微鏡陣列光場相機原理圖?摘要：提出了一種利用數碼相機進行觀測的新型分光計方案及其調節方法,并研制了實驗樣機.利用數碼相機替代了傳統分光計中的望遠鏡部分,可觀察并記錄相關光學現象.調節分光計時,首先利用數碼相機鏡頭對焦于無窮遠作為标準進行平行光調節,然後利用反射狹縫像的位置調節載物台與旋轉軸的垂直,最後以載物台為基準調節數碼相機及平行光管與旋轉軸垂直.對新型分光計的特性分析及實驗結果表明:該新型分光計具有調節難度低、測量誤差小、能同時觀測多條光譜線的特點.，接下來我們就來聊聊關于微鏡陣列光場相機原理圖?以下内容大家不妨參考一二希望能幫到您!

微鏡陣列光場相機原理圖

摘要：提出了一種利用數碼相機進行觀測的新型分光計方案及其調節方法,并研制了實驗樣機.利用數碼相機替代了傳統分光計中的望遠鏡部分,可觀察并記錄相關光學現象.調節分光計時,首先利用數碼相機鏡頭對焦于無窮遠作為标準進行平行光調節,然後利用反射狹縫像的位置調節載物台與旋轉軸的垂直,最後以載物台為基準調節數碼相機及平行光管與旋轉軸垂直.對新型分光計的特性分析及實驗結果表明:該新型分光計具有調節難度低、測量誤差小、能同時觀測多條光譜線的特點.

關鍵詞： 分光計 垂直調節 平行光調節 數碼相機 物理量

分光計是一種能精确測定光線偏轉角的光學儀器.光學中許多物理量(如波長、折射率)都可通過光線的偏轉角度測量得到,同時分光計的結構原理又是許多光學儀器的基礎.通過分光計的調節和使用,能夠很好地培養學生的基本實驗技能和應用理論知識解決實際問題的能力.因此,分光計是大學物理實驗中的重要實驗儀器.

分光計的調節是光學實驗教學的重點難點.雖然在教材[1]中一般都會給出詳細的調節方法和步驟,但是由于分光計結構較為複雜,加之實驗教學課時限制,很多學生都難以掌握.多年來,分光計的調節方法一直是衆多教學工作者關注的重點[2,3,4,5,6,7],同時,也有很多研究人員對分光計進行了改進.如:将望遠鏡的目鏡部分改成電子目鏡[8,9]或直接将攝像頭加裝在目鏡後面[10,11],在分光計的載物台、刻度盤、望遠鏡、平行光管等部分加裝水平儀[12],加裝角度傳感器進行數字化改造[13]等.這些改進有的僅僅使實驗現象更便于觀察,并不能降低分光計的調節難度,有的對實驗室場地和設備投入要求較高,有的則不利于培養學生對光學測量原理的理解.

傳統的分光計一般由底座、望遠鏡、平行光管、載物台和刻度盤等部分組成,利用望遠鏡觀察現象,實驗時通過望遠鏡繞旋轉主軸轉動測量角度.分析傳統分光計的結構可以發現,造成分光計調節較難的根本原因是望遠鏡的視場太小,從而要求在垂直調節中的粗調必須比較準确,才能進行後續的調節.而且,指導老師在講解調節方法時,學生不能同時觀察到實驗現象,不利于學生理解掌握相關原理和方法.

數碼相機是一種較為普遍的圖像觀察、記錄工具,具有視場大、分辨率高的特點,通過其自帶的電子顯示屏可供多人同時觀察,是一種較為理想的光學實驗觀測工具.本文将提出一種利用數碼相機進行觀測的分光計及其調節方法.

1、基于數碼相機觀測的新型分光計

基于數碼相機的新型分光計的結構示意圖(側視)如圖1(a)所示,其中1—20的結構與傳統分光計相同,21—29為利用數碼相機替代傳統望遠鏡及支架的部分.數碼相機固定在鸠尾闆上,鸠尾闆可在鸠尾槽中前後移動,可使數碼相機靠近或遠離載物台,在合适位置可用數碼相機前後固定螺絲進行固定.鸠尾槽通過彈簧片與T形立柱連接.T形立柱上設有數碼相機俯仰調節螺絲,用于調節數碼相機的俯仰角.T形立柱安裝在轉座上,使數碼相機可以繞旋轉軸旋轉.圖1(b)為基于數碼相機觀測的新型分光計實物圖.

圖1基于數碼相機的新型分光計

1.載物台和遊标盤間鎖緊螺絲,2.載物台調節螺絲(共3隻),3.載物台,4.遊标盤止動架,5.平行光管,6.狹縫裝置鎖緊螺絲,7.狹縫裝置,8.狹縫寬度調節螺絲,9.平行光管俯仰調節螺絲,10.平行光管左右偏移調節螺絲,11.遊标盤止動螺絲,12.遊标盤微動螺絲,13.轉座,14.數碼相機止動架,15.底座,16.數碼相機止動螺絲(另側),17.數碼相機與刻度盤離合螺絲,18.刻度盤,19.遊标盤,20.數碼相機微動螺絲(另側),21.T形立柱,22.數碼相機俯仰調節螺絲,23.彈簧片,24.鸠尾槽,25.數碼相機前後固定螺絲,26.鸠尾闆,27.數碼相機,28.鏡頭緊固環,29.鏡頭緊固螺絲

該新型分光計中用到的數碼相機應具有手動照相模式、手動對焦、手動控制光圈和快門速度、電子顯示屏即時取景等功能,且選配手動定焦鏡頭較為合适.目前,市場上常見的微單數碼相機都能滿足這些功能需求.數碼相機的電子顯示屏上貼有水平和垂直的标尺,用于定位觀測.

2、新型分光計的調節方法

為減小測量誤差,該新型分光計的調節要求與傳統分光計的調節要求是一樣的,即要求:平行光管能産生平行光,數碼相機适合接收平行光,稱為平行光調節;數碼相機鏡頭光軸、平行光管光軸、載物台平面均與分光計旋轉軸垂直,稱為垂直調節.由于數碼相機具有較大的視場,該新型分光計不需要進行粗調即可實現分光計的調節,其具體調節方法如下:

1)平行光調節.首先打開數碼相機,将數碼相機設為手動對焦,并對焦于無窮遠(鏡頭對焦環置于“∞”位置).再将數碼相機對準平行光管,前後調節狹縫裝置,直到數碼相機上觀察到最清晰的狹縫像.此時即達到平行光調節要求.

2)垂直調節.①調節載物台與旋轉軸垂直.

将數碼相機轉動到平行光管同一側,如圖2所示(俯視圖),轉動狹縫裝置,使狹縫處于水平狀态.在載物台上放置三棱鏡.轉動載物台,分别用三棱鏡a、b、c三個面反射光,比較數碼相機觀察到狹縫像的垂直位置Ha、Hb和Hc.調節載物台調節螺絲,直到Ha、Hb和Hc重合.

圖2垂直調節示意圖(俯視圖)

②調節數碼相機與旋轉軸垂直.在載物台上放置激光平直器,其可發出與底面平行的一字形激光束.使激光束進入數碼相機可觀察到一條亮線,調節數碼相機俯仰調節螺絲,直到亮線處于數碼相機電子顯示屏水平中線的位置.

③調節平行光管與旋轉軸垂直.使數碼相機正對平行光管,則調節平行光管俯仰調節螺絲,直到狹縫像處于數碼相機電子顯示屏水平中線的位置.

3)狹縫調節,使狹縫處于垂直狀态,并調節狹縫寬度直到在數碼相機中觀察到又細又清晰的亮線.

3、新型分光計的應用實例

本文将以透射光栅和棱鏡折射率的測定實驗為例來說明新型分光計的使用效果.實驗所用的新型分光計樣機由一台老舊的JJY1型分光計改造而成,采用索尼NEX-7數碼相機(圖像傳感器面積:23.4mm×15.6mm,像素數:6000×4000,像素大小Δ=3.9μm,配焦距f=25mm的手動定焦鏡頭)替換傳統的望遠鏡.

3.1在透射光栅實驗中的應用

數碼相機正對平行光管和透射光栅即可以同時觀察記錄到關于0級譜線對稱的彩色光譜圖,如圖3所示.圖中可觀察到紫、綠、黃3種顔色的4條譜線,其中黃色可觀察到2條譜線.利用Matlab等軟件可測出同種顔色 1級譜線和-1級譜線之間的像素數q.具體方法是:在Matlab的命令窗口輸入如下語句:imtool(imread(‘圖片保存路徑\\圖片名.圖片格式’),[]),顯示光譜圖像.再利用其中的距離測量工具,即可測出圖片中待測對象點之間的像素數.結合圖像傳感器的像素大小Δ和鏡頭的焦距f,即可計算出該譜線的衍射角

θ=arctanqΔ2fθ=arctanqΔ2f(1)

實驗中,拍攝3幅光譜圖,利用Matlab測出其中4條譜線對應的q值,并利用式(1)計算衍射角後,再以綠光波長546.07nm為标準,由光栅方程算出另外3條譜線的波長,實驗結果如表1所示.

為進行對比,我們利用傳統分光計對同一光源和光栅進行實驗,重複3次,測量的數據如表2所示.

圖3數碼相機記錄的透射光栅光譜圖

表1新型分光計透射光栅實驗結果

表2傳統分光計透射光栅測量數據

将表2中相同顔色譜線對應的左側測量數據與右側測量數據相減再除以2,即得到相應衍射角,取平均後,再以同樣的數據處理方法得到實驗結果如表3所示.

對照紫光和黃光三條譜線的标準波長[1],本文所提出的新型分光計測量結果的誤差分别為0.53nm、0.04nm和0.09nm,而傳統分光計測量結果的誤差分别為1.22nm、0.89nm、1.52nm.由此可見,由于新型分光計可不依靠機械轉動測量角度,具有更高的測量精度.

表3傳統分光計透射光栅實驗結果

3.2在三棱鏡折射率測量實驗中的應用

采用汞燈光源,調節好分光計後,其它的操作方法與利用傳統分光計測三棱鏡折射率基本相同.需要注意的是,由于數碼相機具有自動倒像功能(将鏡頭成的倒立實像旋轉180°供人觀看),因此,觀察到的譜線順序及移動方向均與實際情況相反.在數碼相機中可同時觀察到不同顔色的譜線.如圖4所示為數碼相機拍攝記錄的汞燈經三棱鏡向左和向右折射形成的光譜圖(局部放大).以某一譜線為基準測出其最小偏向角,再從記錄的光譜圖中測出不同譜線間的角度差

δm差=arctanqΔfδm差=arctanqΔf(2)

其中q表示譜線間的像素數,Δ和f表示像素大小和鏡頭的焦距.從而可計算出三棱鏡對不同波長光的折射率.

圖4數碼相機記錄的三棱鏡光譜圖

以綠光譜線為基準(對準數碼相機屏上的刻度中心),利用分光計刻度盤重複3次測量其最小偏向角,并拍攝3組如圖4所示的光譜圖.綠光最小偏向角測量數據如表4所示,其中δm由向左折射與向右折射時同一遊标(同一列)讀數相減再除以2得到.由表4可得δ¯m綠=38.81°δ¯m綠=38.81°,為簡單起見,三棱頂角取60°,根據最小偏向角測折射率的原理[1]可計算出三棱鏡對綠光的折射率為1.5187.

表4綠光最小偏向角

利用Matlab軟件測出如圖4所示譜線間的像素數,由式(2)計算出紫光、黃光與綠光之間的最小偏向角差,如表5所示.根據表中的δm差結合光譜線的順序,可得出黃光的最小偏向角比綠光的小0.154°,即為38.656°.而紫光的最小偏向角比綠光的大0.782°,為39.592.最後可計算出黃光和紫光的折射率分别為1.5169和1.5275.

表5紫光、黃光與綠光之間的最小偏向角差

4、新型分光計的功能特點

1)調節難度低,有利于提高教學質量.由于數碼相機的視場大、分辨率高,通過其電子取景顯示屏可放大觀察圖像細節,無需進行粗調過程.其自帶的顯示屏可供多人同時方便地觀察實驗現象,使實驗指導老師可以方便地演示相關實驗現象和實驗儀器光路調節方法.在降低了實驗裝置調節難度的同時,保留了實驗的操作性,有利于學生動手實踐、提高實驗教學質量.

2)對于較小的角度測量,無需機械轉動,可減小測量誤差.根據誤差傳遞理論,由式(1)可得到角度測量的B類不确定度為

uB(θ)=(uB(qΔ))2 (qΔuB(f)f)2√2f[1 (qΔ/2f)2]uB(θ)=(uB(qΔ))2 (qΔuB(f)f)22f[1 (qΔ/2f)2](3)

由此可見,利用新型分測量光譜線衍射角時,測量精度與數碼相機焦距的精度有比較大的關系.在本文實驗樣機中,數碼相機圖像傳感器像素大小為3.9μm,即qΔ的B類不确度為uB(qΔ)=3.9μm.設鏡頭焦距的B類不确定度uB(f)=0.1mm,則綠光衍射角的B類不确定度uB(θ)=0.04°.但是由于采用定焦鏡頭,焦距誤差為系統誤差,最終傳遞給波長的測量誤差較小.若對鏡頭焦距進行校準後忽略其不确定度的影響,則角度測量的B類不确定度uB(θ)=0.004°=0.24′,優于傳統分光計的測量精度.若選用焦距更大的數碼相機,可獲得更高的測量精度.

3)實驗内容更豐富,有利于促進教學内容改革,激發學生學習興趣.可同時觀察到分光元件形成的多條光譜線,有助于學生更好地理解色散等光學現象.目前,絕大部分的大學生自己擁有電腦和手機,學生隻需利用數碼相機的藍牙或wifi功能将記錄的圖片發送到自己手機上,由學生課後完成實驗數據的處理.這樣可讓學生接觸到用Matlab等軟件進行圖像處理的基礎知識,學生還可自行設計軟件對實驗數據進行處理,有利于激發學生學習興趣、提高綜合創新能力.

5、結語

利用數碼相機進行觀測的新型分光計,可直觀地展示光學現象,調節難度低,測量誤差小;既很好地保留了學生親自操作實驗儀器、觀察現象、記錄并處理實驗數據的實驗教學特點,能較好地鍛煉學生動手實踐能力;又可讓學生在利用Matlab等軟件進行圖像處理、提取實驗參數的過程中,接觸到現代信息技術知識、激發學生實驗研究興趣;适合在光學實驗教學中推廣應用.

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