光學(xué)論文范文

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第1篇

關(guān)鍵詞銀幕類型亮度系數(shù)增益

銀幕是指能接受幻燈、投影、電影等設(shè)備所投射出的光束，并在其表面顯示圖像的白色特制平面，也稱之為放映銀幕。它對(duì)放映畫面的亮度、清晰度、對(duì)比度、色彩還原和放映聲音起著重要的作用。要使銀幕達(dá)到良好的放映效果，就必須對(duì)銀幕的種類、光學(xué)原理和使用方法等進(jìn)行充分的研究。

一、銀幕的類型

目前常用的銀幕按幕面的光學(xué)特性分為兩大類：反射式銀幕和透射式銀幕。反射式銀幕不受尺寸限制，但受環(huán)境光線的影響較大，包括各種規(guī)格的手動(dòng)掛幕和電動(dòng)掛幕。如升降幕、支架幕、地拉幕、桌幕、金屬平面幕、弧面幕等。反射式銀幕按照光學(xué)原理分為漫散反射銀幕和方向性漫散反射銀幕。透射型銀幕畫面整體感較強(qiáng)，不受環(huán)境光線的影響，能正確反映圖像質(zhì)量，畫面色彩艷麗，形象逼真，包括各種規(guī)格的硬質(zhì)透射幕和軟質(zhì)背投幕。透射式銀幕按照光學(xué)原理多為方向性漫散透射銀幕。

1、漫散反射銀幕

漫散反射銀幕是放映電影和幻燈投影中常用的一種銀幕。其特點(diǎn)是銀幕表面能將照射到幕面上的光線，在較大擴(kuò)散角范圍內(nèi)，均勻分散地反射到各個(gè)方向，在銀幕的前方任何不同的角度觀看銀幕影像時(shí)，其亮度基本不隨方向和角度而改變，散射角大，顏色準(zhǔn)確自然。

2、方向性漫散反射銀幕

方向性漫散反射銀幕的特點(diǎn)是將照射到幕面上的光線經(jīng)過(guò)反射并重新分配后集中于一定方向的角度內(nèi)，因而在這個(gè)角度內(nèi)銀幕亮度高，觀眾在這一角度內(nèi)觀看時(shí)圖像清晰明亮：但偏離這一特定的角度時(shí)。銀幕亮度有明顯下降。另外，有一些方向性漫散反射銀幕對(duì)某些顏色具有排斥作用，會(huì)使彩色影像的顏色失真。

3、方向性漫散透射銀幕

方向性漫散透射幕的特點(diǎn)是當(dāng)光線照射到銀幕上時(shí)，在以入射光線為中心的立體角內(nèi)都有透射光，在入射光方向上透射光強(qiáng)有最大值，偏離此方向越遠(yuǎn)透射光強(qiáng)越小，因此看起來(lái)入射方向最亮，遠(yuǎn)離此方向則變暗。這種幕放映時(shí)，可不用遮暗。

二、銀幕的幾個(gè)重要光學(xué)指標(biāo)

1、銀幕的反射系數(shù)、透射系數(shù)和吸收系數(shù)

光線投射到銀幕上，通常分成三部分：一部分被反射，一部分被吸收，還有一部分穿透銀幕。我們分別用反射系數(shù)、透射系數(shù)和吸收系數(shù)表示銀幕材料對(duì)入射光線的反射、透射和吸收程度。

反射系數(shù)=銀幕反射的光通t/照射到銀幕的總的光通量(1)

透射系數(shù)=銀幕透射的光通量/照射到銀幕上總的光通量(2)

吸收系數(shù)=銀幕吸收的光通量/照射到銀幕上總的光通量(3)

對(duì)于任何一種幕面光學(xué)材料，這三個(gè)系數(shù)之和都等于1。

即：反射系數(shù)+透射系數(shù)+吸收系數(shù)=1(4)

各種銀幕的光學(xué)材料都可用上述三種系數(shù)表明其特性，某種材料的吸收系數(shù)大，說(shuō)明射到它上面的光通量損失大。無(wú)論是何種銀幕都要求吸收系數(shù)值越小越好。吸收系數(shù)的大小與銀幕光學(xué)材料的吸光性、厚度和顏色有關(guān)：材料吸光性高、厚度大、顏色深，則吸收系數(shù)大。與其它材料相比，白色材料吸收系數(shù)值最小。

反射型銀幕要求反射系數(shù)大，透射系數(shù)盡量小。在同樣的光照條件下，反射系數(shù)越高，銀幕反射的光線就越多。幕面就越亮。透射型銀幕則要求透射系數(shù)盡量大，反射系數(shù)盡量小。

2、銀幕的亮度系數(shù)

銀幕的亮度系數(shù)Rα，就是在同一照明條件和規(guī)定的觀察條件下，當(dāng)入射光線沿銀幕法線方向時(shí)，在觀看銀幕一側(cè)與銀幕法線方向成α角方向的銀幕亮度Bα與同樣條件下理想漫散幕的亮度BO的比值。即Rα=Bα/BO(5)

理想漫散幕是抽象的一種理想銀幕，即反射系數(shù)(或透射系數(shù))為1，并且能將全部入射光能量以完全均勻的亮度反射(或透射)到半球空間內(nèi)。

顯然，由式(5)看出亮度系數(shù)Rα是角度α的函數(shù)，不同銀幕的亮度系數(shù)Rα可用亮度系數(shù)特性曲線表示，它表明銀幕表面亮度系數(shù)根據(jù)觀察方向不同而變化的情況，如圖1。

(1)當(dāng)銀幕是理想漫散銀幕時(shí)：Bα=BO，Rα=1。其特性曲線如曲線1所示。

(2)當(dāng)銀幕是實(shí)際漫散銀幕時(shí)，亮度Bα在近法較大幅度內(nèi)與。α角無(wú)關(guān)，僅在α接近90度時(shí)，亮度才有所降低，其特性曲線如曲線2所示。所以漫散反射銀幕的光能量分配在一定范圍內(nèi)是均勻的。觀看者在此范圍內(nèi)觀看銀幕時(shí)，亮度大致相同。

(3)當(dāng)銀幕是方向性漫散銀幕時(shí)，在銀幕法線(假定入射方向沿法線)方向的某個(gè)范圍內(nèi)Bα可以大于BO，因而Rα＞1，但隨著α角的增大，Bα不斷減小，Rα則隨著不斷減小。當(dāng)α超過(guò)一定值時(shí)，Rα即小于1，其亮度特性曲線如曲線3所示。由于方向性漫散銀幕對(duì)入射的光能量在空間的不同方向上重新分配，光線集中在某個(gè)方向上，其亮度系數(shù)大于1，但是這些方向上的亮度提高是依靠降低其它方向上的亮度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，反射系數(shù)(或透射系數(shù))并未超過(guò)1。

我們把亮度系數(shù)的最大值稱為銀幕的增益。漫反射銀幕典型的亮度增益值在0.8-1.0之間，而方向性漫散銀幕的亮度增益可以從1.4直到2.0，甚至更高。所以方向性漫散銀幕也稱增益銀幕。對(duì)于增益銀幕，我們不能只慮它的增益系數(shù)，還要考慮銀幕的亮度特性曲線是否平緩。低增益系數(shù)銀幕的亮度系數(shù)隨著角度的增大降低的幅度較小。高增益系數(shù)銀幕的亮度系數(shù)隨著角度的增大降低的幅度較大。也就是說(shuō)，對(duì)于高增益銀幕，我們希望其亮度特性曲線越平緩越好。

經(jīng)多年試驗(yàn)和驗(yàn)證，電影界已形成銀幕亮度標(biāo)準(zhǔn)，且被全世界采用。在SMPTE公布的與影院放映影片有關(guān)的銀幕亮度標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定銀幕中心亮度為16英尺朗伯(55cd/m2)。邊緣為12英尺朗伯(41.25cd/m2)。這是放映機(jī)上無(wú)影片運(yùn)行、白光下所測(cè)得的銀幕亮度值。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)指出銀幕中心亮度不宜過(guò)亮，也就是說(shuō)不應(yīng)有熱點(diǎn)(hotspotting)。通常，銀幕亮度取決于放映機(jī)發(fā)出的光流以及放映燈和銀幕之間的光損失，也就是反光鏡、鏡頭、放映窗玻璃所造成的光損失，以及從銀幕上反射光線的損失。

3、銀幕的散射角

散射角也稱為視角，是指亮度系數(shù)為Rα=0.7Rαmax(Ramax指該銀幕的增益)時(shí)的2a角稱為散射角，如圖1所示。散射角在選擇銀幕時(shí)是一個(gè)重要的光學(xué)參數(shù)，觀看者觀看銀幕時(shí)，應(yīng)處于散射角范圍內(nèi)，這樣才能獲得較為清晰、明亮的圖像。一般來(lái)說(shuō)銀幕的增益越大，散射角越小：增益越小，散射角越大。

4、銀幕的清晰度

銀幕畫面清晰度是放映質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，是指銀幕上影像各細(xì)部影紋及其邊界的清晰程度。通常以解像力來(lái)表示，即每毫米可分辨的線條數(shù)，單位為線對(duì)\毫米。解像力越高。并且銀幕中心和四周的解像力相差不大，則銀幕上的圖像顯得越清晰。一般來(lái)說(shuō)，銀幕的解像力達(dá)到50線對(duì)\毫米就可以達(dá)到比較良好的圖像清晰度。

三、常用的幾種銀幕

1、白色布幕、白色塑料幕、布基涂塑幕

白色布幕由白布精漂而成l白色塑料幕是由白色聚氯乙烯制成，布基涂塑幕是在幕基(布或其它織物)上噴涂一層白色聚氯乙烯或白色硫酸鋇涂料而成。這些銀幕都屬漫散反射式銀幕，光線反射柔和，亮度均勻，增益不高，對(duì)放映環(huán)境透光遮擋要求嚴(yán)，反射系數(shù)在0.7～0.85,散射角在140度左右。

2、金屬銀幕

金屬銀幕均屬方向性漫散反射銀幕，金屬銀幕可提供更大的輻射強(qiáng)度，就像鏡子反射光一樣，這種銀幕的亮度系數(shù)范圍較廣，一般在1.5～10之間。使用這種銀幕時(shí)應(yīng)注意，增益越高，散射角越窄。該銀幕的缺點(diǎn)是密度不易做均勻，從而造成平整度受影響，因此，建議不要用這種材料制作太大的銀幕。

金屬銀幕分為鋁箔反光幕和銀粉幕。鋁箔反光幕是在幕基(如麻布、白細(xì)布、漆布、塑料等材料)上噴涂一層鋁反射層或刷一層鋁粉漆。也可將鋁板表面腐蝕或噴砂形成白色無(wú)光澤表面。這種銀幕隨制作工藝不同，反射系數(shù)通常不超過(guò)0.65,亮度系數(shù)可在1.5～4.5之間，散射角一般不超過(guò)50度。銀粉幕是在幕基上均勻涂上銀粉使之反射投影光。

金屬銀幕中有一種稱為金屬光柵銀幕，它是在幕基上涂布一層含有增塑劑的白色聚氯乙烯，再涂含鋁粉的清漆，干燥后在專門的機(jī)器中加熱到200度C，并壓出光柵網(wǎng)格。這種幕的散射角水平方向?yàn)?000,垂直方向?yàn)?00,在此范圍內(nèi)亮度系數(shù)平均為1.3，在法線方向?yàn)?.5。這個(gè)范圍內(nèi)反射光占全部反射光的81％，占放映機(jī)有效光通量的52％，因而金，屬光柵銀幕光效高，均勻性好。

3、玻璃微珠幕

玻璃微珠幕是在幕基上涂一層白膠漆，然后再均勻噴上一層直徑為0.02～0.03mm的透明玻璃珠，經(jīng)干燥后而成。玻璃微珠幕屬于方向性漫散反射印幕，具有耐老化、不易褪色、色彩還原性好的優(yōu)點(diǎn)，銀幕增益為2～4之間，幕前中心亮度為580E左右，反射系數(shù)0.75以下，散射角約為50度左右。此類銀幕玻璃珠直徑越大，散射角越小，亮度系數(shù)越大。這種銀幕不能折疊，不能用手指、鋒利硬物碰觸幕面，否則容易造成污痕和裂紋。

4、穿孔銀幕

通常放映時(shí)為了使聲音與畫面效果配合協(xié)調(diào)一致?lián)P聲器最好放置在銀幕后的正中央處，這時(shí)就會(huì)影響聲音的高頻特性。為了提高聲音保真度，可使用穿孔銀幕。銀幕穿孔既要獲取最佳的聲學(xué)特性，又要使觀眾觀察不到幕孔。穿孔銀幕的構(gòu)造是在幕面均勻打上很多小孔，一般孔的直徑在0.5－1.2mm之間，小孔之間應(yīng)有5.5mm的間隔：小孔面積總和占銀幕面積的2％～5％左右，這樣觀眾在觀看影像時(shí)看不到小孔。穿孔銀幕有不同的幕面構(gòu)造。常見(jiàn)的有橡皮穿孔幕、塑料穿孔幕、玻璃珠穿孔幕、金屬穿孔幕等。銀幕經(jīng)穿孔后，其表面特性不變，只是改變了音響效果。穿孔銀幕因幕面有孔，透光較多，亮度將降低。

5、毛玻璃銀幕

屬方向性漫散透射銀幕，用毛玻璃制成，一般尺寸不大，方向性特別強(qiáng)，最大亮度系數(shù)可達(dá)13。

四、銀幕的選擇

銀幕類型、形狀和尺寸三個(gè)因素影響著銀幕上的影像。銀幕的選擇主要依據(jù)放映場(chǎng)所的實(shí)際情況，合理選擇銀幕的類型、銀幕的尺寸和銀幕的形狀。

1、銀幕類型的選擇

方向性漫散反射銀幕，由于亮度系數(shù)大，散射角小，所以適合用于窄而長(zhǎng)的放映場(chǎng)所。對(duì)于寬而短的放映場(chǎng)所，則應(yīng)選擇散射角大、亮度系數(shù)均勻的漫散反射銀幕，這種銀幕能使各個(gè)方位的觀眾都獲得滿意的視覺(jué)效果。對(duì)于無(wú)任何遮光條件而又明亮的放映場(chǎng)所，可考慮選擇透射式銀幕，其抗雜光干擾性能特別好。放映立體幻燈或電影，則必須選擇金屬銀幕，因?yàn)榻饘巽y幕的反射不改變光的偏振情況，其它材料的銀幕反射改變光的偏振情況。

2、銀幕形狀的選擇

銀幕的外形一般有長(zhǎng)方形和正方形，長(zhǎng)方形適用于電影放映，正方形適用于幻燈、投影放映，銀幕的寬高比例要適合于放映設(shè)備顯示的圖像比例。銀幕大小與影像格式的關(guān)系如表1所示

銀幕形狀還普遍認(rèn)為應(yīng)遵守漫反射銀幕為平面、增益銀幕為弧形這一準(zhǔn)則。其理由是如果漫反射銀幕采用弧形設(shè)計(jì)，銀幕上相互之間由于光的散射會(huì)使亮度降低，而且有可能使對(duì)比度下降，所以漫反射銀幕通常為平面設(shè)計(jì)，增益銀幕弧深為弦長(zhǎng)的5％(弦高比20：1)。弧形大的銀幕可容納更多的觀眾。所以，選擇弧形銀幕設(shè)計(jì)時(shí)推薦使用增益銀幕。

3、銀幕大小的選擇

第2篇

關(guān)鍵詞：低溫真空低溫光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置有限元ZYGO干涉儀梯形支撐

1引言

隨著空間技術(shù)和軍事技術(shù)的發(fā)展需要，探測(cè)儀器的分辨率要求越來(lái)越高。在深冷的條件下，當(dāng)需要探測(cè)的目標(biāo)信號(hào)十分虛弱時(shí)，探測(cè)儀器的背景輻射主要來(lái)自儀器本身的光學(xué)系統(tǒng)和支撐結(jié)構(gòu)，探測(cè)儀器靈敏度嚴(yán)重受到系統(tǒng)本身輻射的影響，為減少這一熱噪聲，冷卻光學(xué)系統(tǒng)是必需采用的方法。只有把光學(xué)系統(tǒng)冷卻及其相關(guān)部件冷卻到一定程度，才能有效地減少背景光子的通量，發(fā)揮背景極限探測(cè)器的作用，大大提高探測(cè)器靈敏度。在低溫狀態(tài)下工作的光學(xué)系統(tǒng)需要解決一系列問(wèn)題，這些問(wèn)題涉及材料特性、光學(xué)元件單元及系統(tǒng)整體性能變化、光學(xué)元件變形、低溫污染等等，這就形成了一門新興學(xué)科——低溫光學(xué)。

自上世紀(jì)七十年代開始，美國(guó)首先對(duì)低溫光學(xué)技術(shù)進(jìn)行研究，最初主要用于各種觀察、測(cè)量系統(tǒng)，例如低溫紅外望遠(yuǎn)鏡、空載干涉儀器等。從機(jī)載、球載到星載，大多數(shù)系統(tǒng)都成功有效地完成了對(duì)外空的各種探測(cè)任務(wù)。歐洲一些國(guó)家也對(duì)低溫光學(xué)系統(tǒng)的觀察儀器進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)起步于上世紀(jì)八十年代末，由于國(guó)內(nèi)航天及其國(guó)防事業(yè)的發(fā)展要求有高靈敏度的探測(cè)器，而這些儀器將不可避免地用到低溫光學(xué)系統(tǒng)。

我國(guó)的未來(lái)光學(xué)遙感系統(tǒng)采用了十幾個(gè)光學(xué)元件，這些系統(tǒng)要求冷卻到150K，并且對(duì)光學(xué)元件的控溫范圍要求非常嚴(yán)格，因此就需要研制一套低溫真空實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)相關(guān)的光學(xué)元件進(jìn)行低溫實(shí)驗(yàn)。

2系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的建立

該光學(xué)系統(tǒng)的最主要部件之一是動(dòng)鏡裝置部分。基于反射鏡的溫度要冷卻到150K并對(duì)反射鏡的變形進(jìn)行研究的目的，就需要建立一套高真空和低溫應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)還要滿足進(jìn)行其它光學(xué)元件的低溫實(shí)驗(yàn)需要。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置由真空機(jī)組、低溫真空腔體、防振系統(tǒng)、測(cè)量裝置等主要部分組成。

2.1低溫真空腔體設(shè)計(jì)

低溫真空光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖如圖1所示，1-機(jī)械泵2-預(yù)閥3-分子泵4-高閥5-銅帶6-低溫真空腔7-直線電機(jī)8-電源9-被測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)10-ZYGO干涉儀11-光學(xué)窗口12-監(jiān)控計(jì)算機(jī)13-溫控電路14-鉑電阻15-電熱器16-液氮箱17-活性炭18-氮?dú)?9液氮20低閥。低溫真空腔體是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，其示意圖見(jiàn)如圖2，1—抽氣管2-液氮桶3-上腔體4-銅帶5-引線出口6-支撐平臺(tái)7-下腔體8-電機(jī)支撐9-梯形支撐10-光學(xué)窗口11-O形圈12-動(dòng)鏡支撐框架13-O形圈14-活性炭15-出氣管16-進(jìn)液管。腔體總高461mm，外殼直徑284mm。內(nèi)有圓柱形液氮容器，可以儲(chǔ)存液體約4升。其中的光學(xué)元件支撐框架是專門為動(dòng)鏡設(shè)計(jì)的，其高度177mm。整個(gè)腔體可以測(cè)試直徑小于250mm,高度小于200mm的各類反射鏡和光學(xué)元件。

液氮桶下面用銅帶接光學(xué)元件裝置，當(dāng)液氮桶灌注液氮后，冷量通過(guò)銅帶傳導(dǎo)給光學(xué)元件裝置。下腔體的石英玻璃光學(xué)窗口直徑為64mm.光學(xué)元件支撐結(jié)構(gòu)由支撐平臺(tái)和固定夾板組成。用固定夾板是為了防止光學(xué)元件框架移動(dòng)，并保證光線垂直射到動(dòng)鏡表面上。由于動(dòng)鏡需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而電機(jī)的發(fā)熱量為3-5W，而這部分熱量輻射對(duì)動(dòng)鏡有很大影響，因此就用導(dǎo)熱率較高的紫銅支撐把一部分熱量盡可能的傳遞給系統(tǒng)外部。由于光學(xué)元件裝置部分需要冷卻因此就需要盡量避免它與外界和腔體傳遞熱量，因此就考慮用梯形支撐，由于梯形支撐壁很薄，就起到了很好的隔熱作用。

2.2真空抽氣系統(tǒng)和活性炭處理

真空抽氣系統(tǒng)由機(jī)械泵和分子泵組成。由于ZYGO干涉儀器對(duì)震動(dòng)非常敏感，在光學(xué)測(cè)試的同時(shí)，關(guān)掉機(jī)械泵和分子泵。在關(guān)掉機(jī)械泵和分子泵的期間，還要維持真空腔體內(nèi)的真空，故考慮在腔體內(nèi)加活性炭以維持腔體內(nèi)的真空度。為了去處活性炭中的水汽和其它氣體，需要對(duì)其進(jìn)行烘烤預(yù)處理。活性炭在加工的時(shí)候已經(jīng)固定于上組件中，所以把整個(gè)上組件放在DZF-6210真空干燥箱中，在溫度為100°C，烘烤約48小時(shí)使得真空度穩(wěn)定在0.1Pa，然后再做真空低溫實(shí)驗(yàn)。

2.3ZYGO激光平面干涉儀器

非平面的光學(xué)元件可以用He-Ne儀器進(jìn)行光學(xué)測(cè)量，而平面型光學(xué)元件只能用ZYGO干涉儀如圖3進(jìn)行測(cè)量，由于ZYGO干涉儀器對(duì)震動(dòng)非常敏感，因此就需要防震措施。如圖3為ZYGO激光平面干涉儀及其防震裝置。

圖1低溫真空光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖

圖2低溫真空腔體結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

3關(guān)鍵部件的分析與設(shè)計(jì)

3.1光學(xué)窗口的有限分析

干涉測(cè)量的光線要通過(guò)窗口，所以就要考慮窗口的厚度對(duì)測(cè)量誤差的影響，應(yīng)盡可能使光學(xué)窗口厚度最小，同時(shí)還要能承受外部一個(gè)大氣壓的作用。在外部一個(gè)大氣壓，內(nèi)部幾乎為真空的條件下，綜合考慮窗口折射帶來(lái)誤差的影響和其強(qiáng)度的大小，要求石英玻璃窗口的最大變形小于一個(gè)波長(zhǎng)λ（λ=0.53μm）。

通過(guò)ANSYS軟件建立動(dòng)鏡的有限元模型，并施加邊界條件，改變動(dòng)鏡的厚度，進(jìn)行變厚度有限元分析。如圖4-圖6是其中比較有代表性的三個(gè)分析結(jié)果。從有限元分析結(jié)果可以得到不同厚度玻璃窗口最大變形比較。光學(xué)窗口厚8mm時(shí)其最大變形0.989μm遠(yuǎn)超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)，當(dāng)其厚度從10mm變到12mm,起最大變形都小于一個(gè)波長(zhǎng)，但是變化值并不大。窗口厚度變大，其折射帶來(lái)的誤差就大，為了保證其強(qiáng)度，綜合這兩個(gè)因素選擇10mm厚，徑厚比為6.4∶1的玻璃窗口。

3.2梯形支撐的設(shè)計(jì)

梯形支撐是連接真空腔體和支撐平臺(tái)的關(guān)鍵部件，如圖7為其示意圖,圖中為熱端溫度，為冷端溫度。它一方面要求滿足盡量減少導(dǎo)熱，起到“絕熱”的作用，另一方面又要求其強(qiáng)度能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

圖7梯形支撐模型示意圖

根據(jù)[1]知道，梯形支撐的熱傳導(dǎo)量為：

（1）

式中：——從支撐熱端溫度到冷端溫度之間支撐材料的平均熱導(dǎo)率；其表達(dá)式為：

（2）

——支撐的橫截面積；

L——支撐的高度。

考慮到起其強(qiáng)度[5]，有：

（3）

式中：——作用于構(gòu)件的設(shè)計(jì)載荷；

——安全系數(shù)；

——支撐材料的屈服強(qiáng)度。

由公式（1）、（2）和（3）可得：

（4）

由公式4可以看出傳熱量與材料屈服強(qiáng)度與材料導(dǎo)熱系數(shù)之比成反比。欲使傳熱量越小，就應(yīng)該選擇越大的材料，即材料的屈服強(qiáng)度盡量大，材料的導(dǎo)熱系數(shù)盡量小。由文獻(xiàn)[2]和[3]并且考慮到加工成本經(jīng)濟(jì)性，選擇不銹鋼作為梯形支撐的材料。并計(jì)算選取梯形支撐的壁厚1mm。參閱金屬材料數(shù)據(jù)庫(kù)可得到不銹鋼的低溫導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)溫度區(qū)間20K∽300K進(jìn)行擬合可以得到不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)擬合公式如圖8所示。即

（5）

圖8不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)擬合

在設(shè)計(jì)載荷為500N,安全系數(shù)取1.5,不銹鋼的屈服強(qiáng)度為210MPa,支撐高度為0.046m,高溫端為300K,低溫端取150K。由公式（4）計(jì)算得漏熱量為0.042W,可以忽略不計(jì)。

4小結(jié)

現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展對(duì)觀測(cè)和成像設(shè)備的工作波段和空間分辨率都有很高的要求，低溫真空技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。本文研究了小型低溫光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置的相關(guān)技術(shù)。重點(diǎn)討論了真空低溫腔的結(jié)構(gòu)、光學(xué)窗口影響及其有限元分析和梯形支撐的設(shè)計(jì)，并給出了實(shí)驗(yàn)裝置的系統(tǒng)示意圖，對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了探討，為近一步的低溫光學(xué)研究打下了基礎(chǔ)，并在以后的工作中不斷完善。

參考文獻(xiàn)

[1]楊世銘陶文銓《傳熱學(xué)》（第三版）高等教育出版社1998

[2]馬慶芳芳榮生項(xiàng)立成郭舜《實(shí)用熱物理性質(zhì)手冊(cè)》中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社1986

[3]宋鍵朗楊?yuàn)^為袁文彬等《材料手冊(cè)——金屬》上海航天局第八零七研究所1992

第3篇

論文關(guān)鍵詞：幾個(gè)妙趣橫生的光學(xué)實(shí)驗(yàn)

 

大家都知道，光的直線傳播、光的反射及光的折射是光學(xué)中三條最基本的規(guī)律，也是光學(xué)知識(shí)中最重要的規(guī)律，它們?cè)谌粘Ｉ钪杏斜容^廣泛的應(yīng)用。下面就向大家介紹幾個(gè)利用身邊簡(jiǎn)單的器材、人人可做的妙趣橫生的光學(xué)小實(shí)驗(yàn)，希望能激起大家的學(xué)習(xí)興趣，提高實(shí)驗(yàn)探究能力與創(chuàng)新思維能力。并運(yùn)用光的傳播三條基本規(guī)律解釋實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的非常有趣的奇妙現(xiàn)象。

⒈ 有趣的小孔成像

根據(jù)光在同一種均勻的物質(zhì)中是沿直線傳播的這一原理，光源發(fā)出的光通過(guò)小孔可在屏上形成倒立的實(shí)像，此即為小孔成像。

在一塊不透明的硬紙板上打7個(gè)小孔，在板前放一支點(diǎn)燃的蠟燭，這時(shí)我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)在板的另一側(cè)的光屏上形成了7個(gè)倒立的燭焰的像。請(qǐng)大家在光屏上畫出燭焰通過(guò)小孔所成像的位置，你就會(huì)覺(jué)得趣味無(wú)窮。

根據(jù)光在同一種均勻的物質(zhì)中是沿著直線傳播的原理可知，來(lái)自物體的光通過(guò)小孔后可在光屏上形成倒立的實(shí)像，這就是我們經(jīng)常所說(shuō)的小孔成像。這是我們的祖先早在兩千年前就發(fā)現(xiàn)了的奇妙現(xiàn)象。再如，在夏季白天濃密的樹蔭下，我們可以看到許許多多圓形的亮斑，就是太陽(yáng)通過(guò)濃密的樹葉間形成的小孔成像在地面上所致，并且這些亮斑的形狀是圓的，此像與樹葉間形成的小孔的形狀無(wú)關(guān)。

⒉ 趣味無(wú)窮的黑體小實(shí)驗(yàn)

找一張你所能找到的你認(rèn)為最黑的紙及一只內(nèi)壁是白色的瓷杯，把黑色紙剪成一張比杯口略大的紙片，覆蓋在上述白色瓷杯的杯口上。然后用膠帶把紙片與杯口的邊緣要密封嚴(yán)實(shí)。再用針尖或筆尖在紙片中心扎一個(gè)極小的孔，然后把它放在燈光下觀察，這時(shí)奇妙的現(xiàn)象出現(xiàn)了初中物理論文，你就會(huì)感到這個(gè)小孔比黑色的紙還要黑一些。同學(xué)們，你知道這其中的奧秘嗎？下面我們就對(duì)這個(gè)問(wèn)題做一簡(jiǎn)要的解釋。

這是因?yàn)闆](méi)有任何黑色的物體是完全黑色的，它們只是一種很暗的灰黑色，而被黑紙覆蓋的杯子卻近似一個(gè)黑體，即一個(gè)可以吸收所有輻射的物體。也就是說(shuō)，從小孔中射進(jìn)的光只有在杯子里面經(jīng)歷無(wú)數(shù)次反射后，才有可能從杯出，并且發(fā)生這種情況的概率很小，因此可以認(rèn)為：幾乎沒(méi)有任何輻射能夠逃出小孔，于是看上去它會(huì)比黑紙更黑。

⒊ 用水來(lái)點(diǎn)火

眾所周知，水火相克，水能滅火。殊不知水也能“點(diǎn)火”呢！大家乍一聽用“水”點(diǎn)火，可能會(huì)覺(jué)得不可思議，然而這確是不爭(zhēng)的事實(shí)，這是運(yùn)用了凸透鏡的聚焦原理。不信嗎？你可以親自動(dòng)手做一做下面的實(shí)驗(yàn)看一看。

大家都知道，凸透鏡對(duì)光有會(huì)聚作用。同學(xué)們，你的爺爺、奶奶所戴的眼鏡就是一副凸透鏡，俗稱“老花鏡”。請(qǐng)你拿一個(gè)“老花鏡”放在書本上方適當(dāng)?shù)奈恢茫憔蜁?huì)發(fā)現(xiàn)它具有放大鏡的作用。把一個(gè)凸透鏡放在太陽(yáng)光下，由于它對(duì)光有折射作用，因此可以把照射在它上面的太陽(yáng)光會(huì)聚于一點(diǎn)，適當(dāng)?shù)厣舷乱苿?dòng)凸透鏡，可在地面上形成一個(gè)既小又亮的光斑，此點(diǎn)即為凸透鏡的焦點(diǎn)。若把紙片或火柴頭放在凸透鏡的焦點(diǎn)上，經(jīng)過(guò)凸透鏡聚焦后的太陽(yáng)光，不一會(huì)兒就可以把紙或火柴頭點(diǎn)燃。

因此如果用水制作一個(gè)凸透鏡，同樣可以使放在其焦點(diǎn)上的紙片或火柴頭點(diǎn)燃cssci期刊目錄。“水凸透鏡”的具體做法如下：把一根稍粗一些的鐵絲彎折成一個(gè)圓圈，在這個(gè)圓形的鐵絲圈上蒙上一層透明的塑料薄膜，薄膜越透明實(shí)驗(yàn)效果越好。薄膜與鐵絲圈之間可以用膠帶粘牢。然后在薄膜上倒入適量的水，在水的壓力的作用下，薄膜會(huì)慢慢地下墜，這樣就形成了一個(gè)水凸透鏡。這個(gè)水凸透鏡把照射到它上面的太陽(yáng)光聚焦后就可以點(diǎn)燃火柴頭或紙片。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大家不難理解，每當(dāng)雨后天晴、艷陽(yáng)高照的時(shí)侯，種植大棚蔬菜的農(nóng)民朋友為什么必須立即清除淤積在塑料大棚上的積水。這是為了防止大棚內(nèi)的蔬菜被會(huì)聚的太陽(yáng)光灼燒致死。同時(shí)也不難想到在大森林里旅游觀光時(shí)，千萬(wàn)不可隨意丟棄塑料袋或飲料瓶，這不僅會(huì)污染環(huán)境，還由于塑料袋或飲料瓶一旦進(jìn)入雨水后，很容易形成一個(gè)水凸透鏡，由于它對(duì)太陽(yáng)光具有會(huì)聚作用容易引發(fā)森林火災(zāi)，其后果不堪設(shè)想。

由此不難推知，也可以利用冰塊磨制一個(gè)冰凸透鏡，用它在沒(méi)有火種的情況下，利用太陽(yáng)光來(lái)采集火種。請(qǐng)大家不妨親自動(dòng)手做一做上面所說(shuō)的兩種凸透鏡，你就會(huì)覺(jué)得趣味無(wú)窮、妙趣橫生。

⒋ 讓光線彎曲

眾所周知初中物理論文，光在同一種均勻的物質(zhì)中是沿直線傳播的。那么光在同一種非均勻的物質(zhì)中是否也是沿直線傳播的呢？大家一定想急于知道結(jié)論，只要你做一下下面的有趣小實(shí)驗(yàn)，就會(huì)明白了。

將清水注入玻璃槽里，并加入大量的白糖，不要攪拌，讓白糖自然溶解。將一束很細(xì)的光（最好是激光）射入水槽中，從槽的側(cè)面觀察，就會(huì)看到光線向槽底部彎曲，并且越向底部光線彎曲的越顯著。如圖所示。

這是由于沒(méi)有攪拌，糖溶液的濃度隨著深度的逐漸增加而增大，溶液的折射率也隨深度增加的緣故。在溶液的上部，由于折射率小，光線彎曲得不顯著。而且越到溶液的底部，折射率越大，光線彎曲得就越顯著。此小實(shí)驗(yàn)有力地說(shuō)明了光沿直線傳播的必要條件是：均勻的同種介質(zhì)中。

⒌ 妙看光的色散

取一個(gè)平面鏡，放在盛有水的盆子之中，再用另一面鏡子把太陽(yáng)光反射入室內(nèi)，并斜射入盆子里的水中，再經(jīng)盆子里面的鏡子反射到白色的墻上，這時(shí)我們就會(huì)看到墻上出現(xiàn)了由紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七種色光組成的彩色光帶。這就是光的色散現(xiàn)象。這種奇妙的現(xiàn)象是由世界著名的科學(xué)家牛頓于1666年首先發(fā)現(xiàn)的。雨后的彩虹的形成就是太陽(yáng)光發(fā)生色散的結(jié)果。

上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說(shuō)明：太陽(yáng)光是由各種單色光組成的。組成太陽(yáng)光的各種單色光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，其偏折程度是各不相同的。太陽(yáng)光先從空氣折射進(jìn)入水中，最后又從水中折射進(jìn)入空氣中，經(jīng)過(guò)兩次折射后，各種不同的色光便分開了，所以在墻上會(huì)形成艷麗的彩色光帶。