分光计电子显示系统的研制

王素红，张 岩

（信息工程大学，河南 郑州 450001）

分光计是大学物理实验很重要的一种精密测量角度的仪器。因其结果复杂，调节困难，使许多实验教师不断探索调节方法、总结快速调节经验，并对分光计调节过程中出现的故障进行过系统的分析，都收到了较好的效果[1－2]。

然而，这些方法都没有从根本上解决问题。把现代科技应用于物理实验教学中，自行研制了CCD电子显示系统，完全解决了分光计多年来一直存在的问题，使实验操作直观方便，降低了实验难度，提高了学生实验兴趣，收到了很好的教学效果。

因在分光计上可进行很多物理量的测量，如：三棱镜顶角的测量、玻璃折射率的测量、光的色散的观测、利用光栅衍射测量波长、光的偏振的研究等，因此对该系统要求不仅分辨率要高，而且还要彩色。该系统解决了一些厂家不能解决的问题。

1 CCD的工作原理

CCD是电荷耦合器件的简称，他的主要特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数以电流或电压为信号。他具有光电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、功耗小、结构简单、寿命长、性能稳定等优点，所以在固体图像传感器、信息存储和处理等方面得到了广泛的应用。因固体图像传感器能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展，能广泛应用于军事、天文、医疗、工业检测及自动化控制系统。

CCD的基本结构是MOS电容器：CCD器件受光照后，光子被半导体吸收，产生电子－空穴对。这时，多数载流子（空穴）流入硅衬底内，而少数载流子（电子）被吸收，存储在较深的势阱中，形成“电荷包”。光强越强，势阱中收集的电子越多；光强越弱，势阱中的电子越少。因此势阱中电子的多少就反映像的明暗程度，从而实现了光与电之间的转换。

利用CCD的光电转换和电荷转移功能可制成CCD图像传感器，其原理为：光学成像系统将被摄的图像成在CCD的光敏面上，在每一个光敏单元的势阱中存储与图像照度成正比的光生信号电荷，完成了光电转换和电荷的积累。然后，转移到CCD的移位寄存器中，在驱动脉冲的作用下有顺序转移和输出，成为视频信号。

在物理实验中，主要采取CCD摄像机与显示器配套使用，对较难读取的光学信号进行读取、放大并显示出来，并将图文显示在屏幕上。

2 CCD电子显示系统的组成及配置

分光计电子显示系统有的厂家有售，但是他们的产品价格太高，结构太复杂，而且还是配备的黑白CCD和黑白监视器，这样就不能利用分光计进行光栅衍射实验。

根据多年的实践经验，制作了彩色CCD电子显示系统，该系统结构简单，价格合理，使用方便。其主要组成有：CCD（型号 VH1366或WAT202B，DC8－12V／200mA），光学镜头（SE0813N1：8mm，F1.8），CCD电源（型号：JK120 800，In：220VAC，16VA；Out：12VDC，1 000mA），彩色监视器，信号线。

结合实验所使用的分光计，我们把CCD固定在分光计望远镜的目镜上，为此，我们自制并加工了CCD固定支架，其示意图如图所示。

3 概算及预期效果

图1 CCD固定支架

图中，（1）可将支架固定在望远镜的镜筒上，（2）是连接（1）和（3）的连接杆，（3）是一个活动件，用来固定（4），（4）固定在（3）上，作用是固定CCD，CCD的物镜和望远镜的目镜紧密连接。这种连接方式简洁，调节也方便，结构简单，便于加工。

这台CCD电子显示系统概算如下：高分辨率的彩色CCD价格在400元左右，物镜价格在200元左右，12V电源20元，液晶显示器1 000元左右，支架每套总100元，这样给一台分光计配齐这套系统不足2 000元。而从厂家购置一套黑白CCD电子显示系统要将近5 000元（还不含显示器）。

在分光计上配备了CCD电子显示系统，不但学生操作方便直观，不再为操作时间久了头疼眼睛不舒服的感觉，而且老师上课也轻松多了，每个学生的问题一目了然。可能出现的故障利用显示系统告诉学生，让学生自动排除故障。在此基础上，在分光计上还可开设创新实验研究，如：可以进行微小长度的测量、偏振光的研究、角度测量、三棱镜折射率测量、玻璃折射率的测量等。拓宽了学生的知识面，收到了很好的教学效果。

[1]梁枫，等.分光计快速调节的方法[J].大学物理实验，2012（1）：35－38.

[2]吴利华，等.分光计的分光计的分量调节[J].大学物理实验，2011（4）：37－40.