无线视频传输技术在光学实验中的应用

　　摘 要：为了更有效地在课堂上演示光学实验，提高实验教学效率，用无线视频传输技术将 CCD摄像头采集到 的目镜里的图像投影在大屏幕上，以此实现学生在看到教师实验操作的同时，又都能看到透过目镜才能观察到的实 验现象.无线视频传输技术的应用减少了布线的人工成本与材料成本.CCD摄像头少了线的束缚，可移动性和灵活 性增强.一部摄像头可用于多个实验的演示，节约了实验设备的成本.

　　关键词：CCD 无线视频传输 演示实验

　　1 引言

　　在大学物理实验课程开设的实验中，光学实验 相对其他的实验难度大，要求学生首先要对实验原 理有很好的理解，其次要有很好的动手能力.如果单 纯靠学生自己动手摸索完成整个实验，有的实验安 排的3个课时都不够用，绝大部分学生很难在规定 时间内完成实验.这种情况下实验指导教师对实验 的演示和讲解就起到非常关键的作用，成功的演示 和有效的讲解将会很大程度上帮助学生理解实验原 理和掌握实验操作要领.

　　但教师的演示和讲解受到 客观环境的限制，像“牛顿环的干涉”“用分光计测三 棱镜的折射率”“用衍射光栅测光波的波长”“杨氏模 量的测定”这4个实验，在观察实验现象的时候，需 要用眼睛紧贴目镜看.一个目镜同一时间只能一只 眼睛看，教师看了学生就看不了.

　　因为这个限制，教 师只能用口头语言描述自己所看到的实验现象，而 每个学生对教师所描述的现象又会有不一样的理 解，错误的理解会导致他们出现错误的操作.如果能 让所有的学生在听到教师讲解实验操作的同时，同 步地看到老师所看到的图像，那么这种错误的理解 将会大大地减少，从而可以有效地提高实验的效率. 本文提出引入无线视频传输技术[1]，对传统的 实验设备加以改进，解决上述在光学实验演示过程 中所遇到的问题.

　　2 设计原理

　　从左到右设计原理分解如下： (1)透 过 目 镜 里 的 光 线 在 CCD 摄 像 头 里 成 像[2]; (2)CCD元件将光信号转换成模拟电信号传输 给无线视频发射器; (3)无线视频发射器将模拟电信号转换成电磁 波发射出去; (4)电磁波被无 线 接 收 器 接 收 到，电 磁 波 转 换成模拟电信号传输给投影仪; (5)投影仪将模 拟 电 信 号 转 换 成 光 信 号，投 影 在大屏幕上，还原目镜里的图像.

　　3 应用实例

　　本文将以“用分光计测三棱镜的折射率”和“用 衍射光栅测光波的波长”两个实验[3] 为例，展示如 何将无线视频传输技术应用在辅助光学演示实验 中.这两个实验在大学物理的光学实验中，是比较典 型的有难度的实验，因为它们都需要用到分光计.分 光计在大学物理实验中是一个非常重要的实验仪 器，可用于需要非常精确测量角度的实验.分光计结 构复杂，调节步骤繁琐，使得这两个实验相对比较有 难度.若能很好地解决这两个实验的演示问题，其他 光学实验的演示也将变得容易.具体应用如下.

　　3.1 图像采集部分

　　图像采集用的摄像头型号为：三星 SDC-313，分 辨率大约500电视线，最低照度为0.5Lux，输出的 视频信号为模拟信号.电源为 DC12V，镜头焦距为 8 mm.摄像头固定在可升降的光学底座上，便于精 确对准 目 镜.无 线 视 频 发 射 器 的 工 作 频 率 是 1.2 GHz，电源为DC12V，发射功率为1～5W.这个功 率能够保证在实验室有学生做实验，人体会反射和 吸收一部分电磁信号的情况下，实验室的任何一个 角落仍然有良好的信号.

　　3.2 图像投影部分

　　无线视频接收器使用的是DC12V 电源，工作频率是1.2GHz.与发射机对频后输出模拟视频信号至投影仪，投影仪将图像投影至大屏幕 显示.无线视频发射机和接收机点对点进行信息传 送，无需通过网络连接，适用于无网络的环境.

　　3.3 实验效果

　　所使用的光源是汞灯，光栅常数 为 1 300 mm.所看到的是正一级谱线，从左到右的谱 线分别是紫光、蓝光、绿光、黄1光、黄2光.紫光的亮度虽然非常低，但是投影仍然可以看 得清楚.黄1光的波长是576.96nm，黄2光的波长 是579.07nm，波长非常接近，只差2.11nm.两条 谱线非常靠近，在投影上也能够很清晰地区分开来.

　　学生能看到分开的两条黄色谱线很重要，因为很多 时候学生调节平行光管的狭缝时，狭缝太宽或者对 焦不准都会使得两条黄色谱线合并为一条.若能让 他们直观地看到教师是怎么通过调节狭缝的宽度以 及狭缝与透镜间的距离，使得两条黄色谱线渐渐变 得清晰可辨，他们就比较容易能自己把两条黄色谱 线调节出来.

　　实验中调 节分光计与测量三棱镜顶角过程中看到的从三棱镜 的光滑面反射至目镜里的分划板的十字叉丝像.分划板与十字叉丝的像都非常的清 晰.在演示用各半调节法调节十字叉丝像的位置时， 学生能够很直观地看到当调节载物台调平螺钉和望 远镜光轴高低调节螺钉的时候，十字叉丝像位置的上下移动情况，这样就能够很好地帮助他们理解调节的过程，掌握各半调节法.

　　物理实验教学论文：物理实验课程体系改革与实践

　　4 结论

　　本文以两个典型的光学实验为例，展示了如何将无线视频传输技术应用在课堂辅助演示光学实验 中.从实验演示的效果来看，这项技术确实非常成功 地解决了在引言中所提到的困难，切实有效地提高 了光学实验的教学效率.用投影仪代替小的显示器， 一方面投影出来的图像更大，使得全体学生都能很 清晰地看到实验现象;另一方面因为投影仪是可以 悬挂的，不需要放在实验台上，减少了实验台上设备 的数量，使得实验台更加宽敞.

　　以无线代替有线，减 少了布线的人工成本与材料成本.少了线的约束，摄 像头可移动性增强，教师可以在讲台上演示，也可以 在实验室内任何一台仪器上演示;可以在某个特定 的实验室演示，也可以拿到其他实验室演示，仪器的 利用率提高.因为光学实验的相通性，这项技术的应 用不局限于文中所提到的两个实验，也同样可以应 用在其他的光学实验中，甚至是非光学实验中.

　　参 考 文 献

　　1 张东彬.胶囊内镜系统的无线视频传输技术研究[D].厦 门：厦门大学，2008.32～33

　　2 孙正和，刘立宝，任守田，郭 冠 军.用 CCD 成 像 方 法 辅 助 课堂演示实验[J].物理实验，2018，38(S1)：30～32

　　3 陈春彩，陈源福，林二妹.大学物理实验[M].北京：清 华 大学出版社，2018.88～98

　　作者：骆明辉 林二妹

转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/dzlw/24065.html