無線視頻傳輸技術(shù)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

　　摘 要：為了更有效地在課堂上演示光學(xué)實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，用無線視頻傳輸技術(shù)將 CCD攝像頭采集到 的目鏡里的圖像投影在大屏幕上，以此實(shí)現(xiàn)學(xué)生在看到教師實(shí)驗(yàn)操作的同時，又都能看到透過目鏡才能觀察到的實(shí) 驗(yàn)現(xiàn)象.無線視頻傳輸技術(shù)的應(yīng)用減少了布線的人工成本與材料成本.CCD攝像頭少了線的束縛，可移動性和靈活 性增強(qiáng).一部攝像頭可用于多個實(shí)驗(yàn)的演示，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本.

　　關(guān)鍵詞：CCD 無線視頻傳輸 演示實(shí)驗(yàn)

　　1 引言

　　在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程開設(shè)的實(shí)驗(yàn)中，光學(xué)實(shí)驗(yàn) 相對其他的實(shí)驗(yàn)難度大，要求學(xué)生首先要對實(shí)驗(yàn)原 理有很好的理解，其次要有很好的動手能力.如果單 純靠學(xué)生自己動手摸索完成整個實(shí)驗(yàn)，有的實(shí)驗(yàn)安 排的3個課時都不夠用，絕大部分學(xué)生很難在規(guī)定 時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn).這種情況下實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師對實(shí)驗(yàn) 的演示和講解就起到非常關(guān)鍵的作用，成功的演示 和有效的講解將會很大程度上幫助學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原 理和掌握實(shí)驗(yàn)操作要領(lǐng).

　　但教師的演示和講解受到 客觀環(huán)境的限制，像“牛頓環(huán)的干涉”“用分光計測三 棱鏡的折射率”“用衍射光柵測光波的波長”“楊氏模 量的測定”這4個實(shí)驗(yàn)，在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的時候，需 要用眼睛緊貼目鏡看.一個目鏡同一時間只能一只 眼睛看，教師看了學(xué)生就看不了.

　　因?yàn)檫@個限制，教 師只能用口頭語言描述自己所看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而 每個學(xué)生對教師所描述的現(xiàn)象又會有不一樣的理 解，錯誤的理解會導(dǎo)致他們出現(xiàn)錯誤的操作.如果能 讓所有的學(xué)生在聽到教師講解實(shí)驗(yàn)操作的同時，同 步地看到老師所看到的圖像，那么這種錯誤的理解 將會大大地減少，從而可以有效地提高實(shí)驗(yàn)的效率. 本文提出引入無線視頻傳輸技術(shù)[1]，對傳統(tǒng)的 實(shí)驗(yàn)設(shè)備加以改進(jìn)，解決上述在光學(xué)實(shí)驗(yàn)演示過程 中所遇到的問題.

　　2 設(shè)計原理

　　從左到右設(shè)計原理分解如下： (1)透 過 目 鏡 里 的 光 線 在 CCD 攝 像 頭 里 成 像[2]; (2)CCD元件將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號傳輸 給無線視頻發(fā)射器; (3)無線視頻發(fā)射器將模擬電信號轉(zhuǎn)換成電磁 波發(fā)射出去; (4)電磁波被無 線 接 收 器 接 收 到，電 磁 波 轉(zhuǎn) 換成模擬電信號傳輸給投影儀; (5)投影儀將模 擬 電 信 號 轉(zhuǎn) 換 成 光 信 號，投 影 在大屏幕上，還原目鏡里的圖像.

　　3 應(yīng)用實(shí)例

　　本文將以“用分光計測三棱鏡的折射率”和“用 衍射光柵測光波的波長”兩個實(shí)驗(yàn)[3] 為例，展示如 何將無線視頻傳輸技術(shù)應(yīng)用在輔助光學(xué)演示實(shí)驗(yàn) 中.這兩個實(shí)驗(yàn)在大學(xué)物理的光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，是比較典 型的有難度的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗鼈兌夹枰�用到分光�?分 光計在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中是一個非常重要的實(shí)驗(yàn)儀 器，可用于需要非常精確測量角度的實(shí)驗(yàn).分光計結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，調(diào)節(jié)步驟繁瑣，使得這兩個實(shí)驗(yàn)相對比較有 難度.若能很好地解決這兩個實(shí)驗(yàn)的演示問題，其他 光學(xué)實(shí)驗(yàn)的演示也將變得容易.具體應(yīng)用如下.

　　3.1 圖像采集部分

　　圖像采集用的攝像頭型號為：三星 SDC-313，分 辨率大約500電視線，最低照度為0.5Lux，輸出的 視頻信號為模擬信號.電源為 DC12V，鏡頭焦距為 8 mm.攝像頭固定在可升降的光學(xué)底座上，便于精 確對準(zhǔn) 目 鏡.無 線 視 頻 發(fā) 射 器 的 工 作 頻 率 是 1.2 GHz，電源為DC12V，發(fā)射功率為1～5W.這個功 率能夠保證在實(shí)驗(yàn)室有學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，人體會反射和 吸收一部分電磁信號的情況下，實(shí)驗(yàn)室的任何一個 角落仍然有良好的信號.

　　3.2 圖像投影部分

　　無線視頻接收器使用的是DC12V 電源，工作頻率是1.2GHz.與發(fā)射機(jī)對頻后輸出模擬視頻信號至投影儀，投影儀將圖像投影至大屏幕 顯示.無線視頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)行信息傳 送，無需通過網(wǎng)絡(luò)連接，適用于無網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境.

　　3.3 實(shí)驗(yàn)效果

　　所使用的光源是汞燈，光柵常數(shù) 為 1 300 mm.所看到的是正一級譜線，從左到右的譜 線分別是紫光、藍(lán)光、綠光、黃1光、黃2光.紫光的亮度雖然非常低，但是投影仍然可以看 得清楚.黃1光的波長是576.96nm，黃2光的波長 是579.07nm，波長非常接近，只差2.11nm.兩條 譜線非常靠近，在投影上也能夠很清晰地區(qū)分開來.

　　學(xué)生能看到分開的兩條黃色譜線很重要，因?yàn)楹芏?時候?qū)W生調(diào)節(jié)平行光管的狹縫時，狹縫太寬或者對 焦不準(zhǔn)都會使得兩條黃色譜線合并為一條.若能讓 他們直觀地看到教師是怎么通過調(diào)節(jié)狹縫的寬度以 及狹縫與透鏡間的距離，使得兩條黃色譜線漸漸變 得清晰可辨，他們就比較容易能自己把兩條黃色譜 線調(diào)節(jié)出來.

　　實(shí)驗(yàn)中調(diào) 節(jié)分光計與測量三棱鏡頂角過程中看到的從三棱鏡 的光滑面反射至目鏡里的分劃板的十字叉絲像.分劃板與十字叉絲的像都非常的清 晰.在演示用各半調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)十字叉絲像的位置時， 學(xué)生能夠很直觀地看到當(dāng)調(diào)節(jié)載物臺調(diào)平螺釘和望 遠(yuǎn)鏡光軸高低調(diào)節(jié)螺釘?shù)臅r候，十字叉絲像位置的上下移動情況，這樣就能夠很好地幫助他們理解調(diào)節(jié)的過程，掌握各半調(diào)節(jié)法.

　　物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)論文：物理實(shí)驗(yàn)課程體系改革與實(shí)踐

　　4 結(jié)論

　　本文以兩個典型的光學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，展示了如何將無線視頻傳輸技術(shù)應(yīng)用在課堂輔助演示光學(xué)實(shí)驗(yàn) 中.從實(shí)驗(yàn)演示的效果來看，這項(xiàng)技術(shù)確實(shí)非常成功 地解決了在引言中所提到的困難，切實(shí)有效地提高 了光學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效率.用投影儀代替小的顯示器， 一方面投影出來的圖像更大，使得全體學(xué)生都能很 清晰地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;另一方面因?yàn)橥队皟x是可以 懸掛的，不需要放在實(shí)驗(yàn)臺上，減少了實(shí)驗(yàn)臺上設(shè)備 的數(shù)量，使得實(shí)驗(yàn)臺更加寬敞.

　　以無線代替有線，減 少了布線的人工成本與材料成本.少了線的約束，攝 像頭可移動性增強(qiáng)，教師可以在講臺上演示，也可以 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)任何一臺儀器上演示;可以在某個特定 的實(shí)驗(yàn)室演示，也可以拿到其他實(shí)驗(yàn)室演示，儀器的 利用率提高.因?yàn)楣鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)的相通性，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng) 用不局限于文中所提到的兩個實(shí)驗(yàn)，也同樣可以應(yīng) 用在其他的光學(xué)實(shí)驗(yàn)中，甚至是非光學(xué)實(shí)驗(yàn)中.

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　1 張東彬.膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)的無線視頻傳輸技術(shù)研究[D].廈 門：廈門大學(xué)，2008.32～33

　　2 孫正和，劉立寶，任守田，郭 冠 軍.用 CCD 成 像 方 法 輔 助 課堂演示實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2018，38(S1)：30～32

　　3 陳春彩，陳源福，林二妹.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：清 華 大學(xué)出版社，2018.88～98

　　作者：駱明輝 林二妹

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