分光計調節的分析與改進

分光儀是一種用于精確測量平行光的角度偏差的光學儀。它可以測量許多光學材料，如波長、折射和陰影常數。在測量前，首先要調整分光光儀器。所有調整都圍繞“聚焦”和“光軸傾斜”進行。特別是“傾斜寬度”的調整是非常困難的調整。過去，“每個刻度的調整方法”不能區分機器的傾斜偏差，因此調整對象的調整反復“每個刻度”，這不利于學生理解分光光刻的工作機制，且調節相對復雜。在理解分光燈工作機的新“調整方法”時，首先了解分光燈的結構原理，然后詳細分析分光燈的工作機，并引入“調整方法”。1標盤、游標臺、熱線JJY型分光計結構如圖1所示,分成5個主要部件:望遠鏡、平行光管、載物臺、讀數裝置(又分為度盤與游標盤)及底座;此外還有附件部分:雙面鏡及小電珠電源.下面先對這5個主要部件分別加以介紹.1.1“+”像.望遠鏡的主要功能是觀察平行光.它的工作狀態是:通過目鏡能看清分劃板,且目鏡和物鏡的焦平面共面于分劃板上.分光計采用的是自準直望遠鏡(阿貝式,如圖2(a)所示).它是由目鏡、分劃板和物鏡3部分組成,分別裝在3個套筒中,這3個套筒一個比一個大,彼此可以互相滑動,以便調節聚焦.中間的一個套筒是分劃板套筒.分劃板面刻有“”形叉絲,分劃板的下方緊貼著裝有一塊45°全反射小棱鏡,在與分劃板相貼的小棱鏡的直角面上,刻有一個“+”形透光的叉絲孔.小棱鏡的下部開有圓形小孔并裝一小電珠,小電珠由專用電源供電(見圖1),發出的光進入圓形小孔經全反射小棱鏡反射后,通過“+”形叉絲孔射出,即產生“+”形發光物.此光線被反射回望遠鏡內部時,會在分劃板上形成“+”像.1.2物鏡組成的原理平行光管是用來產生平行光的,它由狹縫和物鏡(會聚透鏡)組成,其結構如圖3所示.狹縫與物鏡之間的距離可以通過伸縮狹縫套筒進行調節,當狹縫調到物鏡的焦平面上時,則光線透過狹縫,再經物鏡折射,出射光就成為平行光.1.3載物臺面的傾斜載物臺是用來放待測物件的(如三棱鏡、光柵等).載物臺面上有3條半徑線,彼此互成120°.載物臺的臺面下有3個傾斜螺絲a、b、c,分別與這3條半徑線對應(見圖4),用來調節載物臺面的傾斜度.1.4閱讀設備讀數裝置由度盤和游標盤組成(見圖5),用來對光線偏轉角度進行精確測量.為了消除偏心差,游標盤采用雙游標來讀數.1.5基礎底座部分質量較大,在支撐分光計的同時穩定分光計的重心.底座的中央固定一圓柱形中心豎軸,稱為主軸,望遠鏡和刻度盤可繞主軸轉動.2分光光度調節2.1分光計調節的基本要求由于分光計是用來精確測量平行光角度偏轉的光學儀器,所以對分光計的調節就是以“能夠精確產生與觀察平行光”與“能夠精確測量角度偏轉”這兩條線索來進行的.對于“能夠精確產生與觀察平行光”,要求平行光管能夠精確產生平行光;望遠鏡能夠精確觀察平行光.這是平行光管與望遠鏡在“聚焦”方面的要求.對于偏轉角度的測量,是通過度盤與游標盤來進行的,所以入射光與出射光所形成的平面要與度盤面(或游標盤面)平行.否則所測角度只是偏轉角在度盤面上的一個投影.所以對于“精確測量角度偏轉”的要求是:平行光管光軸、望遠鏡光軸以及載物臺面共同與度盤面平行,也就是與分光計的主軸(即度盤的法線方向)垂直.這是“傾斜度”方面的要求.為達到以上測量要求,對分光計各部件的調節又提出以下要求:①平行光管能夠精確產生平行光,且其光軸與度盤面平行;②載物臺面與度盤面平行;③望遠鏡能夠精確觀察平行光,且其光軸也與度盤面平行.為達到這3條調節要求,對分光計的調節過程可分成兩大步:第一步是粗略地調節(也叫粗調);第二步是細致地調節(也叫細調).但對這兩大步的調節都是圍繞“聚焦”與“光軸傾斜度”這兩方面的要求來進行的.2.2簡單的調1多元化板相的物鏡粗調對于平行光管聚焦的粗調,就是先把狹縫大致放在物鏡的焦平面上.當狹縫套筒與平行光管套筒的兩個彼此相鄰的外端面相距大約15mm時(如圖3所示),狹縫大致就在平行光管物鏡的焦平面上.對于望遠鏡聚焦的粗調,其核心就是把分化板放置于望遠鏡物鏡的焦平面上.當分化板套筒與望遠鏡的光管套筒的兩個彼此相鄰的外端面相距大約5mm時(如圖2(a)所示),分化板大致就在望遠鏡物鏡的焦平面上.2觀察法平行光管以及載物臺面和受光管面平行對傾斜度的粗調,就是調節平行光管、望遠鏡以及載物臺的傾斜螺絲,使平行光管以及望遠鏡的光軸在眼睛觀察的范圍內能夠與度盤面平行,載物臺面也能夠與度盤面平行.2.3細調過程由近及遠所謂細調,就是在“聚焦”與“傾斜度”兩個方面進行細致地調整,使平行光管能夠精確地產生平行光,望遠鏡能夠精確地觀察平行光,載物臺面能夠精確地與度盤面平行.為了達到細調要求,對于細調過程要按照一定的順序來進行,那就是對于需調節的這些部件,按照以觀察者為基點,“由近及遠”的先后順序來進行;對于在“聚焦”與“傾斜度”兩方面的調節,按照先“聚焦”,后“傾斜度”的順序來進行.1分流板的調節對望遠鏡的細調首先從目鏡聚焦開始.轉動目鏡,看清楚分化板(可因人而異).然后再把分化板精確地放在望遠鏡的物鏡焦平面上.對這一步的調節,需要借助一個能夠雙面反射的小平面鏡(簡稱雙面鏡)才能實現.雙面鏡為外置附件,其作用就是反射望遠鏡內的“+”發光物,使其在望遠鏡內成一“+”像.在調節分光計時雙面鏡需放置于載物臺上.為了便于后面對望遠鏡及載物臺的傾斜度的調節,讓其鏡面與望遠鏡光軸垂直,與載物臺的螺絲c對應的半徑線平行(如圖6所示,此時鏡面也是與螺絲a和b的連線垂直的).可以判斷,如果螺絲a、b處于同一高度,鏡面與度盤面是垂直的;而螺絲c的高度與鏡面在其法向的傾斜度無關.調節雙面鏡在其法向的傾斜度時,只需調節螺絲a或b即可.對于望遠鏡的“聚焦”與“傾斜度”這兩方面的調節,以及載物臺傾斜度的調節都是通過雙面鏡反射的“+”像來進行判斷的.根據此像在分劃板上的清晰度,可判斷分化板是否位于望遠鏡的物鏡焦平面上.分析如下.如圖2(b)所示,如果分化板位于物鏡的焦平面上,則由“+”形發光物發出的光經物鏡折射后,出射光是平行光;被雙面鏡反射回,反射光也是平行光.此反射光被物鏡再次折射后,在物鏡的焦平面上成一清晰的“+”像.如果通過目鏡可看到清晰的分劃板,則此時通過目鏡即可在分化板看到清晰的“+”像.若分化板不在物鏡的焦平面上,則“+”形發光物發出的光經物鏡折射后出射光不是平行光;被雙面鏡反射回,反射光也不是平行光;再次被物鏡折射后,所成的像必然和“+”形發光物不處于同一平面.而通過目鏡能看清的是分劃板(與“+”形發光物共面),則看到的“+”像必然是模糊的.這樣通過“+”像的清晰度就可判斷分劃板的位置是否符合要求.這是通過“+”發光物自身的像來校準自身物的位置,所以也叫“自準法”.從以上分析可知,“+”像的清晰度代表望遠鏡的聚焦度.2“各半調節法”望遠鏡的清晰度調節完畢,就可以對其光軸的傾斜度進行調節.而此項調節是分光計調節的難點,對其調節的判斷依據是通過“+”像的高度位置來進行的.分析如下.如圖7所示,在分光計傾斜度已調節完畢達到測量狀態時,平行光管與望遠鏡的光軸以及載物臺面共同與度盤面平行(即與分光計的主軸垂直).此時把雙面鏡放置于載物臺上,由于雙面鏡的鏡面與其底座是垂直關系,底座平放在載物臺上,則鏡面與載物臺面是垂直關系,所以鏡面與望遠鏡的光軸以及度盤面也都是垂直關系.此時“+”像與“+”發光物關于望遠鏡的中心軸是對稱的(即“+”像處于分劃板的上部叉絲交點處,如圖2(b)所示).把載物臺轉動180°,帶動雙面鏡也轉動180°.此時雙面鏡的另一面反射回的“+”像也應處于同一對稱位置.如果兩個面反射回來的像有一個面不能處于此位置,或兩個面的像都不能處于此位置,則望遠鏡光軸與載物臺面兩者都不與度盤面平行,或有一者不與度盤面平行.因此,“+”像的高度位置代表著望遠鏡光軸與載物臺的傾斜度.對于把兩個面反射回來的“+”像都調整與“+”發光物關于望遠鏡中心軸對稱的位置,很多教材都介紹了“各半調節法”,即調節載物臺傾斜螺絲a,使“+”像與上部叉絲交點的距離減少一半,再調望遠鏡傾斜螺絲d,把剩下的一半距離消除.然后把載物臺旋轉180°,調節載物臺傾斜螺絲b,使此面的“+”像與上部叉絲交點的距離減少一半,再調望遠鏡傾斜螺絲d,把剩下的一半距離消除.然后把載物臺旋轉180°,再進行同樣的調節.如此反復,直到兩個面反射回的“+”像都能位于分劃板的上部叉絲交點.由此可見,這種方法是在不知道望遠鏡與載物臺的傾斜度各占多少比例的情況下,假定二者各占一半,然后對二者進行反復調節.可見此種方法效率較低.其實平面鏡的兩個面反射回來的“+”像如果不能處于分劃板上部叉絲交點,是可以分清楚到底是誰的原因.由以上對如圖7的分析可知,如果載物臺面與度盤面是平行的,則雙面鏡的鏡面與度盤面是垂直關系.此時雙面鏡反射的“+”像處于分劃板的某一高度.如果載物臺旋轉180°,帶動雙面鏡也旋轉180°,則另一面反射回來的“+”像在分劃板上也應處于同一高度.如果兩個面反射回來的像不處于同一高度,則鏡面與度盤面是不垂直的,可以判斷此時載物臺的兩個傾斜螺絲a和b的高低位置是不一致的,此時載物臺面與度盤面必然是不平行的.所以雙面鏡兩面反射的“+”像在分劃板上是否處于同一高度,反映著鏡面與度盤面是否是垂直關系.在雙面鏡的鏡面與度盤面是垂直的情況下,如果望遠鏡光軸與度盤面是平行的,則其與雙面鏡的鏡面是垂直的.而望遠鏡光軸與鏡面垂直時,“+”像與“+”發光物關于望遠鏡光軸是中心對稱的(即處于分劃板的上部叉絲交點位置處,如圖2(b)所示).那么雙面鏡的兩個面反射回來的“+”像都能位于此對稱位置.如果雙面鏡的鏡面與度盤面的垂直關系保持不變,且雙面鏡的某一面反射的“+”像不能位于此位置,則另一面也必然不能位于此位置.如果雙面鏡的鏡面與度盤面是不垂直的,兩面反射的“+”像不可能位于同一高度.這時兩面反射的“+”像或者都不能位于分劃板的上部叉絲交點處,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,但雙面鏡與度盤面是不平行的,望遠鏡光軸與度盤面也是不平行的.由于對望遠鏡傾斜度的調節首先依賴于雙面鏡的傾斜度,所以先把雙面鏡的傾斜度調節好(即兩面反射的“+”像都能位于同一高度),然后才方便于調節望遠鏡的傾斜度.在雙面鏡的傾斜度已調節到位時,若兩面反射的“+”像都不能位于分劃板的上部叉絲交點位置處,只需調節望遠鏡傾斜螺絲d(見圖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.如果雙面鏡的鏡面與度盤面是不垂直的,望遠鏡光軸與度盤面也是不平行的.此時可以先調節鏡面與度盤面垂直,具體過程如圖8所示.設某一面反射的“+”像位于圖8(a)所示位置,另一面反射的“+”像位于圖8(b)所示位置;設兩面反射的“+”像高度差為h,可以調節螺絲a(或b),使某一面反射的“+”像位于圖8(c)所示12h處,則另一面反射的“+”像也必然位于此高度位置.此時雙面鏡的鏡面已經與度盤面垂直,然后再調節望遠鏡光軸與鏡面垂直,即調節望遠鏡傾斜螺絲d,使某一面的“+”像能位于分劃板上部叉絲交點即可.由于這是對雙面鏡傾斜度與望遠鏡傾斜度分別進行調節的,相對于一些教材提出的“各半調節法”而言,可以把此種調節法稱為“分別調節法”.(請讀者分清:這里雙面鏡兩面反射的“+”像的中心高度與“各半調節法”的一半高度含義不同).3面的角度和水面的角度在調節雙面鏡的鏡面與度盤面垂直時,“各半調節法”對兩個傾斜螺絲a和b都要進行反復調節,而“分別調節法”只需調節其中一個螺絲即可,且不需反復.可見“分別調節法”簡單,但也很準確.但為什么只需調節一個螺絲?下面給以證明.如圖9(a)所示,初始從望遠鏡射來的平行光被平面鏡反射后,相對于望遠鏡向上射出,鏡面與豎直方向夾角為θ,與x方向夾角為90°+θ,光線由AO′射入,由O′B射出,入射角與反射角均為α.若鏡面豎直放置,則光線由AO′射入,由O′C射出,入射角與反射角均為ω,兩個位置鏡面的夾角為θ,則法線夾角為∠DO′Z=θ,即α+ω=θ.∠BO′C=2α+2ω=2θ.鏡面旋轉180°后,如圖9(b)所示,鏡面與豎直方向夾角為θ,與x方向夾角為90°-θ,鏡面法線為O′D′,光線由AO′射入,由O′B′射出.若鏡面豎直放置,法線為O′Z.此時,兩位置法線夾角∠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由此證明∠CO′B=∠CO′B′,即鏡面在旋轉180°前后所對應的反射光線位置O′B與O′B′相對于鏡面在豎直方向的反射光線位置O′C是對稱的.而反射光線沿O′C射來的位置也正是兩面反射的“+”像位置的中心高度位置.所以當傾斜螺絲a(或b)的高低位置發生變化時,雙面鏡的兩面反射的“+”像的高度位置會相對于兩面“+”像的中心高度位置有相同的位置大小的變化,且方向是相反的.所以我們在調節雙面鏡的傾斜度時,只需調節載物臺的兩傾斜螺絲a(或b)的其中之一即可.使其達到兩面反射的“+”像位置的中心高度位置,則另一面反射的“+”像也會達到此高度位置.此時鏡面與望遠鏡光軸是垂直的.然后調節望遠鏡傾斜螺絲d,使某一面反射的“+”像位于分劃板的上部叉絲交點,則另一面反射的“+”像也能位于此位置.此時望遠鏡光軸與度盤面是平行的.為了更好地利用“分別調節法”,可以對分光計的分劃板進行改進,設計成如圖10所示樣式.在圖10中以分劃板中央水平線為基準,兩邊對稱分割為8個等寬區間,并用數字對其標記.這樣就更容易判斷雙面鏡兩面反射的“+”像的中心高度位置.即使采用“各半調節法”,使用這樣的分劃板也是有利于調準的.4傾斜螺釘的重新擺放在望遠鏡光軸的傾斜度調節完畢后,需要接著對載物臺的傾斜度進行進一步的細調.由前敘述可知,載物臺的傾斜螺絲a和b已處于同一高度,還剩下傾斜螺絲c未調.這時需把雙面鏡重新擺放.前面調節時,雙面鏡的鏡面是與螺絲c對應的半徑線平行的,現在需讓它們相互平行,并讓雙面鏡的鏡面與望遠鏡光軸垂直,如圖11所示.然后在望遠鏡中觀察“+”像,并調節螺絲c,使此像也能位于分劃板的上部叉絲交點.此時載物臺的3個傾斜螺絲已完全處于同一高度,載物臺面也與度盤面完全平行了.5保障平行光管的光