基于CCD原理的分光计调节与改进研究
摘 要
本文主要研究了一种基于CCD成像原理的改进型分光计，在前期调研了大量市场相关仪器的基础上，结合实验中所做出的新理论，制订了实施性较强的方案。理论部分为在望远镜目镜前加装CCD元件，添加水准仪以及对调节方法的稍加改进。该实验仪器结构紧凑简单、测量简洁快速、操作方便、精度较高，达到了一个实验仪器所追求的效果。
通过结合水准仪调平分光计的方法也具有一定的创新性，新改进的分光计可大大降低实验难度，便于改进，推广，也能够拓展分光计在检测技术、工程工业及其他方面中的应用。
【关键词】CCD元件 分光计调节意义 改进设计
1 分光计调节与改进设计的背景与研究现状
1.1 研究分光计调节与改进的意义
分光计是让光线通过狭缝和聚焦透镜形成一束平行光线，经过光学元件的反射或折射后进入望远镜物镜并成像在望远镜的焦平面上，通过目镜进行观察和测量各种光线的偏转角度，从而得到光学参量。分光计是一种精确的测量角度的典型的光学仪器。熟悉分光计的基本构造、调节原理、方法和技巧，对调整和使用其他光学仪器具有普遍的指导意义。本文是合计的分光计具有以下优点：解决传统分光计仪器中存在的望远镜视野范围狭窄，仪器不好调平的问题， 通过加入CCD元件大大降低了实验的难度，不用直接观看分光计解放了双眼，不会因为长时间观察而产生视觉疲劳，减少对眼睛的伤害，可以多人在显示屏幕上实时观看观测仪拍摄到的分光计中的图像，操作方便，重复性好，可以一边调节光路，一边观察屏幕上实时显示的图形就可以知道是否调节到位，可以直接抓拍图像，并保存。
1.2 目前分光计研究的现状及主要问题
（1）分光计构造复杂，装置较精密、结构复杂，可供调整的螺钉就有十多个，如果一个螺钉调节不当，实验就可能不成功，调节要求也较高，往往不能在规定的时间内顺利完成；
（2）在调节望远镜垂直仪器中心轴步骤中，反射绿十字高度的光路分析在许多教材和文献中很少涉及，学生摸索调节规律需要较长时间；
（3）长时间通过小范围的镜筒观察会导致观察者视觉疲劳，致使实验无法完成；
（4）实验中需要注意的问题较多，这些经常容易被忽略的问题直接影响着实验的成功与否。
2 分光器改进原理与设计
2.1 CCD元件的原理及其应用
CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号，经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容，当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生，经过放大和滤波后的电信号被送到A/D，由A/D将电信号（此时为模拟信号）转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高低成正比。这些数值其实就是图像的数据了。
CCD具有精度高、响应时间快、抗干扰能力强等优点，可实时在计算机屏幕上时时图像，可视面大，同一时刻可供多人观察且操作方便、重复性好，学生一边调节光路，一边观察屏幕上实时显示的图形就可知道是否已调节到位。因此通过在分光计望远镜镜筒上添加CCD元件，是视野范围变大，像也能更加清晰的呈现在我们面前。
2.2 分光计调节与改进设计
载物台、望远镜调节调平及平面镜放置在对应位置。
在载物台和望远镜镜筒分别添加水准仪，将水准仪固定好。载物台底部的三个螺丝中固定一个，剩余的两个用于调节。在粗调先观察望远镜镜筒和载物台上的水准仪是否处于中央位置，若不是，通过转动望远镜的旋钮和载物台底部的活动的两个螺丝来调节，直至使其处于中央位置。进行细调时，通过调节载物台底部的三个螺丝及望远镜的调节旋钮，最终使显示屏上能出现一个清晰的位于正中央的像。
2.3 分光计成像部分的设计
调节载物台、望远镜等各螺丝，使其处于活动自如的中间状态，锁紧载物台，松开游标盘止动螺丝，松开望远镜止动螺丝，将刻度线“0”刻度调至望远镜下方后，锁紧刻度盘与望远镜联动螺丝。
根据望远镜及载物台上的水准仪的位置，调节平行光管和望远镜的垂直方向的调节螺丝，使水准仪处于中央位置；再调节载物台台面下方的三个螺丝，使台面上水准仪处于中央位置，经粗调，平行光管、望远镜、载物台台面大致水平，故与分光计主轴大致垂直。
当无论以平面镜的哪一面对准望远镜，均能观察到亮十字像时，应采用“各半调节法”，使亮十字像与分划板水平上方准线重合。具体做法是当观察的与分划板十字交叉点相差距离h，调节望远镜高低螺丝使差距减少一半，再调节载物台下靠前面的水平调节螺丝，消除另一半距离，使准线与亮十字像重合，再将载物台旋转180°，使望远镜对着平面镜的另一反射面，采用上述同样的方法调节，如此重复多次，直至转动载物台时，无论哪个面正对望远镜，亮十字像都能与分划板上方的水平准线重合为止。至此，望远镜光轴和分光计的主轴相互垂直。
将CCD元件通过组合技术与分光计望远镜目镜口相关联，通过CCD将望远镜内的像呈现在显示屏上，既能够让同学观察到清晰的中央的像，又能缓解学生用眼疲劳。
3 总结
本文研究的基于CCD成像的改进型分光计，能够实现快速调整望远镜光轴与分光计中心轴垂直，扩大视野范围，具有降低视疲劳的作用。解决了现阶段分光计用目测调节载物台水平以及望远镜光轴水平十分困难的问题，以及降低了分光计调平的难度，解决了因分光计调节复杂而引起的上课不容易讲解的问题。此外，借助刻度盘记录平面镜精确位置，便于及时找到平面镜另一面的反射十字像，又将载物台三个螺丝固定一个调节另外两个的方法，使分光计调节实验变得形象直观。改进后的分光计对调整和使用其他光学仪器具有普遍的指导意义，且分光计实验在大学物理实验中应用十分广泛，对提高学生学习兴趣、学生实验效果有深刻意义。通过对实验仪器的稍加改进就能提高实验效果也对其他物理创新实验有借鉴意义。
参考文献
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[3]邱淑霞，江影.各半调节法在分光计实验中的应用[J].科技传播，2010（17）：656-658
作者单位
山东科技大学 山东省青岛市 266590
