分光仪实验装置的改造设计

郑亚玉

(闽南理工学院，福建 石狮 362700)

原分光仪实验装置，因设备购置时间为2000年，其成像系统利用的成像技术较为落后，存在调节难，成像效果差的缺陷.而且其发光部件采用的是发光小灯泡，功率大而且亮度暗，使用寿命短，需经常更换.

更新改造后的分光仪实验装置，可用于我院理工科专业学生开设的分光仪测三棱镜折射率、分光仪测三棱镜顶角、分光仪测三棱镜最小偏向角、用入射法测定液体折射率、偏振现象的观察与分析、用透射光栅测定光波波长等多个光学实验项目.改造后装置清晰度高，观察简单，调节容易，可极大的提高大学物理在光学方面的实验教学质量，提高实验设备的配置率，提高实验项目的开出率.同时本改造项目具有较高经济效益，与重新购买相近设备相比可节省80%资金.

1 整体设计

1.1 达到目标

本项目目前已成功改造一台分光仪，改造后成像系统放大倍数达到7X，成像清晰，调节容易，安全性高，仪器性能稳定；照明与旧仪器装置相比，功耗小、亮度高、寿命长.由于能充分利用原有旧设备可利用部分，并且购买国家统一标准配件，因此新旧部分的装配标准能达到国家标准.

图1 成像系统光路图

1.2 总体成像

成像系统由物镜、目镜、分划板和照明系统等组成，如图1所示物镜装在镜筒的一端，目镜装在另一端的套筒中，目镜是一个复合目镜，由场景和接目镜组成.在目镜的焦平面附近装有分划板，分划板固定在目镜套筒中.旋转目镜适度调节手轮可以改变目镜到分划板的距离.目镜套筒可沿光轴前后移动，使分划板准确位于物镜焦平面上，即将成像系统调焦于无穷远.分划板上刻有“十”型的分划线.分划板的下方一侧粘有一块45°全反射小棱镜，小棱镜紧靠分划板下端的一面被涂黑，并刻有透光“十”型小十字叉丝.目镜套筒的下方是照明系统.照明系统的二极管发出绿色的光由孔射入棱镜，可将透光小十字叉丝照亮，当分划板位于物镜焦平面上时，透光小十字叉丝相当于物镜焦平面上的发光物，它所发出的光经过物镜后成为平行光.此时，若在物镜前方放一垂直于成像系统光轴的平面反射镜，则反射回的平行光会在物镜焦平面上成像，且叉丝像正好位于分划线的上方交点位置处.此时从目镜中可以清晰地看到绿色的小十字叉丝的反射像.反射的小十字叉丝像与透光小十字叉丝上下对称.

2 各功能部分的具体实现

2.1 照明功能的设计

因LED发光二级管具有使用寿命长，低耗能的特点.所以采用LED发光二级管进行照明电路的设计，具体电路图如图2，根据人的眼睛对绿光较为敏感的特性选用了能发出绿光的白色LED发光二级管，有利于观察者观察.为了对发光二极管进行保护，经过实验不断验证，最终选用R值为5.1K的电阻进行串联，既能保障电路和二极管的安全，又使二极管的光亮度达到最大.预留了电源插座方便通过变压器变压后接入6V的电源，这样电路与220V电源分离，学生使用时就不会接触到220V电压，使用非常安全.

在设计完成电路原理图后，利用Protel99SE软件将电路原理图制成PCB版.

图2 成像系统提供光源的电路原理图

2.2 成像功能部分的选择

成像功能部分有两种选择，一种是高斯目镜，一种是阿贝目镜，由于高斯目镜的最终成像会使反射像和十字叉丝重合在一起，使学生不容易认清，看起来不直观(高斯成像图如图3).而采用阿贝目镜最终的调节结果：像是两者上下分离且对称.所以成像的功能目镜部分采用阿贝目镜.(如图4)

图3 高斯成像图

图4 阿贝式成像光路图

3 研究成果

图5为最终的成像效果图.从目镜中可以清晰地看到绿色的小十字叉丝的反射像.反射的小十字叉丝像与透光小十字叉丝上下对称.此时十字叉丝像为反射回的平行光汇聚在物镜焦平面上成像，且叉丝像正好位于分划线的上方交点位置处.

图6为改造完照明部分电路的实物照片.图7为改造完的成像系统外观图，外接6V电源，安全系数高，由于相关配件购买的是通用的外壳配件，因此外观的尺寸标准符合国标，并且可与旧设备进行匹配，同时为分光计配上了发光二极管及放大镜，方便在黑暗中做实验时进行照明读数.

图6 照明电路成品图

图7 成像系统外观成品图

参考文献：

[1]邓金祥，刘国庆.大学物理实验[M].北京：北京工业大学出版社，2005(2)：101-105.

[2]江苏师范学院物理系.普通物理实验[M].河北：高等教育出版社，1983(10)：60-63.

[3]袁辉.趣味电子小制作[M].天津：天津科技翻译出版公司，2009(05)：50-52.

[4]张兆奎，缪连元，张立. 大学物理实验[M].北京：高等教育出版社，2002：91-100.