分光計電子顯示系統(tǒng)的研制

王素紅，張 巖

（信息工程大學，河南 鄭州 450001）

分光計是大學物理實驗很重要的一種精密測量角度的儀器。因其結果復雜，調節(jié)困難，使許多實驗教師不斷探索調節(jié)方法、總結快速調節(jié)經驗，并對分光計調節(jié)過程中出現(xiàn)的故障進行過系統(tǒng)的分析，都收到了較好的效果[1－2]。

然而，這些方法都沒有從根本上解決問題。把現(xiàn)代科技應用于物理實驗教學中，自行研制了CCD電子顯示系統(tǒng)，完全解決了分光計多年來一直存在的問題，使實驗操作直觀方便，降低了實驗難度，提高了學生實驗興趣，收到了很好的教學效果。

因在分光計上可進行很多物理量的測量，如：三棱鏡頂角的測量、玻璃折射率的測量、光的色散的觀測、利用光柵衍射測量波長、光的偏振的研究等，因此對該系統(tǒng)要求不僅分辨率要高，而且還要彩色。該系統(tǒng)解決了一些廠家不能解決的問題。

1 CCD的工作原理

CCD是電荷耦合器件的簡稱，他的主要特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數以電流或電壓為信號。他具有光電轉換、信息存儲和傳輸等功能，具有集成度高、功耗小、結構簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，所以在固體圖像傳感器、信息存儲和處理等方面得到了廣泛的應用。因固體圖像傳感器能實現(xiàn)信息的獲取、轉換和視覺功能的擴展，能廣泛應用于軍事、天文、醫(yī)療、工業(yè)檢測及自動化控制系統(tǒng)。

CCD的基本結構是MOS電容器：CCD器件受光照后，光子被半導體吸收，產生電子－空穴對。這時，多數載流子（空穴）流入硅襯底內，而少數載流子（電子）被吸收，存儲在較深的勢阱中，形成“電荷包”。光強越強，勢阱中收集的電子越多；光強越弱，勢阱中的電子越少。因此勢阱中電子的多少就反映像的明暗程度，從而實現(xiàn)了光與電之間的轉換。

利用CCD的光電轉換和電荷轉移功能可制成CCD圖像傳感器，其原理為：光學成像系統(tǒng)將被攝的圖像成在CCD的光敏面上，在每一個光敏單元的勢阱中存儲與圖像照度成正比的光生信號電荷，完成了光電轉換和電荷的積累。然后，轉移到CCD的移位寄存器中，在驅動脈沖的作用下有順序轉移和輸出，成為視頻信號。

在物理實驗中，主要采取CCD攝像機與顯示器配套使用，對較難讀取的光學信號進行讀取、放大并顯示出來，并將圖文顯示在屏幕上。

2 CCD電子顯示系統(tǒng)的組成及配置

分光計電子顯示系統(tǒng)有的廠家有售，但是他們的產品價格太高，結構太復雜，而且還是配備的黑白CCD和黑白監(jiān)視器，這樣就不能利用分光計進行光柵衍射實驗。

根據多年的實踐經驗，制作了彩色CCD電子顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)結構簡單，價格合理，使用方便。其主要組成有：CCD（型號 VH1366或WAT202B，DC8－12V／200mA），光學鏡頭（SE0813N1：8mm，F(xiàn)1.8），CCD電源（型號：JK120 800，In：220VAC，16VA；Out：12VDC，1 000mA），彩色監(jiān)視器，信號線。

結合實驗所使用的分光計，我們把CCD固定在分光計望遠鏡的目鏡上，為此，我們自制并加工了CCD固定支架，其示意圖如圖所示。

3 概算及預期效果

圖1 CCD固定支架

圖中，（1）可將支架固定在望遠鏡的鏡筒上，（2）是連接（1）和（3）的連接桿，（3）是一個活動件，用來固定（4），（4）固定在（3）上，作用是固定CCD，CCD的物鏡和望遠鏡的目鏡緊密連接。這種連接方式簡潔，調節(jié)也方便，結構簡單，便于加工。

這臺CCD電子顯示系統(tǒng)概算如下：高分辨率的彩色CCD價格在400元左右，物鏡價格在200元左右，12V電源20元，液晶顯示器1 000元左右，支架每套總100元，這樣給一臺分光計配齊這套系統(tǒng)不足2 000元。而從廠家購置一套黑白CCD電子顯示系統(tǒng)要將近5 000元（還不含顯示器）。

在分光計上配備了CCD電子顯示系統(tǒng)，不但學生操作方便直觀，不再為操作時間久了頭疼眼睛不舒服的感覺，而且老師上課也輕松多了，每個學生的問題一目了然?？赡艹霈F(xiàn)的故障利用顯示系統(tǒng)告訴學生，讓學生自動排除故障。在此基礎上，在分光計上還可開設創(chuàng)新實驗研究，如：可以進行微小長度的測量、偏振光的研究、角度測量、三棱鏡折射率測量、玻璃折射率的測量等。拓寬了學生的知識面，收到了很好的教學效果。

[1]梁楓，等.分光計快速調節(jié)的方法[J].大學物理實驗，2012（1）：35－38.

[2]吳利華，等.分光計的分光計的分量調節(jié)[J].大學物理實驗，2011（4）：37－40.