分光儀實(shí)驗(yàn)裝置的改造設(shè)計(jì)

鄭亞玉

(閩南理工學(xué)院，福建 石獅 362700)

原分光儀實(shí)驗(yàn)裝置，因設(shè)備購置時(shí)間為2000年，其成像系統(tǒng)利用的成像技術(shù)較為落后，存在調(diào)節(jié)難，成像效果差的缺陷.而且其發(fā)光部件采用的是發(fā)光小燈泡，功率大而且亮度暗，使用壽命短，需經(jīng)常更換.

更新改造后的分光儀實(shí)驗(yàn)裝置，可用于我院理工科專業(yè)學(xué)生開設(shè)的分光儀測(cè)三棱鏡折射率、分光儀測(cè)三棱鏡頂角、分光儀測(cè)三棱鏡最小偏向角、用入射法測(cè)定液體折射率、偏振現(xiàn)象的觀察與分析、用透射光柵測(cè)定光波波長(zhǎng)等多個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.改造后裝置清晰度高，觀察簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)容易，可極大的提高大學(xué)物理在光學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的配置率，提高實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開出率.同時(shí)本改造項(xiàng)目具有較高經(jīng)濟(jì)效益，與重新購買相近設(shè)備相比可節(jié)省80%資金.

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 達(dá)到目標(biāo)

本項(xiàng)目目前已成功改造一臺(tái)分光儀，改造后成像系統(tǒng)放大倍數(shù)達(dá)到7X，成像清晰，調(diào)節(jié)容易，安全性高，儀器性能穩(wěn)定；照明與舊儀器裝置相比，功耗小、亮度高、壽命長(zhǎng).由于能充分利用原有舊設(shè)備可利用部分，并且購買國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)配件，因此新舊部分的裝配標(biāo)準(zhǔn)能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).

圖1 成像系統(tǒng)光路圖

1.2 總體成像

成像系統(tǒng)由物鏡、目鏡、分劃板和照明系統(tǒng)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(gè)復(fù)合目鏡，由場(chǎng)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(zhuǎn)目鏡適度調(diào)節(jié)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(dòng)，使分劃板準(zhǔn)確位于物鏡焦平面上，即將成像系統(tǒng)調(diào)焦于無窮遠(yuǎn).分劃板上刻有“十”型的分劃線.分劃板的下方一側(cè)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(tǒng).照明系統(tǒng)的二極管發(fā)出綠色的光由孔射入棱鏡，可將透光小十字叉絲照亮，當(dāng)分劃板位于物鏡焦平面上時(shí)，透光小十字叉絲相當(dāng)于物鏡焦平面上的發(fā)光物，它所發(fā)出的光經(jīng)過物鏡后成為平行光.此時(shí)，若在物鏡前方放一垂直于成像系統(tǒng)光軸的平面反射鏡，則反射回的平行光會(huì)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(diǎn)位置處.此時(shí)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(duì)稱.

2 各功能部分的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 照明功能的設(shè)計(jì)

因LED發(fā)光二級(jí)管具有使用壽命長(zhǎng)，低耗能的特點(diǎn).所以采用LED發(fā)光二級(jí)管進(jìn)行照明電路的設(shè)計(jì)，具體電路圖如圖2，根據(jù)人的眼睛對(duì)綠光較為敏感的特性選用了能發(fā)出綠光的白色LED發(fā)光二級(jí)管，有利于觀察者觀察.為了對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行保護(hù)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)不斷驗(yàn)證，最終選用R值為5.1K的電阻進(jìn)行串聯(lián)，既能保障電路和二極管的安全，又使二極管的光亮度達(dá)到最大.預(yù)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(xué)生使用時(shí)就不會(huì)接觸到220V電壓，使用非常安全.

在設(shè)計(jì)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(tǒng)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(huì)使反射像和十字叉絲重合在一起，使學(xué)生不容易認(rèn)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(diào)節(jié)結(jié)果：像是兩者上下分離且對(duì)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(duì)稱.此時(shí)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(diǎn)位置處.

圖6為改造完照明部分電路的實(shí)物照片.圖7為改造完的成像系統(tǒng)外觀圖，外接6V電源，安全系數(shù)高，由于相關(guān)配件購買的是通用的外殼配件，因此外觀的尺寸標(biāo)準(zhǔn)符合國(guó)標(biāo)，并且可與舊設(shè)備進(jìn)行匹配，同時(shí)為分光計(jì)配上了發(fā)光二極管及放大鏡，方便在黑暗中做實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行照明讀數(shù).

圖6 照明電路成品圖

圖7 成像系統(tǒng)外觀成品圖

參考文獻(xiàn)：

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