基于CCD成像技术的牛顿环实验研究

薛 红

(渭南师范学院物理与电气工程学院，陕西渭南714000)

0 引言

CCD(Charge Coupled Device，即电荷耦合元件，也称CCD图像传感器)是20世纪70年代发展起来的一种新型光电探测器件，它的主要作用就是将光学图像转化为电信号，以实现图像的获取、存储、传输、处理和复现等功能，是一种十分高效的光检测方式.其主要优点在于分辨率高、灵敏度高、光谱的响应范围宽、光敏元的几何精度高且不受电磁干扰等.目前，已被普遍用于摄像、图像采集、工业测量等诸多领域.［1-8］

牛顿环实验是等厚干涉的一个典型实验，是大学物理实验中的一个最基本的光学实验.传统的牛顿环实验采用的是钠光灯作光源，干涉条纹生成于牛顿环透镜表面，为定域干涉;选用激光作光源，干涉条纹在光束传播的任何平面上均可呈现清晰的条纹，为非定域干涉.在日常的生活生产中牛顿环的应用非常广泛，有关牛顿环的各种变型也很多，可用于精密测量压力或长度的微小改变和介质的折射率;在光学仪器制造工作中常用于对平板、棱镜、反射镜、透镜等各种元件表面作质量检测，精确计算透镜的曲率半径等［9-10］.我们在力求注重基础性、实践性和探索性有机统一的基础上，增加了综合性和研究性实验技能的培养，对牛顿环实验进行了扩展研究.本文利用CCD成像测量技术，对牛顿环的定域干涉条纹和非定域干涉条纹图像进行采集，由计算机对图像自动识别和图象处理，建立在线测量系统，根据数字图像处理的相关理论进行分析处理，得出测量结果.这种基于CCD成像技术的牛顿环实验测量，避免了在检测过程中由于许多人为因素影响而造成对测量结果准确性的影响，具有很强的理论性和实用性.

图1 牛顿环实验系统结构简图

1 实验装置

牛顿环实验系统如图1所示，整个系统主要由光学系统、图像采集和图像处理三部分组成.其中光学系统由牛顿环干涉仪、光源(如果选用He-Ne激光器作为光源，则需要扩束器进行扩束)、移测显微镜等组成;图像采集由CCD相机完成;图像处理是通过计算机上的图像采集卡将视频信号转换为数字信号，再通过计算机的图像处理软件进行图像特征提取和图像特征测量，最后输出测量结果.

2 实验原理

对图像强度的检测在先后经历了胶片照相法、荧光屏直接观察法、电视观察法等传统方法之后，目前兴起的实时成像系统是将光学系统获得的图像利用CCD相机、图像采集卡以及计算机转换成数字图像，同时利用计算机对动态图像进行各种处理工作，以得到最佳的输出结果.借助微电子技术、现代信息传感技术、计算机技术、信号处理和图像处理技术等学科的成果，实时成像检测的硬件部分和软件部分也在不断地发展和完善.

2.1 相干函数

以等厚干涉为例，如图2所示.通常用相干函数这个物理量对光束的相干性作定量描述［11-12］，假定传播到相遇点P处的光信号分别用复函数V1、V2表示，那么P点处的光强度为I(t)=V(t)V*(t). (1)其中:V*(t)与V(t)共轭.

一般而言，光电探测器实际探测到的必定是某一段时间内光信号的平均强度，即

(2)式中复相干度 γ12(τ)为:

定义自相关函数 Γ11(τ)、Γ22(τ)和互相干函数 Γ12(τ)分别为

由(1)～(6)式可以得到干涉条纹的可见度为

可见，复相干度的模确定了干涉条纹的可见度，如图3所示.

为了获得明暗对比鲜明的干涉条纹，以利于观测，应力求使两相干光在各处的光强尽可能相等，牛顿环实验为分振幅干涉的典型代表，要得到对比鲜明的干涉条纹需在反射光中观察.

2.2 实时成像检测原理

通过CCD相机将可干涉条纹图像转变成视频信号，经过视频电缆将该视频信号传输到计算机上的图像采集卡上，再经过刀D转换为数字信号后由计算机内的图像处理软件进行图像的采集、存储、处理并输出结果，如图4所示.

图4 图像采集处理框图

一般情况下，常见的图像采集与处理系统采取三种设计方案，分别为硬件采集—软件处理方案、硬件采集—硬件处理分离方案、硬件采集处理一体化方案.上述三种方案各有其优缺点，本实验采用第一种方案，即使用硬件进行图像数据的采集，将获得的数据存储到计算机内存中，然后根据实际需求利用软件再对图像进行处理，这种方法不仅可对获取后的图像进行处理，还能够在数据采集过程进行同步处理，其工作原理图如图5所示.

图5 硬件采集—软件处理方案框图

2.3 牛顿环图样分析

实验中选用钠光灯和He-Ne激光作为光源，所获得的牛顿环图样如图6和图7所示.比较而言，由于纳光的单色性较差，干涉条纹的可见度显然较激光牛顿环条纹的可见度差.但由于激光的相干性极好，相干长度达到了几米到几十千米，使所有反射光都参与了干涉，再加上杂散光的干涉，在视场中除牛顿环条纹之外，呈现出在牛顿环条纹基础上叠加了多套圆形条纹和平行条纹，造成干涉图样杂乱，对人工测量产生较大的影响.因此，在精度要求不是很高的一般性测量中多采用纳光做光源;如果采用CCD技术对干涉条纹进行图像降噪和图像增强等预处理以后，再进行图像特征提取，整个过程通过计算机完成，既高效又准确，不仅可以大大提高测量结果的精确度，还能够实现实时的监控和测量.

3 结语

近年来，基于各种CCD技术的图像采集与图像处理系统已被广泛应用于光电探测、生物识别、天文、遥感、军事、化工等各个领域，其信息的载体已发展到高于微波的光波波段.随着摄影测量与计算机应用技术的拓展，对基于CCD图像的高清晰度成像技术方面的研究以及对各项特性参数的细节处理上还需进一步完善，以达到最佳效果;在实时成像方面，还需对图像压缩及信号远距离传输等进行更加深入的研究，提高高清成像系统功能，增加实用性.

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