CN206339304U - 可调节角度组件及测量波长工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可调节角度组件及测量波长工具，涉及光波波长测量的技术领域。一种可调节角度组件包括支撑结构、第一连接臂和第二连接臂，所述支撑结构包括底座、转轴和刻度盘，转轴固装在底座上；第一连接臂的一端与第二连接臂的一端均能够围绕转轴旋转；所述刻度盘设置在所述转轴上，使得所述第一连接臂与所述第二连接臂设置在所述刻度盘与所述底座之间，能够在实验过程中调节各个角度，从而缓解了测波长实验中多次调节光线角度带来的困难；一种测量波长工具包括可调节角度组件以及光源、屏幕光栅和光屏，降低了光栅衍射及测波长实验条件，同时减少了实验投入经费。

Description

可调节角度组件及测量波长工具

技术领域

本实用新型涉及光波波长测量的技术领域，尤其是涉及一种可调节角度组件及测量波长工具。

背景技术

分光计测量光波波长是一个物理实验，其目的是为了了解衍射光栅的特点及其在光谱仪器中的应用和学会分光光度计的调整与使用，原理是当一束平行光垂直入射到光栅上，产生一组明暗相间的衍射条纹，如图1所示，其夫朗和费衍射主极大由下式决定：d＊sinΦ＝mλ。只要测出任意级次的某一条光谱线的衍射角，即可计算出该光波的波长。

式中：

d：光栅常数；d＝a+b；Φ：衍射角；m：主极大级次；m＝0，1，…

其中，光栅常数d＝a+b指相邻两个光栅缝的间距，a指光栅缝的缝宽，b指光栅不透明的宽度。

图2为分光计的示意图，包括平行光管1’，用于产生平行光；望远镜2’，用于接收衍射光；刻度盘3’，用于读取角度值；载物台4’，用于放置光栅；光源，钠光5’。

然而，分光计及实验所用衍射光栅在日常生活中很难找到，从而不方便做测光波的波长实验；在进行测波长实验时需要多次调节入射光线及衍射光线的角度，从而给实验带来了调节困难；分光计作为测光学量的精密光学仪器，增加了测波长的实验投入经费，并且提高了进行测光波的波长实验的条件。

基于以上技术问题，提出一种便于调节角度以及使测光波的波长实验更加容易进行的器具显得尤为关键。

实用新型内容

本实用新型提出了一种可调节角度组件，有效解决了测波长过程中多次调节入射光线及衍射光线角度的困难，使角度的调节更加容易。

本实用新型提出了一种测量波长工具，打破了测光学量就必须用精密光学仪器的局限，从而降低了光栅衍射实验条件，使得光波的波长测量起来更加方便，而且降低了实验投入经费。

本实用新型提供的一种光栅衍射实验器具包括支撑结构、第一连接臂和第二连接臂；

所述支撑结构包括底座、转轴和刻度盘，所述转轴固定安装在所述底座上；所述第一连接臂的一端与所述第二连接臂的一端均能够套设在所述转轴上，并能够围绕所述转轴旋转；所述刻度盘设置在所述转轴上，使得所述第一连接臂与所述第二连接臂设置在所述刻度盘与所述底座之间。

进一步的，所述转轴的底端设置有法兰结构，所述法兰结构与所述底座之间通过螺钉连接；所述转轴的顶端与所述刻度盘之间采用过盈配合连接。

进一步的，所述第一连接臂的一端及所述第二连接臂的一端与所述转轴之间均通过轴承连接，使所述第一连接臂与所述第二连接臂能够围绕所述转轴旋转。

进一步的，所述第一连接臂与所述第二连接臂上均设置有用于支撑两者的支撑柱，且所述支撑柱与两者之间通过螺钉固定连接。

本实用新型提供的一种测量波长工具包括可调节角度组件以及光源、屏幕光栅和光屏；

所述光源固定安装在靠近所述第一连接臂自由端的位置处，所述光屏固定安装在靠近所述第二连接臂自由端的位置处，所述屏幕光栅设置在所述刻度盘上；

所述光源的光线能够入射到所述屏幕光栅上，并能够将光线衍射到所述光屏上。

进一步的，所述屏幕光栅具体为手机屏幕光栅。

进一步的，所述光屏与所述第二连接臂之间设置有第三连接臂，且所述第三连接臂的一端安装在所述第二连接臂的自由端，所述第三连接臂的另一端固定安装所述光屏。

进一步的，所述第三连接臂与所述第二连接臂之间，以及所述第三连接臂与所述光屏之间均通过螺纹连接，使所述第三连接臂及所述光屏相对于所述第二连接臂固定不动。

进一步的，所述刻度盘上设置有第一固定件，且所述屏幕光栅能够固定安装在所述第一固定件上。

进一步的，靠近所述第一连接臂的自由端的位置处设置有第二固定件，且所述光源能够固定安装在所述第二固定件中。

本实用新型提供的一种可调节角度组件包括支撑结构、第一连接臂和第二连接臂；其中，支撑结构包括底座、转轴和刻度盘，第一连接臂与第二连接臂的一端均能够套设在转轴上，并能够围绕转轴旋转，当第一连接臂与第二连接臂转动一定距离时，在两者的当前位置画上记号，然后通过刻度盘读出两者的当前位置与初始位置之间的弧长，然后计算出各自当前位置与初始位置之间的夹角；当需要设置多个角度时，也可以通过可调节角度组件来完成，由于后续的测光波波长实验需要设置多组不同的角度，从而使该实验更容易进行，有效缓解了实验过程中多次调节入射光线及衍射光线角度带来的困难。

本实用新型提供的一种测量波长工具包括可调节角度组件以及光源、屏幕光栅和光屏，且光源、屏幕光栅和光屏均设置在可调节角度组件上，初始时，第一连接臂与第二连接臂共线布置，且两者均与屏幕光栅的法线方向垂直，即光线掠入射，使得光线能够垂直入射在光屏上，并记录方向；然后，缓慢转动第一连接臂和第二连接臂，即改变光线入射方向和光屏的角度，当光屏上第一次出现清晰的图像时，停止转动，并记录下光线入射方向；再缓慢转动第一连接臂和第二连接臂，当光屏上再次出现清晰的图像时，停止转动并记录下光线入射方向；多次重复上述过程，直到光屏上的图像不再明显；根据上述步骤，可以得到相邻两次最清晰的图像，即衍射效果最好的两个光线入射的方向。

本实用新型提供的一种测量波长工具，改变了测量光学量就必须使用精密仪器的现象，从而降低了光栅衍射实验条件，使光学量测量工具不再有所局限，进而使得光波的波长测量起来更加方便，而且由于屏幕光栅较为常见，降低了实验投入经费。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为光波衍射原理的示意图；

图2为现有技术中分光计的示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种可调节角度组件初始状态的示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种可调节角度组件调节角度后状态的示意图；

图5为图3或图4所示的可调节角度组件中支撑结构的示意图；

图6为图3或图4所示的可调节角度组件中第一连接臂、第二连接臂与转轴连接关系的示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种测量波长工具的示意图；

图8为测量波长工具进行测波长实验结果的matlab拟合曲线图。

图标：1’－载物台；2’－刻度；3’－平行光管；4’－狭缝；5’－钠光；100－支撑结构；101－底座；102－转轴；1021－法兰结构；103－刻度盘；104－第一固定件；105－轴承；110－第一连接臂；120－第二连接臂；130－第三连接臂；140－支撑柱；150－第二固定件；160－光源；170－屏幕光栅；180－光屏。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

具体结构如图3－图7所示。图3为本实用新型实施例提供的一种可调节角度组件初始状态的示意图；图4为本实用新型实施例提供的一种可调节角度组件调节角度后状态的示意图；图5为图3或图4所示的可调节角度组件中支撑结构的示意图；图6为图3或图4所示的可调节角度组件中第一连接臂、第二连接臂与转轴连接关系的示意图；图7为本实用新型实施例提供的一种测量波长工具的示意图。

本实施例提供的一种可调节角度组件包括支撑结构100、第一连接臂110和第二连接臂120；其中，支撑结构100包括底座101、转轴102和刻度盘103，且转轴102固定安装在底座101上；第一连接臂110的一端与第二连接臂120的一端均能够套设在转轴102上，并能够围绕转轴102旋转；刻度盘103设置在转轴102上，使得第一连接臂110与第二连接臂120设置在刻度盘103与底座101之间。

具体的，在第一连接臂110和第二连接臂120的一端均设置有通孔，使得第一连接臂110与第二连接臂120均能够套设在转轴102上，而且能够围绕转轴102旋转，以达到调节角度的目的；刻度盘103的底端设置有凹槽结构，该凹槽结构能够套设在转轴102的顶端，且通过刻度盘103与底座101的相互配合使用，能够将第一连接臂110与第二连接臂120夹在两者之间，以防止在调节角度旋转过程中沿转轴102的轴向窜动，从而影响角度的调节精度。

另外，在第一连接臂110与第二连接臂120的自由端处均设置有安装孔，通过安装孔可以在第一连接臂110与第二连接臂120的自由端处安装其他一些实验器件；而且出于对称与稳定的考虑，底座101采用圆形，也可以用任何上下表面都是平面的物体代替。

本实施例提供的一种可调节角度组件通过旋转第一连接臂110及第二连接臂120，使得两者均相对于初始位置旋转一定弧长的距离，然后可以人为观测第一连接臂110及第二连接臂120对应在刻度盘103上的刻度，并记录下该刻度以得知第一连接臂110及第二连接臂120旋转后的实际位置，由于提前知道刻度盘103直径尺寸，因此可以根据测量的弧长以及已知的刻度盘103直径，求得第一连接臂110及第二连接臂120的当前位置与初始位置之间的夹角，根据一些实验的具体情况进行旋转第一连接臂110及第二连接臂120，从而可以调节出不同的角度。如在测光波的波长实验中，需要多次调节入射光线及衍射光线的方向，即调节入射角和衍射角，所以，通过应用可调节角度组件有效解决了角度调节繁琐、困难的问题，使角度调节更加容易。

本实施例的可选技术方案中，转轴102的底端设置有法兰结构1021，且法兰结构1021与底座101之间通过螺钉连接；转轴102的顶端与刻度盘103之间采用过盈配合连接。

需要说明的是，为保证转轴102能够沿竖直方向而不产生倾斜的现象，在转轴102的底端设置法兰结构1021，并将法兰结构1021固定安装在底座101上，从而有效避免了在第一连接臂110及第二连接臂120旋转时转轴102产生倾斜的现象发生；为准确记录第一连接臂110及第二连接臂120转动的弧长距离，刻度盘103与转轴102之间不能够产生相对转动，从而将刻度盘103套设在转轴102的顶端，且两者之间存在配合关系，考虑到刻度盘103的另一个作用是限制第一连接臂110和第二连接臂120沿转轴102轴向的运动，因此，刻度盘103与转轴102之间采用过盈配合连接。

本实施例的可选技术方案中，第一连接臂110的一端及第二连接臂120的一端与转轴102之间通过轴承105连接，使得第一连接臂110与第二连接臂120能够围绕转轴102旋转；通过增设轴承105能够减小第一连接臂110及第二连接臂120与转轴102之间的摩擦阻力，从而使第一连接臂110与第二连接臂120更容易围绕转轴102旋转，进而更有利于第一连接臂110与第二连接臂120旋转角度的调节。

本实施例的可选技术方案中，第一连接臂110与第二连接臂120上均设置有用于支撑两者的支撑柱140，且支撑柱140与两者之间通过螺钉连接。

由于第一连接臂110与第二连接臂120的自由端上会安装一些其他零部件，从而导致第一连接臂110与第二连接臂120上承受较大的弯矩，当承载较大时且承载时间较长时，很容易将一些材料的第一连接臂110与第二连接臂120压弯，进而影响到调节角度组件的正常使用。因此，为防止第一连接臂110与第二连接臂120被压弯而影响使用，在两者的下端均安装有支撑柱140，且支撑柱140的底端与底座101的底端相持平，从而保证了调节角度组件在使用过程中的稳定性。

本实施例提供的一种测量波长工具包括可调节角度组件，还包括光源160、屏幕光栅170和光屏180；其中，光源160固定安装在靠近第一连接臂110自由端的位置处，光屏180固定安装在靠近第二连接臂120自由端的位置处，屏幕光栅170设置在刻度盘103上；光源160的光线能够入射到屏幕光栅170上，并能够将光线衍射到光屏180上。

具体的，将屏幕光栅170固定在支撑结构100中的刻度盘103上，并将光源160和光屏180分别固定安装在屏幕光栅170的两侧，以达到通过屏幕光栅170将光源160的光线衍射在光屏180上；起初，光源160、屏幕光栅170及光屏180在同一条直线上，且光源160的入射光线垂直于屏幕光栅170的法线以及光屏180的正面，此时，光源160的入射光线未经过屏幕光栅170的衍射而直接打在光屏180上；然后缓慢旋转第一连接臂110和第二连接臂120，即调节入射光线方向与光屏180的角度，并使出射光线始终与光屏180的正面垂直，当光屏180上第一次出现清晰的图像时停止旋转，并在入射光线方向上划线，以记录入射方向；然后继续旋转第一连接臂110和第二连接臂120，调节两者的旋转角度，当光屏180上再次出现清晰的图像时停止旋转，并再次在入射光线方向上划线，以记录入射方向；多次重复上述过程，直到光屏180上图像的变化不再明显；根据上述步骤，可以得到相邻两次最清晰的图像，即得到衍射效果最好的两个光线入射方向，最后根据波长计算公式并通过多次实验数据计算出波长。

通过该种测量波长工具改变了使用精密仪器进行实验，降低了光栅衍射实验条件，从而使得测波长实验更容易进行，而且屏幕光栅170较为常见，有效降低了实验投入经费。

进一步的，屏幕光栅170包括很多种类，生活中常见的包括手机屏幕光栅、平板电脑屏幕光栅，还有一些常见的LED屏幕等，考虑到使用方便，随身携带等因素，优选地，本实施例中的屏幕光栅170具体为手机屏幕光栅。

本实施例的可选技术方案中，光屏180与第二连接臂120之间设置有第三连接臂130，且第三连接臂130的一端安装在第二连接臂120的自由端，第三连接臂130的另一端固定安装光屏180。

其中，第三连接臂130可以设置成可伸缩的形式，用于调节光屏180的高度，由于屏幕光栅170的种类、尺寸不一，在进行光栅实验时需要根据具体情况选取屏幕光栅170，然后可以根据所选取光栅的种类、尺寸等调节光屏180的高度，以使得光屏180的位置更加灵活，有利于实验的顺利进行。

本实施例的可选技术方案中，第三连接臂130与第二连接臂120之间铰接，使得第三连接臂130及光屏180能够相对于第二连接臂120转动。

首先将第一连接臂110及其上的光源160旋转一定角度，即改变入射光线的角度，然后再旋转第二连接臂120使其满足一定条件后即在光屏180上出现清晰的图像，为使光屏180上更容易出现清晰的图像，旋转第三连接臂130及光屏，使光屏180的正面与衍射光线保持垂直。

本实施例的可选技术方案中，刻度盘103上设置有第一固定件104，且屏幕光栅170能够固定安装在第一固定件104中，但不限于此，还可以在刻度盘103上开设凹槽，以使得屏幕光栅170能够设置在凹槽中。

本实施例的可选技术方案中，靠近第一连接臂110的自由端的位置处设置有第二固定件150，且光源160能够固定安装在第二固定件150上；光源160也可以通过胶水固定在第一连接臂110的自由端处，或者用钉子等其他物体固定。

考虑到现有技术中大多采用光栅与分光计进行衍射及测波长实验，抛去加工问题，仪器的购买对于普通人来说较为繁琐，且适用范围狭窄；与之相比，本实施例提供的测量波长工具中采用人们常见的手机屏幕光栅或者其他屏幕光栅代替传统光栅进行实验，同时，支撑结构、第一连接臂、第二连接臂、第三连接臂及支撑柱可以采用木质产品，使得材料常见易得，且产品可通过简单加工得到；光源可以采用常见的激光笔，理论上可见光范围内(400－700nm)的各种波长的激光笔均可进行试验，而非仅仅是绿光激光笔，本实施例中采用波长为530nm的激光笔的原因是正常人眼对波长为555nm的电磁波最为敏感；光屏可移动以接收到衍射图样，也可用面积较大的固定光屏代替；刻度盘可以是在木板上粘贴一圈带刻度的软尺制成，或者可以采用量角器代替；这样一来，降低了整个实验的门槛，且使光学实验不再局限于实验室用，有利于激发大众对光学实验的兴趣，进一步在简便易行的实验中体会科学的魅力。

现有技术采用专业的实验设备，首先操作上有一定门槛，特别是分光计的使用，其次，仪器的成本较高，但是作为专业的实验仪器，其精度是本实施例提供的测量波长工具无法超越的，与现有技术相比，本实施例提供测波长工具的优点是材料简单易得，并且为常见的物品，使用这样的材料制成产品成本低廉，易于加工，操作也大大简化，使一个要在实验室中使用分光计和光栅的光学实验在普通人的家中就可以进行，虽然精度无法达到现有的实验室技术水平，但作为向大众的推广产品，前景广阔。

基于某种特定型号的手机屏幕光栅进行测波长实验：

由光栅方程d(sinθ)＝jλ，通过入射光波的波长λ和像素点相邻间距d的形式确定了掠射角θ符合相互增强的干涉光束的角位置。当该式满足时，发生相长干涉，导致强度分布中产生峰值。

实验原理：本实验利用光的波动性，根据反射光栅的夫琅禾费现象来测量光波的波长。已知屏幕光栅可看作理想反射光栅，液晶单元以规则的正方形二维模式排列，晶格点之间的间距d可由屏幕像素点之间的距离求出。已知屏幕参数：长(a)×宽(b)；主屏分辨率：(m)×(n)；d＝a/m＝b/n。

具体实验过程如下：

1、入射光线与屏幕光栅法线的夹角θ初始值为90°(掠射角入射)，在此入射光线方向上划线，以记录初始入射方向；

2、通过转动光源逐渐减小入射光线与屏幕光栅法线的夹角θ，并旋转光屏，使其与出射光线保持垂直，当光屏上第一次出现清晰的图像时，在此时入射光线方向上划线，以记录入射方向；

3、继续减小入射光线与屏幕光栅法线的夹角θ，并保证光屏与出射光线垂直，指导光屏上再次出现清晰地图像，在此时入射光线方向上划线，以记录入射方向；

4、重复步骤3，直到入射光线与屏幕光栅法线的夹角减小，光屏上图像的变化不再明显。

根据步骤2、3可以判断相邻两次最清晰图像对应的j值相差为1，由此可以通过多次的实验数据计算出相应的j值以及波长。

实验测量数据：(并用matlab进行竖直拟合求出光波波长)，拟合结果如图8所示。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种可调节角度组件，其特征在于，包括：支撑结构、第一连接臂和第二连接臂；

所述支撑结构包括底座、转轴和刻度盘，所述转轴固定安装在所述底座上；所述第一连接臂的一端与所述第二连接臂的一端均能够套设在所述转轴上，并能够围绕所述转轴旋转；所述刻度盘设置在所述转轴上，使得所述第一连接臂与所述第二连接臂设置在所述刻度盘与所述底座之间。

2.根据权利要求1所述的可调节角度组件，其特征在于，所述转轴的底端设置有法兰结构，所述法兰结构与所述底座之间通过螺钉连接；所述转轴的顶端与所述刻度盘之间采用过盈配合连接。

3.根据权利要求1所述的可调节角度组件，其特征在于，所述第一连接臂的一端及所述第二连接臂的一端与所述转轴之间均通过轴承连接，使所述第一连接臂与所述第二连接臂能够围绕所述转轴旋转。

4.根据权利要求1所述的可调节角度组件，其特征在于，所述第一连接臂与所述第二连接臂上均设置有用于支撑两者的支撑柱，且所述支撑柱与两者之间通过螺钉固定连接。

5.一种测量波长工具，包括权利要求1－4任一项所述的可调节角度组件，其特征在于，还包括光源、屏幕光栅和光屏；

所述光源固定安装在靠近所述第一连接臂自由端的位置处，所述光屏固定安装在靠近所述第二连接臂自由端的位置处，所述屏幕光栅设置在所述刻度盘上；

所述光源的光线能够入射到所述屏幕光栅上，并能够将光线衍射到所述光屏上。

6.根据权利要求5所述的测量波长工具，其特征在于，所述屏幕光栅为手机屏幕光栅。

7.根据权利要求5所述的测量波长工具，其特征在于，所述光屏与所述第二连接臂之间设置有第三连接臂，且所述第三连接臂的一端安装在所述第二连接臂的自由端，所述第三连接臂的另一端固定安装所述光屏。

8.根据权利要求7所述的测量波长工具，其特征在于，所述第三连接臂与所述第二连接臂之间，以及所述第三连接臂与所述光屏之间均通过螺纹连接，使所述第三连接臂及所述光屏相对于所述第二连接臂固定不动。

9.根据权利要求5所述的测量波长工具，其特征在于，所述刻度盘上设置有第一固定件，且所述屏幕光栅能够固定安装在所述第一固定件中。

10.根据权利要求5所述的测量波长工具，其特征在于，靠近所述第一连接臂的自由端的位置处设置有第二固定件，且所述光源能够固定安装在所述第二固定件上。