分光计一种新的快速调节方法

第16卷第4期2018年8月
实验科学与技术
Experiment Science and Technolog^^
VoL. 16 No.4
Aug.2018分光计一种新的快速调节方法
李金花，管跃，陈玉林，孙婷婷
(南京信息工程大学物理与光电工程学院，江苏南京210044)
摘要分光计的调节是大学物理实验教学的一个难点，其中调节望远镜光轴垂直于分光计中心轴耗时最长。

针对这一问题，该文提出分光计一种新的快速调节方法。

该方法巧妙使用水准仪正确判断十字像的位置，从而能分别迅速地找到三棱镜两个光学面中的十字像。

该方案易于被初学者理解和掌握，可使初学者在约半个小时之内完成整个分光计的调节。

关键词分光计；水准仪；快速调节；望远镜；载物台
中图分类号0432. 2; G642. 423 文献标志码 A doi： 10. 3969/j. issn. 1672 -4550. 2018. 04. 016
A N e w F a s t A d j u s t m e n t S c h e m e o f S p e c t r o m e t e r
LI Jinhua,G U A N Y u e,C H E N Yulin,and S U N Tingting
(School of Physics and Optoelectronic Engineering,Nanjing Lniversity of Information Science and Technology, Nanjing,210044) Abstract The adjustment of spectrometer is one of the difficulties in college physics experiment teaching. Adjusting the optical axis of the telescope to be perpendicular to the central axis of the spectrometer is the most time consuming procedure. To solve this problem, a new fast adjusting method of spectrometer is proposed in this paper. This method cleverly uses the level to correctly judge the position of the cross image, so that the cross images of the three prisms in two optical planes can be found quickly. This method is quite easy to be understood and mastered by the beginners, and can make the beginners finish the whole adjustment of spectrometer in about a half hour.
Key words spectrometer；level gauge；fast adjustment；telescope；objective table
分光计是一种准确测量角度的典型光学仪器, 可用于折射率、光栅常数、光波波长、色散率等 基本光学参量的测定[|]。

熟悉分光计的基本构造、掌握对分光计的调节和使用有助于掌握更为复杂 的光学仪器，如摄谱仪、单色仪、分光光度计等 的操作[2]。

分光计的调节难点在于仪器结构比较复杂,调节螺钉很多，而且分光计的光路也不易直观观 察，再加上初学者对这些螺钉的作用不甚熟悉,所以整个分光计的调节非常耗时，不少学生对分 光计的实验产生了一种“恐惧”的心理。

近些年 来，文献中报道了很多有益的有关分光计调节的 改进方案，主要分为两大类。

第一类，对分光计仪器进行改进，比如激光 辅助调整、广角倍率物镜辅助设计、迈克尔逊干 涉仪辅助调节等改进方案[3-7]。

优点是很大程度 上方便了在望远镜视场中观测到十字像，其中激 光辅助法还能比较直观地观测光路的变化，从而 极大程度地方便了初学者寻找十字叉丝像的位置。

同时，也不得不承认，仪器改进并大规模推广势必增加了一定的教学成本。

第二类，对分光计传统的调节方法进行改进。

分光计的调节分粗调和细调两部分，绝大多数文 献是对细调部分进行改进[8-12]。

该类改进方案的 优点是在粗调成功的前提下能迅速完成细调，从 而实现望远镜和载物台台面皆严格垂直于分光计 中心轴。

然而众所周知，初学者的问题不是出在 细调部分，而是出现在粗调部分，绝大多数初学 者不能在短时间内找到三棱镜两个光学面中十字 像的位置。

基于上述分析，一方面，建立一种有效并可 以大规模推广的分光计辅助调节装置的确可以很 大程度地降低初学者的调节难度，但是同时势必 耗费一定的人力、物力和财力；另一方面，成功 粗调是完成分光计调节的关键，也是最容易为初 学者忽略从而造成调节困难之所在，然而，目前 文献中提出的诸多分光计快速调整方案都是聚焦 于细调部分。

本文提出一种新的分光计快速调节方法，该 方法聚焦于如何迅速、成功地实现对分光计的粗
收稿日期：2017-02-23;修改日期：2017-03-07
基金项目：国家级大学生创新创业训练计划教改工程项目（1224071601045)。

作者简介：李金花（1983-)，女，博士，讲师，主要从事实验室与光学工程专业相关教学与科研方面的研究。

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调调节，适用于目前绝大多数高校大学物理实验 分光计的教学，能极大地提高分光计实验的教学 效率，而不增加教学成本。

i粗调望远镜光轴水平
将水准仪如图i所示放于望远镜镜筒正上方,调节望远镜的俯仰螺丝，将水准仪中的气泡移至 沿镜筒方向（如图i中白色箭头方向）上水准仪的 中心位置，此时望远镜光轴大致水平，或者说,这时望远镜光轴与分光计中心轴已经大概垂直。

图i粗调望远镜光轴水平过程中水准仪摆放
该步调节应注意，水准仪中的气泡会左右 (垂直于望远镜光轴方向，或者说垂直于图i中的
白色箭头方向）移动，这并不会影响望远镜光轴水 平粗调调节，因为我们将水准仪放于圆形的望远 镜镜头上，不可避免地会出现一定的左右摆动，故在调节望远镜俯仰螺丝的过程中，只要将气泡调 至在沿望远镜光轴方向（图i中白色箭头方向）上水 准仪的中心位置即可，不用去理会其左右摆动。

2粗调调节载物台台面水平
2.i三棱镜的摆放
将载物台三条刻线对准载物台下的三个调节 螺丝，然后把三棱镜的三条棱对准载物台的三条 刻线摆放，如图2所示，这样放置是处于以下考 虑：若要调节三棱镜面的俯仰，只需要调节载 物台下的螺丝i即可；同理，若要调节4C面的俯 仰，只需要调节载物台下的螺丝2即可[|0]。

2.2粗调载物台台面水平
第一，将水准仪放在三棱镜的中心位置，调节载物台下的三颗螺丝使水准仪中的气泡移动至 水准仪的中心位置，然后转动载物台，反复调节 这三颗螺丝，使气泡最终保持在中心位置附近，如图3所示。

图3粗调载物台水平时水准仪气泡位置
第二，转动载物台，使得三棱镜的一个光学 面，比如仙面，与望远镜光轴大概垂直，这时微 调载物台下三颗调节螺丝，使得水准仪中的气泡 移动至水准仪的中心位置，这时微微地左右转动 载物台，必然能在望远镜内看到绿色的十字像, 如图4所示。

图4观察到面反射的绿色十字
第三，在第二步的基础上转动载物台，调节 三棱镜的另一个光学面即A C面与望远镜光轴大概 垂直，这时因为台基问题，水准仪中的气泡肯定 产生移动，观测该气泡的移动方向，如果气泡向 平行光管方向移动，如图5(a)所示，可微微地左 右转动载物台，A C面的绿色十字像必然在面绿色十字像的下方，如图5(b)所示。

注意：在第三步调节中，如果这时在望远镜 的视场范围内观察不到该十字像，则返回面,调节载物台靠平行光管处的俯仰螺丝i，使绿色十 字像移动到望远镜视场的最上方，然后再转至 A C面使其与望远镜光轴大概垂直时，微微地左右 转动载物台，则必然能在望远镜视场内观察到 A C
面的绿色十字像。

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(a ) 4C 面与望远镜光轴垂直
(b )观察到4C 面反射的绿色十字
图5 4C 面与望远镜光轴垂直情况
第四，如果第三步中，三棱镜4C 面与望远镜 光轴大概垂直后，水准仪中的气泡向望远镜方向 移动，则面的绿色十字像必然在面绿色十 字的上方，若在望远镜视场范围内观测不到，则 采用与第三步注意事项中相反的操作，使得在望 远镜视场范围内也能观测到4C 面的像。

此时，载物台台面已经粗调水平，或者说载 物台台面已大概垂直于分光计中心轴，这是本文 的主要创新之处。

3
细调望远镜光轴与分光计中心轴垂直
在成功粗调的基础上，可以迅速地完成分光 计的细调。

首先，需要明白调节望远镜俯仰螺丝和调节 载物台俯仰螺丝对三棱镜两个光学面（如图1中所 示三棱镜的面和4C 面）中观察到的十字叉丝像 的移动方向影响。

只调节望远镜俯仰螺丝时（载物台俯仰螺丝不 动），对于狀和仏面来讲，入射光线进行了相同 方向、相同角度的改变，故和4C 面的反射光 也会出现相同方向、相同角度的改变。

所以，只 调节望远镜俯仰螺丝时，面和4C 面观察到的 十字叉丝像在同一方向上发生运动，即面和4C 面中观察到的十字像要么都向上移动，要么都向 下移动。

只调节载物台的俯仰螺丝（望远镜俯仰螺丝不 动），面和4C 面的俯仰角度发生改变，如果AB
面向下倾，则4C 面就往上仰。

反之，如果面
往上仰，则A C 面向下倾。

这样，就导致在A B 面 和A C 面的反射光发生了方向相反的变化。

因此， 只调节载物台的俯仰螺丝时，A B 面和A C 面中观 察到的十字叉丝像向相反方向移动，即A B 面中观 察到的十字像向上移动，则A C 面中观察的十字像 向下移动；A B 面中观察的十字像向下移动，则A C 面中观察的十字像向上移动。

在成功粗调的基础上，并在了解上述三棱镜 两个光学面中十字像的运动规律后，反复调节载 物台的俯仰螺钉，使得三棱镜两个面的十字叉丝 像处于望远镜视场中同一高度，然后调节望远镜 的俯仰螺丝使得两个面的十字叉丝像均与望远镜 分划板的上准线重合，该步调节一步到位，无需 反复调节。

至此，完成望远镜光轴与分光计中心 轴垂直的细调调节。

该细调方案在文献中已有相 关报道[8，，本文不再赘述。

4
调节平行光管光轴与分光计中心轴垂直完成望远镜光轴与分光计中心轴垂直的调节 后，保持望远镜上所有的螺丝及载物台下面的三 颗螺丝不动，开始调节平行光管光轴与分光计中心轴垂直[2]。

首先，调节平行光管产生平行光。

打开光源, 平行光管对准光源，望远镜对准平行光管，调节 平行光管狭缝与透镜间的距离，直到在望远镜视 场中能看到清晰的狭缝像，然后调节狭缝宽度控 制螺丝，使得在望远镜中看到的狭缝像约1 m m 为佳。

第二，调节平行光管光轴与分光计中心轴垂 直。

转动狭缝（注意不能前后移动）至水平，调节 平行光管俯仰螺丝使狭缝像被分划板的下准线平 分，如图6(a )所示；然后，转动狭缝至竖直，调 节平行光管俯仰螺丝使狭缝像被分划板的竖准线 平分如图6(b )。

注意，在两次转动狭缝过程中需 保持狭缝像最清晰无视差。

至此，
分光计已全部调节好。

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图8棱镜与游标相对位置示意图4) 粗调望远镜光轴水平。

如本文第1部分所讲述，借助于水准仪粗调望 远镜光轴水平。

5) 粗调载物台台面水平。

5分光计的调节细则
本文对分光计中心轴垂直于望远镜光轴的调
节细则总结如下[m ]。

1)调焦。

如图7所示，将三棱镜的任一光学面紧贴望远 镜物镜镜头，然后在望远镜目镜中观察十字叉丝 像，这时调节望远镜调焦螺丝，直到能看到清晰 的十字像。

图7调焦示意图
2) 调整载物台高度。

载物台过低或过高都不易在望远镜上观察到 三棱镜两个光学面的十字叉丝像，因此要目测升 降载物台高度，使得三棱镜的两个面的反射像都 在望远镜的视场范围内。

3) 合理摆放三棱镜。

如图2摆放三棱镜后，锁紧游标盘制动螺丝, 带动载物台及三棱镜一起转动至三棱镜毛玻璃面 垂直于望远镜光轴时，停止转动，然后松开游标 盘制动螺丝，将游标盘上一个小游标转动至如图8 所示位置，最后再锁紧游标盘。

这样做的目的是 避免两个光学面与望远镜垂直时可能引起的不能 读数的问题。

毛玻璃面
如本文第2部分的2. 2节所讲述，借助于水准 仪粗调载物台台面水平，使得在望远镜视场中, 可以观察到三棱镜两个光学面的十字叉丝像。

6) 细调望远镜光轴与分光计中心轴垂直。

估测图2中和4C 光学面中十字叉丝像在望远镜视场中的高度差（记为好），如本文第4部分 所讲。

① 调节螺丝1使面的绿色十字移动到好/2 高度差位置，然后转动三棱镜4C 面，调节螺丝2 的高低使4C 面反射的绿色十字也移动到好/2高度 差的位置，反复操作，最终使面和4C 面反射 的绿色十字在分划板上同一个高度。

此时载物台 水平轴已与三棱镜平面垂直。

②
最后一步调节望远镜的竖直俯仰螺丝，
得和4C 光学面中十字叉丝像与望远镜视场中 的上准线重合。

此时三棱镜平面已与望远镜光轴
相互垂直。

7) 调节平行光管光轴与分光计中心轴垂直。

平行光管狭缝对准光源，望远镜对准平行光管，前后拉动平行光管狭缝装置与透镜距离，直 到能在望远镜中看到清晰的狭缝像，然后如步骤 5)所阐述，先后调节狭缝像至图6(a )和图6(b ) 处。

至此，分光计调节完毕。

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结束语
该实验方案巧妙地借助水准仪快速、成功地 完成分光计的粗调调节，操作简单，也无需添加 任何辅助设备，巧妙地运用了水准仪来判断光路 的变化，使初学者能更好地理解分光计测三棱镜 折射率的光路，随后便能很好地完成实验所需操 作。

本文根据初学者在调节中碰到的一些常见问 题总结了一份分光计的调节细则。

依本文提出的
分光计调节方案，经过5个班级的实验操作证明, 90%以上的学生能在20 m i n 内完成分光计的粗调 调节，即在望远镜视场范围内分别观测到三棱镜 两个光学面中的十字叉丝像，或者说望远镜光轴
基本垂直于分光计的中心轴。

该粗调环节是完成 分光计调节的关键步骤。

粗调完成后，细调调节 望远镜光轴与分光计中心轴垂直，及调节平行光
管光轴与分光计中心轴垂直这两部分操作相对都 比较简单，初学者在短时间内即可完成。

望
远镜
游标位
置
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实验科学与技术2018年8月
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(上接第61页）4
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编辑曾洁。