迈克耳孙干涉仪条纹计数器的研制

彭 莉，田 勇，郭 斌

（武汉理工大学 理学院，湖北 武汉430070）

1 引 言

迈克耳孙干涉仪是用分振幅的方法实现干涉的光学仪器，其设计巧妙，可用来准确测定微小长度、光的波长、透明体的折射率等.利用该仪器的原理，研究出了多种专用干涉仪，这些干涉仪在近代物理和近代计量技术中被广泛应用.因此，迈克耳孙干涉仪作为具有代表性的基本光学仪器，是大学物理实验课程要求学生掌握的基础仪器.在迈克耳孙实验中，很多物理量（如波长、折射率、透明材料厚度等）都是通过测定干涉条纹数目的变化进行间接测量的.实验过程中，为了提高测量结果的准确度，通常需要学生长时间地测量大量干涉条纹的变化数目.如在用迈克耳孙干涉仪测量光源波长的实验中［1］，需要观察接收屏上干涉圆环在圆心处的“冒出”和“缩进”现象，每“冒出”或“缩进”50个干涉环，记录1次动镜在导轨上的位置.该过程需要人工连续数出350个干涉环，极易造成学生视力疲劳，并容易产生读数误差，降低实验准确度.因此很多研究者都在不断探索干涉条纹自动计数的方法，目前干涉条纹计数器的设计思路主要可分为3类：一类是基于单片机设计的计数器［2-4］，它的可调性强，灵活度高，但单片机仍需要外围电路完成光电信号的采样、滤波、整形等工作，单片机自身只能完成计数和解码的功能，没有充分发挥单片机的作用.另一类是基于CCD图像传感器和计算机数据采集处理相结合的计数器［5-8］，它的数据处理能力强大，但对干扰因素的处理难度较大，准确度较低，且仪器造价很高.还有一类是基于芯片设计的计数器［9-10］，它计数准确，操作简单，成本也很低.目前国内文献中提到的这3类设计都较复杂，并且无法根据条纹的移动方向自动进行相应的加或减计数，因此由于手的抖动或其他不可预知的干扰造成条纹回退时，都无法正确计数.本文基于芯片设计了电路简单的计数器，仅用9个分立元件即实现了光信号的采样及去干扰功能，主要用2个CMOS集成块实现了条纹移动方向自动识别并相应加或减计数的功能.它能消除各种干扰因素所造成的计数器误计数，能快速准确地测量条纹移动的数目，对提高实验精度和实验效率有很重要的作用.该电路具有结构简单、抗干扰能力强、稳定性好、测量准确度高、响应速度快、价格低廉、易于维护等特点.以下以迈克耳孙干涉实验中测量单色光波长为例，说明可逆式条纹计数器在迈克耳孙干涉实验中的应用.

2 可逆式干涉条纹计数装置介绍

可逆式干涉条纹计数装置的基本原理是通过2个光敏二极管将观察屏上干涉条纹的明暗变化转化为脉冲电信号后，条纹移动方向识别电路根据光敏管接受光信号的先后次序判断条纹移动方向，再送入可逆计数器完成条纹移动的自动计数和显示［11］.该系统原理框图如图1所示.

图1 可逆式条纹计数装置的基本原理图

其中，电路a上下2部分结构完全相同.这2部分均由光敏二极管、三极管、电阻器、电容器共9个元件搭建而成，能完成采样、放大、滤波、整形4个功能，它将采样到的光信号转化为脉冲信号输出.电路b通过输入的电信号，判断条纹的移动方向；当条纹正向移动时，该电路使计数器做加计数，当条纹反向移动时，该电路使计数器做减计数.这样就消除了条纹回退引起的误计数.

3 电路工作原理

3.1 采样、放大、滤波、整形

采样部分由2个可见光范围的硅光敏二极管组成.硅光敏二极管能将吸收的光能转化为自身电阻的变化，从而使光强的变化转化为电流的变化.但是由于光敏管能接收周围所有可见光，因此它接收到的光信号不仅来自观察屏上的干涉条纹，还有来自外界的其他光线，如灯光、室外漫散射光等.为了去除外界光线的干扰，将2个光敏管紧密地并排封装于暗盒内，受光敏管自身大小的限制，两者中心间距约3mm.在暗盒上留出2个直径约为1mm的透光小孔，使2个小孔对准2个光敏管以便采样（如图2所示）.通过这样的暗盒设计，使光敏管只能通过小孔采集观察屏上极小区域的干涉光，有效地去除了外界光线和屏上其他区域干涉光的影响.将暗盒安装于观察屏后，接收来自观察屏的光信号.采用半透明的毛玻璃作为观察屏，它不仅能将干涉环清晰地显示在屏上，并且能使足够的光线透射从而使光敏管采集到光信号.由于观察屏上干涉环圆心附近某点光的明暗交替变化与圆心处圆环的“吞吐”同步，即该点明暗变化1个周期，圆心处就“冒出”或“缩进”1个圆环，所以可以对干涉环圆心附近的某点进行采样，以此确定圆心处圆环吞吐的数目.

图2 采样暗盒

干涉条纹在经过光敏管时所产生的电信号十分微弱，因而需要对其进行放大.用1个PNP型三极管对转换的电信号作I-V一级放大处理，1个NPN型三极管对电信号作V-V放大处理，经两级放大后，信号强度达到TTL电平要求.

实验中发现，经光敏管采样、放大后电路输出的电压并非平滑的曲线，而是在电压上升和下降过程中呈现明显的毛刺状，这种现象必然会导致计数器错误的加计数和减计数.造成这种现象的原因是由于干涉条纹的明暗交界不分明，条纹呈现出毛刺状或毛絮状的边缘，从而导致明暗条纹的过渡区域光强分布不均匀，使得输出电压很不稳定.因此在电路中加入了1个滤波电容去除干扰，获得了理想的平滑的曲线，如图3（a）所示，该曲线显示了光敏检测电路获得的反映观察屏采样点光强变化的电信号波形图，电压的上升与下降反映了采样点光的强弱变化.电压每变化1个周期，表明圆心处冒出或缩进了1个圆环.

图3 对信号进行滤波整形

由于计数器只能识别脉冲信号，因此还需要将图3（a）所示的正弦信号转化为脉冲信号，即需要对该正弦信号进行波形整形，用以输入计数器完成计数.在电路仅加入了加速电容即完成了该整形功能，其原理是当光敏管接收到光信号时，由于加速电容的作用，使电路中的三极管迅速导通，输出高电平；当光敏管没有接收到光信号时，由于加速电容的作用，使三极管迅速截止，输出低电平.由此可见，加速电容使输入光信号由亮到暗的缓慢变化过程变成电信号的高低突变过程，即输出“0”和“1”两种数字信号，保证了计数器的要求.图3（b）是经过整形后得到的标准TTL电平，它由图1中的电路a输出，图中标识为Aout和Bout.此TTL电平信号反映了干涉条纹的明暗变化情况，高电平表示亮纹经过采样点，而低电平表示暗纹经过采样点.

3.2 条纹移动方向识别及计数

使用可预置BCD双时钟可逆计数器40192进行条纹计数［12］（如图2电路b）.它采用双时钟的逻辑结构，加计数和减计数具有各自的时钟通道.当计数脉冲输入计数器CPu端口时，CPd端口必须输入持续的高电平，计数器才能正确地加计数；当计数脉冲输入计数器CPd端口时，CPu端口必须输入持续的高电平，计数器才能正确地减计数.但是，从前级电路a输出的信号Aout和Bout均为脉冲信号，且计数器无法自动判断哪种情况该完成加计数，哪种情况该完成减计数，因而不能将它们直接送入计数器的2个端口.所以在电路中设计了条纹移动方向识别电路（如图2电路b部分），该方向识别电路主要由2个CMOS集成块组成，一个CMOS块搭建成2个与非门和1个RS触发器，另一个COMS块搭建成2个或门.当条纹移动时，Aout和Bout信号各自分成2路，1路直接经或门送入计数器CPu和CPd端口，1路送入方向识别电路.方向识别电路根据条纹移动方向，使RS触发器置“1”或置“0”.当条纹做“缩进”移动时，暗纹先经光敏管B（如图4），此时Q端向或门2输入低电平，¯Q端向或门1输入高电平，由此CPd端口接收到脉冲信号，CPu端口接受高电平，计数器进行减计数；当条纹反向移动时，Q端向或门2输入高电平，¯Q向或门1输入低电平，由此CPu端口接收到脉冲信号，CPd端口接受高电平，计数器进行加计数.

图4 采样小孔位于干涉环中的位置

3.3 译码输出及显示

采用BCD-8段译码器4511，它将可逆计数器输出的BCD二进制码转化成8段输出，驱动LED数码显示管显示对应的十进制数，完成干涉条纹计数的显示.

4 实验测量

将设计好的样机用于迈克耳孙干涉仪测量氦氖激光波长的实验.调节好迈克耳孙干涉仪的光路系统，使毛玻璃观察屏上出现清晰的明暗相间的干涉条纹，暗纹宽度需调到大于3mm，即暗纹的宽度需大于2个光敏管的宽度.将暗盒紧贴于毛玻璃观察屏背面，2个透光小孔对准干涉环圆心附近的某一位置，如图4所示.计数器接5V直流电源后清零.移动迈克耳孙干涉仪的动镜，观察到圆心处有圆环“吞吐”.圆心处每“冒出”1个圆环，计数器做1次加计数；圆心处每“缩进”1个圆环，计数器正确地完成了减计数.我们用计数器完成了500个圆环“吞吐”的计数，结果表明与人工计数的结果完全一致.

5 结束语

本文设计了电路简单的可逆条纹计数器.实际操作表明，该计数器的抗干扰能力强、测量准确度高、响应速度快，并且价格低廉、易于维护.它能减轻实验操作者的用眼强度，并且提高了实验效率和实验精度.将该计数器的采样方式简单改动后，还可用于物料计数、电机测速、线圈绕制等需要大量计数的各种场合，因此它的使用范围广、适用性强.

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