一种利用数码相机观测的分光计及其调节方法与流程

本发明涉及光学实验教学仪器领域，特别是涉及一种利用数码相机观测的分光计及其调节方法。

背景技术：

在《大学物理实验》、《普通物理实验》、《光学基础实验》等课程中，分光计是一种重要的实验仪器，是折射率测量、光栅光谱等实验的关键仪器。

传统的分光计采用望远镜观察实验现象、测量实验数据，使用前需要对分光计进行调节，一般先用自准直法调节望远镜以适合接收平行光，再用逐次逼近法调节望远镜及载物台垂直于旋转轴，最后调节平行光管垂直于旋转轴并产生平行光。由于望远镜观察视场很小，老师在教学过程对实验现象及调节方法的讲解受到很大的限制，同时在用逐次逼近法调节望远镜及载物台垂直于旋转轴时，载物台和望远镜初始位置的调节比较困难，学生需要花大量的时间去调节分光计，不利于学生快速掌握分光计的调节方法，且通过机械转动测量数据，容易产生回程误差和读数误差。

已有的采用摄像头替代人眼观察实验现象的方案，有利于实验现象的展示，方便老师讲解，但其视场仍然受望远镜的限制，仍然很难调节，而且每套实验设备需要一台电脑或显示器，需要较大的实验场地，应用上受到较大的限制。

已有的采用ccd或cmos图像传感器替代望远镜中的目镜的方案，由于需要通过电脑操作图像传感器记录实验数据，每套实验设备也需要一台电脑，同样需要较大的实验场地，应用上也受到较大的限制。这类方法通常在电脑上装有相关的数据处理软件，可直接得出实验结果，这也不利于培养学生的主动学习兴趣。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用数码相机观测的分光计及其调节方法，可以直接展现光学实验现象，无需较大实验场地，拓展应用范围。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种利用数码相机观测的分光计，包括底座、转座、旋转轴、游标盘、刻度盘、载物台、平行光管、狭缝装置、数码相机以及调节部；

所述旋转轴安装在所述底座上，所述平行光管通过支架安装在所述底座上；所述转座、所述刻度盘、所述游标盘和所述载物台从下至上依次套设在所述旋转轴上；所述数码相机通过所述调节部安装在所述转座上；所述平行光管的一端安装有所述狭缝装置，所述平行光管的另一端对应所述载物台。

可选的，还包括数码相机止动架，所述数码相机止动架位于所述底座和所述转座之间，所述数码相机止动架上设有数码相机止动螺丝，所述数码相机止动架的一端套设于所述旋转轴上并通过所述数据相机止动螺丝固定，松开所述数码相机止动螺丝时，所述转座与所述数码相机一起可绕所述旋转轴转动，拧紧所述数码相机止动螺丝时，所述转座与所述数码相机固定。

可选的，所述调节部包括t形立柱、弹簧片、鸠尾槽、鸠尾板、镜头紧固环、数码相机俯仰调节螺丝和数码相机前后固定螺丝；

所述t形立柱的竖梁部安装在所述所述转座上，所述t形立柱的竖梁部的下端通过数码相机微动螺丝卡在所述数码相机止动架中；所述鸠尾槽的一端通过所述弹簧片安装在所述t形立柱的横梁部的一端，所述鸠尾板安装在所述鸠尾槽内，所述数码相机通过所述镜头紧固环安装在所述鸠尾板上；所述数码相机俯仰调节螺丝穿过所述t形立柱的横梁部并与所述鸠尾槽的底面接触，且所述数码相机俯仰调节螺丝安装在远离所述弹簧片的一侧，所述数码相机俯仰调节螺丝用于调节所述数码相机的俯仰角；所述数码相机前后固定螺丝穿过所述鸠尾槽的侧面并与所述鸠尾板接触，所述数码相机前后固定螺丝用于固定所述数码相机的前后位置。

可选的，所述游标盘和所述刻度盘在同一平面内，所述游标盘套设在所述旋转轴上并置于所述转座上方，所述刻度盘套设在所述游标盘周围；所述转座上还安装有数码相机与刻度盘离合螺丝，拧紧所述数码相机与刻度盘离合螺丝可使所述刻度盘与所述转座保持联动，松开所述数码相机与刻度盘离合螺丝可使所述刻度盘与所述转座各自独立转动。

可选的，还包括游标盘止动架；所述游标盘止动架位于所述载物台和所述游标盘之间，所述游标盘止动架的一端套设于所述旋转轴上，所述游标盘止动架的另一端通过游标盘微动螺丝固定在所述支架上，所述游标盘止动架还设有游标盘止动螺丝，松开所述游标盘止动螺丝时，所述游标盘可绕所述旋转轴转动。

可选的，所述平行光管通过平行光管俯仰调节螺丝和平行光管左右偏移调节螺丝固定在所述支架上；其中，所述平行光管俯仰调节螺丝用于调节所述平行光管的俯仰角；所述平行光管左右偏移调节螺丝用于调节所述平行光管的左右距离。

可选的，所述狭缝装置通过狭缝装置锁紧螺丝安装在所述平行光管的一端；所述狭缝装置还设有狭缝宽度调节螺丝，所述狭缝宽度调节螺丝用于调节所述狭缝装置的狭缝宽度。

可选的，所述载物台安装在所述旋转轴的顶部，所述载物台的下方安装有3个载物台调节螺丝，所述载物台调节螺丝用于调节所述载物台平面垂直于所述旋转轴，所述载物台还设有载物台和游标盘间锁紧螺丝，所述载物台和游标盘间锁紧螺丝用于使所述载物台与所述游标盘相对固定。

一种利用数码相机观测的分光计的调节方法，包括：

平行光调节步骤；具体为：首先打开数码相机，将所述数码相机设为手动对焦，并把所述数码相机的镜头对焦环置于∞位置，然后将所述数码相机对准平行光管，前后调节狭缝装置，直到所述数码相机上观察设定清晰度的狭缝像；

载物台与旋转轴垂直调节步骤；

平行光管与旋转轴垂直调节步骤；具体为：转动所述载物台使所述双面反射镜的方向发生改变，转动所述数码相机，跟踪观察所述狭缝像，并当所述狭缝像的垂直位置发生改变时，调节平行光管俯仰调节螺丝，直到所述狭缝像的垂直位置不再发生变化；

数码相机与旋转轴垂直调节步骤；具体为：将所述数码相机正对所述平行光管，移去所述双面反射镜，调节数码相机俯仰调节螺丝，直到所述狭缝像处于所述数码相机的电子显示屏水平中线的位置；

狭缝装置调节步骤；具体为：转动所述狭缝装置，使所述狭缝像处于垂直状态，并调节狭缝宽度直到在所述数码相机中显示设定宽度和设定清晰度的亮线，拧紧狭缝装置锁紧螺丝。

可选的，所述载物台与旋转轴垂直调节步骤，具体包括：

第一步，转动所述数码相机使所述数码相机与平行光位于同一侧；

第二步，在所述载物台上放置双面反射镜，转动所述狭缝装置，使狭缝像处于水平状态；

第三步，转动所述载物台，分别将双面反射镜的第一反射镜、第二反射镜的反射光进入所述数码相机，并分别记录所述数码相机中狭缝像的第一垂直位置和第二垂直位置，并调节载物台调节螺丝，直到所述第一垂直位置和所述第二垂直位置重合；

第四步，将所述双面反射镜转过90度并放置在所述载物台上，重复第三步；

其中，所述第一垂直位置是所述第一反射镜的反射光进入所述数码相机时，所述数码相机中狭缝像的垂直位置；所述第二垂直位置是所述第二反射镜的反射光进入所述数码相机时，所述数码相机中狭缝像的垂直位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种利用数码相机观测的分光计及其调节方法，利用数码相机替代传统分光计中的望远镜来观察实验现象和记录实验数据，具有直接展现光学实验现象、无需较大实验场地、拓展应用范围等功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统分光计的实物图；

图2为本发明利用数码相机观测的分光计的实物图；

图3为本发明利用数码相机观测的分光计的结构示意图；

图4为本发明利用数码相机观测的分光计的垂直调节示意图。

符号说明：1为载物台和游标盘间锁紧螺丝，2为载物台调节螺丝，3为载物台，4为游标盘止动架，5为平行光管，6为狭缝装置锁紧螺丝，7为狭缝装置，8为狭缝宽度调节螺丝，9为平行光管俯仰调节螺丝，10为平行光管左右偏移调节螺丝，11为游标盘止动螺丝，12为游标盘微动螺丝，13为转座，14为数码相机止动架，15为底座，16为数码相机止动螺丝，17为数码相机与刻度盘离合螺丝，18为刻度盘，19为游标盘，20为数码相机微动螺丝，21为t形立柱，22为数码相机俯仰调节螺丝，23为弹簧片，24为鸠尾槽，25为数码相机前后固定螺丝，26为鸠尾板，27为数码相机，28为镜头紧固环，29为镜头紧固螺丝。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种利用数码相机观测的分光计及其调节方法，可以直接展现光学实验现象，无需较大实验场地，拓展应用范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

传统的分光计如图1所示，利用望远镜进行观察实验现象和测量实验数据，实验时通过使望远镜绕旋转轴转动来测量角度。

本实施例提供的分光计实物图，如图2所示，利用数码相机替代传统分光计中的望远镜部分来观察实验现象并记录实验数据。

本实施例提供的分光计结构示意图(侧视图)如图3所示，主要包括底座15、旋转轴、转座13、游标盘19、刻度盘18、载物台3、平行光管5、狭缝装置7、数码相机27以及调节部。

所述旋转轴安装在所述底座15上，所述平行光管5通过支架安装在所述底座15上；所述转座13、所述刻度盘18、所述游标盘19和所述载物台3从下至上依次套设在所述旋转轴上，以使上述设备可绕所述旋转轴转动；所述数码相机27通过所述调节部安装在所述转座13上，使所述数码相机27可以绕所述旋转轴旋转；所述平行光管5的一端安装有所述狭缝装置7，所述平行光管5的另一端对应所述载物台3。

优选的，在本实例中，优选的，本实施例提供的数码相机27具有手动照相模式、手动对焦、手动控制光圈和快门速度、电子显示屏即时取景等功能。目前，市场上常见的微单数码相机、单电数码相机、单反数码相机都能满足这些功能需求。数码相机27的电子显示屏上贴有水平和垂直的标尺。。

优选的，本实施例提供的分光计还包括数码相机止动架14，所述数码相机止动架14位于所述底座5和所述转座13之间，所述数码相机止动架14的一端套设于所述旋转轴上，所述数码相机止动架14的另一端通过数码相机微动螺丝20卡住所述调节部的下端。所述数码相机止动架14上安装有数码相机止动螺丝16，松开所述数码相机止动螺丝16时，所述数码相机27可绕所述旋转轴转动，拧紧所述数码相机止动螺丝16时，通过所述数码相机止动架14使所述数码相机27不可绕所述旋转轴转动，本实施例提供的所述数码相机微动螺丝20只作细微调节。

优选的，本实施例提供的所述调节部安装于所述转座13的一端。具体为：所述调节部通过所述数码相机微动螺丝20与所述数码相机止动架14相连，通过所述数据相机止动螺丝16控制所述数码相机27是否可以绕旋转轴转动。

优选的，本实施例提供的所述调节部包括t形立柱21、弹簧片23、鸠尾槽24、鸠尾板26、镜头紧固环28、数码相机俯仰调节螺丝22和数码相机前后固定螺丝25。

所述t形立柱21的竖梁部安装在所述转座13上，且通过数码相机微动螺丝20与所述数码相机止动架14相接，所述鸠尾槽24的一端通过所述弹簧片23安装在所述t形立柱21的横梁部的一端，所述鸠尾板26安装在所述鸠尾槽24内，所述数码相机27通过所述镜头紧固环28安装在所述鸠尾板26上，所述鸠尾板26可在所述鸠尾槽24内前后移动，可使所述数码相机27靠近或远离所述载物台3，并在合适位置可用所述数码相机前后固定螺丝25进行固定，即所述数码相机前后固定螺丝25穿过所述鸠尾槽24的侧面并与所述鸠尾板26接触，从而实现所述数码相机前后固定螺丝25固定所述数码相机27前后位置的功能。

此外，所述数码相机俯仰调节螺丝22穿过所述t形立柱21的横梁部并与所述鸠尾槽24的底面接触，且所述数码相机俯仰调节螺丝22安装在远离所述弹簧片23的一侧，即设置在所述鸠尾槽24的另一端，从而实现所述数码相机俯仰调节螺丝22调节所述数码相机27俯仰角的功能。

所述调节部还包括与所述镜头紧固环28数量相匹配的镜头紧固螺丝29，所述数码相机27先通过所述镜头紧固环28安装在所述鸠尾板26上，然后将镜头紧固螺丝29安装在所述镜头紧固环28上以保持所述数码相机27与所述鸠尾板26相对静止。

优选的，本实施例提供的所述游标盘19和所述刻度盘18在同一平面内，所述游标盘19套设在所述旋转轴上并置于所述转座13上方，所述刻度盘18套设在所述游标盘19周围，所述转座13上还安装有数码相机与刻度盘离合螺丝17以实现数码相机与刻度盘离合螺丝17调节所述数码相机27与所述刻度盘18之间的联动或各自独立转动功能，具体为拧紧所述数码相机与刻度盘离合螺丝17可使所述刻度盘18与所述转座13保持联动，松开所述数码相机与刻度盘离合螺丝17可使所述刻度盘18与所述转座13各自独立转动。

优选的，本实施例提供的支架为类倒立l型结构。

优选的，本实施例提供的分光计还包括游标盘止动架4；所述游标盘止动架4位于所述载物台3和所述游标盘19之间，所述游标盘止动架4的一端套设于所述旋转轴上，所述游标盘止动架4的另一端通过游标盘微动螺丝12固定在所述支架的竖梁上，所述游标盘止动架还设有游标盘止动螺丝11，松开所述游标盘止动螺丝11时，所述游标盘19可绕所述旋转轴转动，拧紧游标盘止动螺丝11可使游标盘19保持静止。

优选的，本实施例提供的所述平行光管5通过平行光管俯仰调节螺丝9、平行光管左右偏移调节螺丝10和紧固环结构固定在所述支架的横梁上；具体地，所述平行光管5通过紧固环结构安装在所述支架的横梁上，然后将所述平行光管左右偏移调节螺丝10从所述紧固环结构下半部分的侧表面进入以实现所述平行光管左右偏移调节螺丝10调节所述平行光管5左右距离的功能，并当所述平行光管5调节到合适位置时，所述平行光管左右偏移调节螺丝10停止不动，最后将所述平行光管俯仰调节螺丝9从所述支架的横梁底部穿过并从所述紧固环结构的底部伸入以实现所述平行光管俯仰调节螺丝9调节所述平行光管5俯仰角的功能，并当所述平行光管5调节到合适位置时，所述平行光管俯仰调节螺丝9停止不动。其中，所述平行光管俯仰调节螺丝9位于所述支架的横梁的一端，所述平行光管左右偏移调节螺丝10位于所述支架的横梁的另一端。

优选的，本实施例提供的所述狭缝装置7通过狭缝装置锁紧螺丝6安装在所述平行光管5的一端；所述狭缝装置7的侧表面还设有狭缝宽度调节螺丝8，所述狭缝宽度调节螺丝8用于调节所述狭缝装置7的狭缝宽度。

优选的，本实施例提供的所述载物台3安装在所述旋转轴的顶部，所述载物台3的下方还安装有3个且均匀布置的载物台调节螺丝2，载物台调节螺丝2用于调节所述载物台平面垂直于所述旋转轴；所述载物台3还设有载物台和游标盘间锁紧螺丝1，拧紧载物台和游标盘间锁紧螺丝1时，载物台3与所述游标盘19相对固定。

实施例2

应用实施例1提供的分光计的调节方法如下：

1、平行光调节步骤。

首先打开数码相机，将所述数码相机设为手动对焦，并把所述数码相机的镜头对焦环置于∞位置，然后将所述数码相机对准平行光管，前后调节狭缝装置，直到所述数码相机上观察到最清晰的狭缝像。此时达到平行光调节要求，即所述平行光管能产生平行光，所述数码相机适合接收平行光。

2、垂直调节步骤。

(1)载物台与旋转轴垂直调节步骤。

第一步，转动所述数码相机使所述数码相机与平行光位于同一侧，如图4所示(俯视图)。第二步，在所述载物台上放置双面反射镜，转动所述狭缝装置，使狭缝像处于水平状态，即当所述平行光管发出的光反射进入所述数码相机时，在所述数码相机中观察到水平的狭缝像。第三步，转动所述载物台，分别将双面反射镜的第一反射镜a、第二反射镜b的反射光进入所述数码相机，并分别记录所述数码相机中狭缝像的第一垂直位置ha和第二垂直位置hb，并调节载物台调节螺丝，直到所述第一垂直位置ha和所述第二垂直位置hb重合。第四步，将所述双面反射镜转过90度并放置在所述载物台上，重复第三步。其中，所述第一垂直位置ha是所述第一反射镜a的反射光进入所述数码相机时，所述数码相机中狭缝像的垂直位置；所述第二垂直位置hb是所述第二反射镜b的反射光进入所述数码相机时，所述数码相机中狭缝像的垂直位置。

(2)平行光管与旋转轴垂直调节步骤。

缓慢转动所述载物台使所述双面反射镜的方向发生改变，并转动所述数码相机以跟踪观察经反射镜反射后在所述数码相机中形成的狭缝像，并当所述狭缝像的垂直位置发生改变时，调节平行光管俯仰调节螺丝，直到所述狭缝像的垂直位置不再发生变化。

(3)数码相机与旋转轴垂直调节步骤。

将所述数码相机正对所述平行光管，移去所述双面反射镜，调节数码相机俯仰调节螺丝，直到所述狭缝像处于所述数码相机的电子显示屏水平中线的位置。

3、狭缝装置调节步骤。

转动所述狭缝装置，使所述狭缝像处于垂直状态，并调节狭缝宽度直到在所述数码相机中观察到又细又清晰的亮线，拧紧狭缝装置锁紧螺丝。

以上完成本实施例分光计的调节。

本发明提供的分光计调节好后，可用于三棱镜折射率的测量、透射光栅等实验。在三棱镜折射率测量实验中，若采用复色光源(如汞灯)，在数码相机中可同时观察到不同颜色的谱线，一次测量即可计算出三棱镜对不同波长光的折射率，可加深学生对色散的理解。除分光计的调节外，其它的测量方法与传统分光计的测量方法类似。在透射光栅实验中，数码相机正对平行光管即可以同时观察记录到关于0级谱线对称的彩色光谱图，利用数码相机的参数和记录的光谱图即可求出不同颜色谱线的衍射角，不需要机械转动，可减小机械测量误差，还可更直观地观察到光谱现象，通过光谱图的亮度数据，可以得出不同光谱线的强度信息。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提供的分光计采用数码相机(由于常见的微单或单电数码相机的图像传感器面积大、分辨率高(一般为aps-c画幅，面积为23.7mm×15.6mm，像素大小为几微米))替代视场较小的望远镜作为观测工具，具有较大的视场角，也可观测微米级大小的实验现象细节。通过其电子取景显示屏可放大观察图像细节，可方便地观察实验现象，大大降低分光计的调节难度。此外，数码相机还可以直接展现光学实验现象，使实验教学老师可以方便地讲解相关实验现象和调节方法。

(2)利用本发明提供的分光计进行棱镜折射率测量时，可同时观测不同颜色的谱线，一次测量即可计算出三棱镜对不同波长光的折射率，可加深学生对色散的理解。

(3)利用本发明提供的分光计进行透射光栅实验时，数码相机正对平行光管，即可以同时观察记录到关于0级谱线对称的彩色光谱图，不需要机械转动，利用数码相机的参数和记录的光谱图即可求出不同颜色谱线的衍射角。

(4)目前，大部分的大学生自己拥有电脑，学生只需将数码相机的存储卡中的图片拷贝到自己的电脑上，由学生课后完成实验数据的处理，可让学生接触到用matlab等软件进行图像处理基础知识，可让学生学习更现代化的实验方法，有利于激发学生学习兴趣。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。