远镜保持同一高度。

另一方面，针对在粗调时由于缺少参考物，只能靠目测来观察望眼镜、平行光管、载物台是否水平，常出现学生不能很好的把握好粗调使细调无法进行。为了解决这一问题，我们根据望远镜、平行光管、载物台的结构出发，分别在望远镜镜筒、平行光管上各安装一个条形水准仪，在载物台上安装一个万向水平仪。使学生在调节过程中可借助水平仪对望眼镜、平行光管、载物台进行水平调节，通过观察水平仪是否水平就可知粗调有没调好，可降低粗调的难度，提高粗调的精度，细调时就能较顺利找到绿色十字叉丝反射像。

3 改装后仪器的调整步骤

3.1 对望眼镜调焦

首先对目镜调焦，转动目镜视度调焦手轮对目镜调焦，使眼睛通过目镜能清晰的看到分划板刻线和十字光标。

物镜调焦，将光学元件的一光学面贴在物镜端上，前后移动目镜套管，使绿色十字叉丝像清晰。

3.2 粗调

借助万向水平仪和条形水平仪将载物台、望远镜和平行光管基本调至水平。根据望远镜及载物台上的水准仪的位置，调节望远镜和平行光管的高低调节螺丝，使望远镜和平行光管上的水平仪中的水准泡处于中央位置，再调节载物台下面的三个调节螺丝，使载物台上水准仪的水准泡也处于中央位置，经过粗调，望远镜、载物台台面、平行光管这三者都大致水平，此时它们也与分光计的主轴大致垂直。接下来将光学元件（三棱镜、双平面镜）放在载物台上，按图1所示将三棱镜放在载物台上，即使三棱镜ABC的三个面分别与载物台下面的三个螺丝的连线两两垂直。转动载物台使AB面（三棱镜其中一光学面）正对望远镜，使望远镜垂直于三棱镜的光学面，观察望远镜的目镜看是否能看到由光学面反射回来的十字像。再转动载物台使三棱镜的另一光学面垂直于望眼镜，同样观察是否能看到十字光标反射回来的十字像。当无论以三棱镜的哪个光学面与望眼镜垂直时，均能从目镜视场中观察到反射回来的十字像时，此时，说明粗调完成，接下来采用“各半调节法”进行细调。

3.3 利用“各半调整法”对仪器进行细调

图1 三棱镜的放置

采用“各半调整法”对分光计进行细调。具体做法是当三棱镜的一个光学面垂直于望眼镜时，从目镜视场中观察的反射十字像与分划板上十字交叉点相差距离h时，此时，调节望远镜高低调节螺丝和载物台下面的螺丝（注：如图1放置三棱镜，当三棱镜的AB面垂直于望眼镜时，调节B2螺钉）使差距减少一半，再转动载物台使望远镜垂直于三棱镜的另一光学面（AC面），当AC面正对望眼镜时，因为AB面与B1、B2的连线垂直，所以B1、B2不动，调节螺丝B3。采用上述同样的方法进行“各半法调节”，如此重复多次，直至转动载物台时，无论哪个光学面垂直于望远镜时，都能从目镜视场中看到亮十字像的横像都能与分划板上方的水平准线重合为止。至此，望远镜光轴和分光计的主轴相互垂直。接着将CCD摄像机安装在一维磁性底座上，调节升降手轮使CCD摄像机镜头与望眼镜高度一致，并使CCD摄像机镜头对准望眼镜目镜且相距1cm左右。然后调节CCD调焦旋钮，使在监视器中看到清晰的十字叉丝像和分划板刻线。当在监视器能看到清晰的十字像和分划板刻线时，即可进行实验测量数据。

4 总结

基于传统的分光计实验中出现的问题，对分光计实验装置进行改进，在原来实验装置上增加了CCD图像采集和监视器设备，同时在望眼镜、平行管上各安装一条形水平仪，在载物台上安装一万向水平仪。改装后的分光计，一方面，能够实现快速调整望远镜光轴与分光计中心轴垂直，另一方面，扩大了视野范围，具备了降低实验过程中用眼疲劳的作用。解决了用目测法调节载物台水平及望眼镜光轴水平较为困难的问题，以及降低了分光计调平的难度，解决了因分光计调节复杂而引起的上课不容易讲解的问题，改善了实验教学的效果。改进后的分光计对调整和使用其他光学仪器具有较好的指导意义，且分光计实验在大学物理实验中应用十分广泛，对提高学生学习兴趣、学生实验效果有深刻意义。通过对实验仪器的稍加改进就能提高实验效果也对其他物理创新实验有借鉴意义。

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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，实验师，研究方向：光电技术。

〔责任编辑 高彩云〕