分光计调节的分析与改进

分光计调节的分析与改进

分光仪是一种用于精确测量平行光的角度偏差的光学仪。它可以测量许多光学材料，如波长、折射和阴影常数。在测量前，首先要调整分光光仪器。所有调整都围绕“聚焦”和“光轴倾斜”进行。特别是“倾斜宽度”的调整是非常困难的调整。过去，“每个刻度的调整方法”不能区分机器的倾斜偏差，因此调整对象的调整反复“每个刻度”，这不利于学生理解分光光刻的工作机制，且调节相对复杂。在理解分光灯工作机的新“调整方法”时，首先了解分光灯的结构原理，然后详细分析分光灯的工作机，并引入“调整方法”。1标盘、游标台、热线JJY型分光计结构如图1所示,分成5个主要部件:望远镜、平行光管、载物台、读数装置(又分为度盘与游标盘)及底座;此外还有附件部分:双面镜及小电珠电源.下面先对这5个主要部件分别加以介绍.1.1“+”像.望远镜的主要功能是观察平行光.它的工作状态是:通过目镜能看清分划板,且目镜和物镜的焦平面共面于分划板上.分光计采用的是自准直望远镜(阿贝式,如图2(a)所示).它是由目镜、分划板和物镜3部分组成,分别装在3个套筒中,这3个套筒一个比一个大,彼此可以互相滑动,以便调节聚焦.中间的一个套筒是分划板套筒.分划板面刻有“”形叉丝,分划板的下方紧贴着装有一块45°全反射小棱镜,在与分划板相贴的小棱镜的直角面上,刻有一个“+”形透光的叉丝孔.小棱镜的下部开有圆形小孔并装一小电珠,小电珠由专用电源供电(见图1),发出的光进入圆形小孔经全反射小棱镜反射后,通过“+”形叉丝孔射出,即产生“+”形发光物.此光线被反射回望远镜内部时,会在分划板上形成“+”像.1.2物镜组成的原理平行光管是用来产生平行光的,它由狭缝和物镜(会聚透镜)组成,其结构如图3所示.狭缝与物镜之间的距离可以通过伸缩狭缝套筒进行调节,当狭缝调到物镜的焦平面上时,则光线透过狭缝,再经物镜折射,出射光就成为平行光.1.3载物台面的倾斜载物台是用来放待测物件的(如三棱镜、光栅等).载物台面上有3条半径线,彼此互成120°.载物台的台面下有3个倾斜螺丝a、b、c,分别与这3条半径线对应(见图4),用来调节载物台面的倾斜度.1.4阅读设备读数装置由度盘和游标盘组成(见图5),用来对光线偏转角度进行精确测量.为了消除偏心差,游标盘采用双游标来读数.1.5基础底座部分质量较大,在支撑分光计的同时稳定分光计的重心.底座的中央固定一圆柱形中心竖轴,称为主轴,望远镜和刻度盘可绕主轴转动.2分光光度调节2.1分光计调节的基本要求由于分光计是用来精确测量平行光角度偏转的光学仪器,所以对分光计的调节就是以“能够精确产生与观察平行光”与“能够精确测量角度偏转”这两条线索来进行的.对于“能够精确产生与观察平行光”,要求平行光管能够精确产生平行光;望远镜能够精确观察平行光.这是平行光管与望远镜在“聚焦”方面的要求.对于偏转角度的测量,是通过度盘与游标盘来进行的,所以入射光与出射光所形成的平面要与度盘面(或游标盘面)平行.否则所测角度只是偏转角在度盘面上的一个投影.所以对于“精确测量角度偏转”的要求是:平行光管光轴、望远镜光轴以及载物台面共同与度盘面平行,也就是与分光计的主轴(即度盘的法线方向)垂直.这是“倾斜度”方面的要求.为达到以上测量要求,对分光计各部件的调节又提出以下要求:①平行光管能够精确产生平行光,且其光轴与度盘面平行;②载物台面与度盘面平行;③望远镜能够精确观察平行光,且其光轴也与度盘面平行.为达到这3条调节要求,对分光计的调节过程可分成两大步:第一步是粗略地调节(也叫粗调);第二步是细致地调节(也叫细调).但对这两大步的调节都是围绕“聚焦”与“光轴倾斜度”这两方面的要求来进行的.2.2简单的调1多元化板相的物镜粗调对于平行光管聚焦的粗调,就是先把狭缝大致放在物镜的焦平面上.当狭缝套筒与平行光管套筒的两个彼此相邻的外端面相距大约15mm时(如图3所示),狭缝大致就在平行光管物镜的焦平面上.对于望远镜聚焦的粗调,其核心就是把分化板放置于望远镜物镜的焦平面上.当分化板套筒与望远镜的光管套筒的两个彼此相邻的外端面相距大约5mm时(如图2(a)所示),分化板大致就在望远镜物镜的焦平面上.2观察法平行光管以及载物台面和受光管面平行对倾斜度的粗调,就是调节平行光管、望远镜以及载物台的倾斜螺丝,使平行光管以及望远镜的光轴在眼睛观察的范围内能够与度盘面平行,载物台面也能够与度盘面平行.2.3细调过程由近及远所谓细调,就是在“聚焦”与“倾斜度”两个方面进行细致地调整,使平行光管能够精确地产生平行光,望远镜能够精确地观察平行光,载物台面能够精确地与度盘面平行.为了达到细调要求,对于细调过程要按照一定的顺序来进行,那就是对于需调节的这些部件,按照以观察者为基点,“由近及远”的先后顺序来进行;对于在“聚焦”与“倾斜度”两方面的调节,按照先“聚焦”,后“倾斜度”的顺序来进行.1分流板的调节对望远镜的细调首先从目镜聚焦开始.转动目镜,看清楚分化板(可因人而异).然后再把分化板精确地放在望远镜的物镜焦平面上.对这一步的调节,需要借助一个能够双面反射的小平面镜(简称双面镜)才能实现.双面镜为外置附件,其作用就是反射望远镜内的“+”发光物,使其在望远镜内成一“+”像.在调节分光计时双面镜需放置于载物台上.为了便于后面对望远镜及载物台的倾斜度的调节,让其镜面与望远镜光轴垂直,与载物台的螺丝c对应的半径线平行(如图6所示,此时镜面也是与螺丝a和b的连线垂直的).可以判断,如果螺丝a、b处于同一高度,镜面与度盘面是垂直的;而螺丝c的高度与镜面在其法向的倾斜度无关.调节双面镜在其法向的倾斜度时,只需调节螺丝a或b即可.对于望远镜的“聚焦”与“倾斜度”这两方面的调节,以及载物台倾斜度的调节都是通过双面镜反射的“+”像来进行判断的.根据此像在分划板上的清晰度,可判断分化板是否位于望远镜的物镜焦平面上.分析如下.如图2(b)所示,如果分化板位于物镜的焦平面上,则由“+”形发光物发出的光经物镜折射后,出射光是平行光;被双面镜反射回,反射光也是平行光.此反射光被物镜再次折射后,在物镜的焦平面上成一清晰的“+”像.如果通过目镜可看到清晰的分划板,则此时通过目镜即可在分化板看到清晰的“+”像.若分化板不在物镜的焦平面上,则“+”形发光物发出的光经物镜折射后出射光不是平行光;被双面镜反射回,反射光也不是平行光;再次被物镜折射后,所成的像必然和“+”形发光物不处于同一平面.而通过目镜能看清的是分划板(与“+”形发光物共面),则看到的“+”像必然是模糊的.这样通过“+”像的清晰度就可判断分划板的位置是否符合要求.这是通过“+”发光物自身的像来校准自身物的位置,所以也叫“自准法”.从以上分析可知,“+”像的清晰度代表望远镜的聚焦度.2“各半调节法”望远镜的清晰度调节完毕,就可以对其光轴的倾斜度进行调节.而此项调节是分光计调节的难点,对其调节的判断依据是通过“+”像的高度位置来进行的.分析如下.如图7所示,在分光计倾斜度已调节完毕达到测量状态时,平行光管与望远镜的光轴以及载物台面共同与度盘面平行(即与分光计的主轴垂直).此时把双面镜放置于载物台上,由于双面镜的镜面与其底座是垂直关系,底座平放在载物台上,则镜面与载物台面是垂直关系,所以镜面与望远镜的光轴以及度盘面也都是垂直关系.此时“+”像与“+”发光物关于望远镜的中心轴是对称的(即“+”像处于分划板的上部叉丝交点处,如图2(b)所示).把载物台转动180°,带动双面镜也转动180°.此时双面镜的另一面反射回的“+”像也应处于同一对称位置.如果两个面反射回来的像有一个面不能处于此位置,或两个面的像都不能处于此位置,则望远镜光轴与载物台面两者都不与度盘面平行,或有一者不与度盘面平行.因此,“+”像的高度位置代表着望远镜光轴与载物台的倾斜度.对于把两个面反射回来的“+”像都调整与“+”发光物关于望远镜中心轴对称的位置,很多教材都介绍了“各半调节法”,即调节载物台倾斜螺丝a,使“+”像与上部叉丝交点的距离减少一半,再调望远镜倾斜螺丝d,把剩下的一半距离消除.然后把载物台旋转180°,调节载物台倾斜螺丝b,使此面的“+”像与上部叉丝交点的距离减少一半,再调望远镜倾斜螺丝d,把剩下的一半距离消除.然后把载物台旋转180°,再进行同样的调节.如此反复,直到两个面反射回的“+”像都能位于分划板的上部叉丝交点.由此可见,这种方法是在不知道望远镜与载物台的倾斜度各占多少比例的情况下,假定二者各占一半,然后对二者进行反复调节.可见此种方法效率较低.其实平面镜的两个面反射回来的“+”像如果不能处于分划板上部叉丝交点,是可以分清楚到底是谁的原因.由以上对如图7的分析可知,如果载物台面与度盘面是平行的,则双面镜的镜面与度盘面是垂直关系.此时双面镜反射的“+”像处于分划板的某一高度.如果载物台旋转180°,带动双面镜也旋转180°,则另一面反射回来的“+”像在分划板上也应处于同一高度.如果两个面反射回来的像不处于同一高度,则镜面与度盘面是不垂直的,可以判断此时载物台的两个倾斜螺丝a和b的高低位置是不一致的,此时载物台面与度盘面必然是不平行的.所以双面镜两面反射的“+”像在分划板上是否处于同一高度,反映着镜面与度盘面是否是垂直关系.在双面镜的镜面与度盘面是垂直的情况下,如果望远镜光轴与度盘面是平行的,则其与双面镜的镜面是垂直的.而望远镜光轴与镜面垂直时,“+”像与“+”发光物关于望远镜光轴是中心对称的(即处于分划板的上部叉丝交点位置处,如图2(b)所示).那么双面镜的两个面反射回来的“+”像都能位于此对称位置.如果双面镜的镜面与度盘面的垂直关系保持不变,且双面镜的某一面反射的“+”像不能位于此位置,则另一面也必然不能位于此位置.如果双面镜的镜面与度盘面是不垂直的,两面反射的“+”像不可能位于同一高度.这时两面反射的“+”像或者都不能位于分划板的上部叉丝交点处,或者有一面的“+”像能位于此位置.即使有一面反射的“+”像能位于此位置,但双面镜与度盘面是不平行的,望远镜光轴与度盘面也是不平行的.由于对望远镜倾斜度的调节首先依赖于双面镜的倾斜度,所以先把双面镜的倾斜度调节好(即两面反射的“+”像都能位于同一高度),然后才方便于调节望远镜的倾斜度.在双面镜的倾斜度已调节到位时,若两面反射的“+”像都不能位于分划板的上部叉丝交点位置处,只需调节望远镜倾斜螺丝d(见图6所示)即可,把某一面的“+”像移到此位置,另一面的“+”像也必然能于此位置.如果双面镜的镜面与度盘面是不垂直的,望远镜光轴与度盘面也是不平行的.此时可以先调节镜面与度盘面垂直,具体过程如图8所示.设某一面反射的“+”像位于图8(a)所示位置,另一面反射的“+”像位于图8(b)所示位置;设两面反射的“+”像高度差为h,可以调节螺丝a(或b),使某一面反射的“+”像位于图8(c)所示12h处,则另一面反射的“+”像也必然位于此高度位置.此时双面镜的镜面已经与度盘面垂直,然后再调节望远镜光轴与镜面垂直,即调节望远镜倾斜螺丝d,使某一面的“+”像能位于分划板上部叉丝交点即可.由于这是对双面镜倾斜度与望远镜倾斜度分别进行调节的,相对于一些教材提出的“各半调节法”而言,可以把此种调节法称为“分别调节法”.(请读者分清:这里双面镜两面反射的“+”像的中心高度与“各半调节法”的一半高度含义不同).3面的角度和水面的角度在调节双面镜的镜面与度盘面垂直时,“各半调节法”对两个倾斜螺丝a和b都要进行反复调节,而“分别调节法”只需调节其中一个螺丝即可,且不需反复.可见“分别调节法”简单,但也很准确.但为什么只需调节一个螺丝?下面给以证明.如图9(a)所示,初始从望远镜射来的平行光被平面镜反射后,相对于望远镜向上射出,镜面与竖直方向夹角为θ,与x方向夹角为90°+θ,光线由AO′射入,由O′B射出,入射角与反射角均为α.若镜面竖直放置,则光线由AO′射入,由O′C射出,入射角与反射角均为ω,两个位置镜面的夹角为θ,则法线夹角为∠DO′Z=θ,即α+ω=θ.∠BO′C=2α+2ω=2θ.镜面旋转180°后,如图9(b)所示,镜面与竖直方向夹角为θ,与x方向夹角为90°-θ,镜面法线为O′D′,光线由AO′射入,由O′B′射出.若镜面竖直放置,法线为O′Z.此时,两位置法线夹角∠ZO′D′=θ∠AO′D′=∠B′O′D′=β=∠AO′Z+∠ZO′D′=ω+θ∠CO′B′=∠B′O′D′+∠D′O′Z−∠CO′Z=β+θ−ω=ω+θ+θ−ω=2θ由此证明∠CO′B=∠CO′B′,即镜面在旋转180°前后所对应的反射光线位置O′B与O′B′相对于镜面在竖直方向的反射光线位置O′C是对称的.而反射光线沿O′C射来的位置也正是两面反射的“+”像位置的中心高度位置.所以当倾斜螺丝a(或b)的高低位置发生变化时,双面镜的两面反射的“+”像的高度位置会相对于两面“+”像的中心高度位置有相同的位置大小的变化,且方向是相反的.所以我们在调节双面镜的倾斜度时,只需调节载物台的两倾斜螺丝a(或b)的其中之一即可.使其达到两面反射的“+”像位置的中心高度位置,则另一面反射的“+”像也会达到此高度位置.此时镜面与望远镜光轴是垂直的.然后调节望远镜倾斜螺丝d,使某一面反射的“+”像位于分划板的上部叉丝交点,则另一面反射的“+”像也能位于此位置.此时望远镜光轴与度盘面是平行的.为了更好地利用“分别调节法”,可以对分光计的分划板进行改进,设计成如图10所示样式.在图10中以分划板中央水平线为基准,两边对称分割为8个等宽区间,并用数字对其标记.这样就更容易判断双面镜两面反射的“+”像的中心高度位置.即使采用“各半调节法”,使用这样的分划板也是有利于调准的.4倾斜螺钉的重新摆放在望远镜光轴的倾斜度调节完毕后,需要接着对载物台的倾斜度进行进一步的细调.由前叙述可知,载物台的倾斜螺丝a和b已处于同一高度,还剩下倾斜螺丝c未调.这时需把双面镜重新摆放.前面调节时,双面镜的镜面是与螺丝c对应的半径线平行的,现在需让它们相互平行,并让双面镜的镜面与望远镜光轴垂直,如图11所示.然后在望远镜中观察“+”像,并调节螺丝c,使此像也能位于分划板的上部叉丝交点.此时载物台的3个倾斜螺丝已完全处于同一高度,载物台面也与度盘面完全平行了.5保障平行光管的光