分光儀實驗裝置的改造設計

鄭亞玉

(閩南理工學院，福建 石獅 362700)

原分光儀實驗裝置，因設備購置時間為2000年，其成像系統利用的成像技術較為落后，存在調節難，成像效果差的缺陷.而且其發光部件采用的是發光小燈泡，功率大而且亮度暗，使用壽命短，需經常更換.

更新改造后的分光儀實驗裝置，可用于我院理工科專業學生開設的分光儀測三棱鏡折射率、分光儀測三棱鏡頂角、分光儀測三棱鏡最小偏向角、用入射法測定液體折射率、偏振現象的觀察與分析、用透射光柵測定光波波長等多個光學實驗項目.改造后裝置清晰度高，觀察簡單，調節容易，可極大的提高大學物理在光學方面的實驗教學質量，提高實驗設備的配置率，提高實驗項目的開出率.同時本改造項目具有較高經濟效益，與重新購買相近設備相比可節省80%資金.

1 整體設計

1.1 達到目標

本項目目前已成功改造一臺分光儀，改造后成像系統放大倍數達到7X，成像清晰，調節容易，安全性高，儀器性能穩定；照明與舊儀器裝置相比，功耗小、亮度高、壽命長.由于能充分利用原有舊設備可利用部分，并且購買國家統一標準配件，因此新舊部分的裝配標準能達到國家標準.

圖1 成像系統光路圖

1.2 總體成像

成像系統由物鏡、目鏡、分劃板和照明系統等組成，如圖1所示物鏡裝在鏡筒的一端，目鏡裝在另一端的套筒中，目鏡是一個復合目鏡，由場景和接目鏡組成.在目鏡的焦平面附近裝有分劃板，分劃板固定在目鏡套筒中.旋轉目鏡適度調節手輪可以改變目鏡到分劃板的距離.目鏡套筒可沿光軸前后移動，使分劃板準確位于物鏡焦平面上，即將成像系統調焦于無窮遠.分劃板上刻有“十”型的分劃線.分劃板的下方一側粘有一塊45°全反射小棱鏡，小棱鏡緊靠分劃板下端的一面被涂黑，并刻有透光“十”型小十字叉絲.目鏡套筒的下方是照明系統.照明系統的二極管發出綠色的光由孔射入棱鏡，可將透光小十字叉絲照亮，當分劃板位于物鏡焦平面上時，透光小十字叉絲相當于物鏡焦平面上的發光物，它所發出的光經過物鏡后成為平行光.此時，若在物鏡前方放一垂直于成像系統光軸的平面反射鏡，則反射回的平行光會在物鏡焦平面上成像，且叉絲像正好位于分劃線的上方交點位置處.此時從目鏡中可以清晰地看到綠色的小十字叉絲的反射像.反射的小十字叉絲像與透光小十字叉絲上下對稱.

2 各功能部分的具體實現

2.1 照明功能的設計

因LED發光二級管具有使用壽命長，低耗能的特點.所以采用LED發光二級管進行照明電路的設計，具體電路圖如圖2，根據人的眼睛對綠光較為敏感的特性選用了能發出綠光的白色LED發光二級管，有利于觀察者觀察.為了對發光二極管進行保護，經過實驗不斷驗證，最終選用R值為5.1K的電阻進行串聯，既能保障電路和二極管的安全，又使二極管的光亮度達到最大.預留了電源插座方便通過變壓器變壓后接入6V的電源，這樣電路與220V電源分離，學生使用時就不會接觸到220V電壓，使用非常安全.

在設計完成電路原理圖后，利用Protel99SE軟件將電路原理圖制成PCB版.

圖2 成像系統提供光源的電路原理圖

2.2 成像功能部分的選擇

成像功能部分有兩種選擇，一種是高斯目鏡，一種是阿貝目鏡，由于高斯目鏡的最終成像會使反射像和十字叉絲重合在一起，使學生不容易認清，看起來不直觀(高斯成像圖如圖3).而采用阿貝目鏡最終的調節結果：像是兩者上下分離且對稱.所以成像的功能目鏡部分采用阿貝目鏡.(如圖4)

圖3 高斯成像圖

圖4 阿貝式成像光路圖

3 研究成果

圖5為最終的成像效果圖.從目鏡中可以清晰地看到綠色的小十字叉絲的反射像.反射的小十字叉絲像與透光小十字叉絲上下對稱.此時十字叉絲像為反射回的平行光匯聚在物鏡焦平面上成像，且叉絲像正好位于分劃線的上方交點位置處.

圖6為改造完照明部分電路的實物照片.圖7為改造完的成像系統外觀圖，外接6V電源，安全系數高，由于相關配件購買的是通用的外殼配件，因此外觀的尺寸標準符合國標，并且可與舊設備進行匹配，同時為分光計配上了發光二極管及放大鏡，方便在黑暗中做實驗時進行照明讀數.

圖6 照明電路成品圖

圖7 成像系統外觀成品圖

參考文獻：

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