基于线阵CCD的迈克耳孙干涉仪条纹计数器

陈玉林，马 龙，顾 斌，徐林华

（南京信息工程大学数理学院，江苏南京210044）

1 引 言

迈克耳孙干涉仪是常用的计算光波波长的仪器，它设计精巧、用途广泛，后人在此基础上发展出当今物理学、化学、生物学、医学都有许多重要应用的现代干涉仪器，如激光比长仪、傅里叶变换光谱仪等[1].但是因为缺少配套的干涉环计数系统，操作人员在做实验时必须在光线较暗的环境中，通过调节手轮同时用肉眼观察并记录干涉环涌出或陷入的条纹数，当需记录条纹数较大时，眼睛容易疲劳，导致工作效率降低，计数误差增大[2].

本文设计的计数器配合迈克耳孙干涉仪，可直观显示干涉图像，自动判断圆环涌出还是陷入，记录干涉环变化次数，外形小巧轻便，无需连接计算机，具备智能化程度高的特点.相对人工计数而言，提高了测量精度，降低了工作强度，简化了实验操作，具有重要的实际意义[3]，可推广应用于光学实验及相关测量.

2 装置原理

2.1 设计思路

迈克耳孙干涉仪干涉条纹计数器主要由3部分组成：CCD图像传感器、微处理器最小系统、液晶显示屏.电荷耦合器件（charge couple device，简称CCD）是一种新型光电传感器件.它的基本单元是MOS结构，能存储由光产生的电荷信号，当对它施加特定时序脉冲时，其存储电荷能在CCD内作定向移动而实现自扫描，输出电压信号的大小与CCD单元存储的电荷多少成正比，CCD单元存储电荷的多少与光的强度和CCD单元光积分时间成正比.本文使用的CCD图像传感器由2 592个PN结光电二极管构成光敏元阵列，每个光敏单元的尺寸为长为11μm、高为11μm、中心距为11μm，光敏单元线阵有效长度为28.67mm，CCD感光面如图1所示.微处理器最小系统由ARM微处理器STM32F103VCT6及其附属器件组成.液晶屏采用16位真彩色3.2寸屏，具有触摸功能，方便操作控制.

图1 CCD感光线阵

将干涉条纹信号通过运放后经A／D转换采集，送入处理器中进行软件处理、判断比较，用软件实现计数，可以通过预设一定的条件来对条纹信号进行判向计数[4].系统设计时应尽量减小外界环境对其造成的影响，可能的影响因素有：照明系统的稳定性、成像系统误差、CCD像元制造误差、CCD对光照度的分辨率、A／D转换精度、CCD驱动电路的噪音水平、图像处理水平和软件算法的优劣等[5].

当旋转细调手动轮时，干涉条纹中心便会有明暗相间条纹“冒出”或“缩进”（“冒出”的明暗条纹在干涉条纹中心产生，随着细调手轮的旋转而消失）[6]，将干涉环打在CCD感光面上，如图2所示，CCD将输出干涉环光强信号，信号波形如图3所示.从图3容易看出，每个光强峰值对相应干涉环，中间跨度最大的峰值即为圆环中心，这样通过检测中心光强变换次数就可数出干涉环变换次数.转动微调手轮使干涉环“冒出”时，两边较小峰值将逐渐向外移动，而当干涉环“缩进”时，两边较小峰值将逐渐向中心移动，这样检测两边较小峰值移动方向即可判断干涉环变换方向.

图2 CCD与干涉环

图3 干涉环光强分布

为提高系统抗干扰性，使干涉环计数更加准确，可在计数前先对CCD光强进行采样.设中心光强为S，转动微调手轮，记录中心光强最大值Smax和最小值Smin，如图3所示，即

当系统开始计数时，设定S＞0.6（Smax－Smin）＋Smin为高，S＜0.4（Smax－Smin）＋Smin为低，这样经历一高一低，计数值才加1.

在光强分布靠左边选定一部分，如图3中a到b部分，a到b的范围应至少包含1个峰值，另外再设一个范围L到R，L到R的范围应把ab包含在内.在a到b中找到1个峰值，记录峰值的位置设为x0.设光强位置坐标从左到右逐渐增大，则各位置关系为

经历一段较短时间（如0.05s）后找出离x0最近的峰值，设为x1.如果x1＞x0，则干涉环向中心“缩进”；如果x1＜x0，则干涉环从中心“冒出”；如果x1＝x0，则干涉环静止.这样再把x1当做x0继续判断方向，直到峰值位置超出L到R的范围，然后再重新在a到b中找出x0，即可实现对干涉环变换方向的检测.

设干涉环中心在光强分布图上的位置为c，干涉环任意一点位置为x，相应光强为S.让x从光强分布边缘逐渐变动到x＝c，以｜x－c｜为半径，S为强度，在屏幕上画圆，即可将干涉环形象地表现在屏幕上.

2.2 电路设计

迈克耳孙干涉仪条纹计数器数据处理电路见图4，图中电源、晶振等附属电路未画出.U1为微处理器STM32F103RBT6，可用STM32F103系列其他型号代替，晶振8M，主频72MHz，系统电源3.3V.U2为液晶屏接线座，D0～D15为数据线，接微处理器的PC0～PC15.MOSI，MISO，SCLK，TP＿E为SPI接口，可结合INT端读取触摸屏信息.CCD＿CLK接至CCD传感器时钟输出端口，Q1为NPN型三极管BC547，可用其他型号如9013代替，CCD＿DATA接CCD传感器数据端，通过R3和R4分压送至PA0.

2.3 程序设计

程序代码分为3部分：CCD传感器数据读取，干涉环数据分析处理，液晶显示与触屏控制.

1）CCD传感器数据读取：CCD传感器输出2路信号，一路是高脉冲时钟信号，另一路是光强模拟信号.将每个时钟周期分为200份，依次读取每个时刻对应的模拟信号，模拟信号的读取要使用片内ADC转换器，将读取的信号值写入1个光强数组中.

2）干涉环数据分析处理：利用定时器产生100Hz的中断，这部分操作放在中断函数里，实现每0.01s采集1次数据，并比较记录干涉环中心最大值、最小值、侧边峰值，利用设计思路中的方法对干涉环进行计数、判向.

图4 数据处理电路

3）液晶显示与触屏控制：因为实时显示要求液晶响应速度要快，所以这里使用液晶屏的16位并行接口.使用区域显示函数在屏上设定区域来显示干涉环，使用数学函数依次计算每个点颜色数值，这样可以形象显示干涉环.本系统使用红色显示干涉环，用5位二进制表示颜色深度，另外背景色为黑色较容易处理.因为只需1个键来控制，所以触屏可以不读取位置信息，只需读取INT脚高低电平即可，如果担心有误操作，也可设立对话框读取位置信息.

程序流程分为2个阶段：光路调整，计数.

第一阶段：光路调整.在程序开始后需有一个阶段来调整光路，让干涉环中心尽量打在CCD传感器中心，这个阶段可在液晶屏上显示光强图辅助调整.

第二阶段：计数.在这个阶段中开启定时器中断，定时采集数据，记录并显示干涉环变换个数及变换方向，动态显示干涉环分布，并设有重新计数功能.

3 实践检测及结论

图5所示为迈克耳孙干涉仪计数器做好后应用的图片，其中（a）为调整光路的界面，界面上会显示相应提示信息，下方即为CCD输出光强图，中间一道竖线为辅助调整之用，（b）为计数界面视图，上方显示干涉环图样，下方显示计数值和方向.利用本系统结合迈克耳孙干涉仪进行测量激光波长的实验，实验数据如表1所示.

图5 程序界面

表1 实验数据

利用逐差法计算得出¯λ＝631.30nm，与激光器标定波长λ0＝632.80nm相比，Er＝0.24%.

4 结束语

经多次实验，本系统计数准确，对外界光线变化具有较强的适应能力，降低了实验操作强度，具有实际意义.本系统作为南京信息工程大学自制仪器，不仅解决了实验操作与精确度的问题，更进一步满足综合性、设计性、创新性等现代实验内容的要求，加深了对理论知识的理解.

[1] 陈玉林，李传起.大学物理实验[M].北京：科学出版社，2007.

[2] 漆建军，马文华，肖化.基于线阵CCD的迈克耳孙干涉仪测量金属丝的弹性模量[J].实验室研究与探索，2010，29（1）：19－22.

[3] 刘晓峰，赵成军，崔实，等.迈克耳孙干涉条纹自动计数仪的开发[J].东北电力学院学报，1994，14（4）：93－96.

[4] 陈本永，吴晓维，李达成.一种新型的干涉条纹软件计数方法及其实现研究[J].传感技术学报，2004（3）：371－375.

[5] 江育民，黄惟公，杨益.基于提高线阵CCD测量系统测量精度的研究[J].电子测量技术，2010，33（6）：98－101.

[6] 崔实，信冲，李宝才.迈克耳孙干涉条纹自动计数仪的设计与应用[J].大学物理，1998，17（1）：31－33.

[7] 邓晓鹏，向少华，刘亮员，等.光源的相干性对牛顿环干涉条纹的影响[J].物理实验，2010，30（8）：27－29.