迈克耳孙干涉仪的改进

吴金泉，陈心浩，樊 燚

(中南民族大学，实验教学中心，湖北 武汉 430070)

迈克耳孙干涉仪的改进

吴金泉，陈心浩，樊 燚

(中南民族大学，实验教学中心，湖北 武汉 430070)

为了减少迈克耳孙干涉仪实验中人为因素产生的误差，应用计算机图像处理技术，在传统迈克耳孙干涉仪的基础上构建了光波波长自动测量系统. 该系统通过串口通讯协议，精准控制步进电机改变“动镜”的位置，获得固定微小光程差，从CCD相机采集干涉条纹图像，应用专用的图像识别软件，实现光源波长的自动测量.

迈克耳孙干涉仪；CCD；图像识别；波长测量

迈克耳孙干涉仪是用于高精度微距离测量的精密仪器，不仅适用普通物理的基础实验教学，在测控领域也具有极重要地位，是传统的经典光学仪器之一[1-2]. 但现有大学物理实验中对该仪器开设的实验项目比较单一,主要用于测量光波波长[3]. 在实际操作中需要手动调节鼓轮改变“动镜”的位置，从而改变系统的光程差，并通过鼓轮计数计算光程差，其机械误差无法避免[4-6]；同时，依靠人工判读干涉图样中条纹的变化(“冒出”或“吞进”条纹的数量)，容易读数失误；这些都会造成较大误差(～100 nm)，导致教学效果不理想.

在中南民族大学技改项目的支助下，将传统的迈克耳孙干涉仪进行相关技术改造，采用精密步进电机移动“动镜”代替原仪器上的鼓轮微调，使原来的手动调节光程变成由电脑精确控制；同时用高性能CCD取代原有光路接收屏，通过CCD把干涉图像信号采集后传入计算机，最后通过计算机软件进行分析和处理，从而实现波长的自动测量.

1 系统整体结构设计

整个系统的结构原理如图1所示，系统通过计算机编写相应软件来实现对硬件控制、数据采集与处理及结果显示等.

本系统由计算机通过串口发出控制信号到步进电机的驱动电路，使步进电机能按照指令运行，步进电机通过机械传动机构驱动迈克耳孙干涉仪的“动镜”，使其按要求精确缓慢平移一定距离，产生光程差；与此同时，干涉条纹图像由CCD相机同步采集，通过数字图像采集卡按50 ms/帧的速度传回计算机，并可通过专用软件进行图像处理，识别干涉条纹的变化量.

图1 系统结构原理框图

2 系统硬件部分设计

为了使步进电机驱动迈克耳孙干涉仪的“动镜”平移，对现有迈克耳孙干涉仪的机械结构进行必要的改造，实物如图2所示. 步进电机与迈克耳孙干涉仪通过传送带和精密齿轮传送动力，并对相关器件进行了相应的减震处理，以减少因机械抖动带来的实验误差.

步进电机的运转通过计算机进行控制，控制信号通过计算机串口发送到步进电机驱动器驱动电机运转. 图3为步进电机驱动器控制电路图. SW1～SW3为电流选择开关，SW4为静态半流和全流选择开关，SW5～SW7为细分选择开关. PLS端口与计算机串口线DTR端口相连，接收计算机发出的方波信号，并通过调节方波频率实现对步进电机转速的控制. DIR端口为方向控制信号，与串口RTS端口相连，通过计算机输出高低电平控制电机的转动方向.

图2 实验系统实物图

图3 控制电路图

图4 迈克耳孙干涉仪光路改进图

图4为改进后的迈克耳孙干涉仪光路图. 为使CCD相机能采集到高质量的干涉条纹图像，对迈克耳孙干涉仪的光路进行了适当调整，增设了物镜，使干涉条纹成像于CCD面阵. 用CCD照相机替换接收屏，并用f′=120 mm的透镜将干涉条纹成像在CCD面阵上. 透镜也作为孔径光阑，限制了干涉条纹边缘不清晰的条纹进入.

3 系统软件部分设计

软件功能总体上分为两部分，一是控制步进电机，二是处理图像及波长计算.

图5为软件流程图，软件具有手动模式和自动模式. 将“测量次数”设置为0，软件即切换为手动模式. 手动模式下，需要在测量完成后单击复位按钮进行复位. 自动模式下，在输入参量后软件能够自动完成整个测量过程.

图5 软件流程图

3.1 步进电机控制

通过利用SetTimer()定时器函数以及延时函数，结合MSComm串口通讯控件,在计算机串口的DTR口输出频率可调的方波信号，利用该方波信号实现对步进电机转速的控制. 利用SetRTSEnable()函数实现对串口RTS口高低电平的控制，进而实现对步进电机转向的控制. 最后，通过对定时器函数的多次调用，实现步进电机自动复位功能.

3.2 数据处理及波长计算

经过实验及对实验结果的分析，最终确定了一种精确度较高的条纹识别算法.

在图像中心横向选取5个大小相同的区域，分别计算5个区域的灰度值并储存计算结果. 在步进电机移动到指定的位置后，软件开始对数据进行处理. 对于每个区域，先找出平均灰度值，再根据其灰度平均值设定上阈值和下阈值，最后将每个灰度值根据该上下阈值进行判定.

当灰度值高于上阈值且满足以下2个条件时判定产生1个条纹的变化：1)与上1个条纹间的时间间隔大于100 ms(CCD相机拍照时间间隔为50 ms)；2)在此之前灰度值曾低于一次下阈值.

根据这种方法，最后分别计算出5个区域的条纹数，去掉最大值和最小值，最后加权平均得出最终的条纹变化数，根据光学公式即可算出该激光光源的波长.

3.3 软件界面功能介绍

图6为软件的界面图. 该软件基于MFC编写，各部分功能如下.

图6 软件界面图

1)主显示框：用于显示从CCD相机采集的干涉条纹图像.

2)移动距离框：在此处输入迈克耳孙干涉仪动镜的移动距离，单位为μm，该距离即所要产生的光程差.

3)测量次数框：输入测量次数，若不输入，该值默认为0，在测量结束时则需要进行手动复位.

4)截图按钮：将当前干涉条纹图像进行截图，并保存在电脑中.

5)开始按钮：在将移动距离和测量次数输入后，单击开始按钮软件开始自动运行，开始按钮同时显示系统当前工作状态.

6)电机复位按钮：如果不输入测量次数(即默认为0)，则需要在测量结束后单击该按钮将步进电机复位.

7)灰度显示按钮：在软件测量过程中，单击该按钮会弹出显示灰度值波形的显示框，实时显示灰度值波形.

8)波长框：在完成1次测量后，如图7所示，显示所测得激光光源的波长，单位为nm.

9)综合显示框：软件界面右下方的显示框为综合显示框. 测量过程中，综合显示框会显示距离测量完成的时间以及CCD相机拍照的张数，测量结束后，会在该显示框显示各个区域的条纹数，如图7所示.

10)数据存储：软件具有数据存储功能，每次的测量结果都会自动保存.

图7 软件运行结果图

4 实验测量结果

实验教学中选用常用的氦氖激光器作为激光光源，多次测试结果表明，所测得波长的准确度和稳定性都有了很大提高. 测量的条纹数与标准值的误差不超过2个，计算出的波长比人工测量的误差小，相对偏差小于1%.

5 结束语

本套基于迈克耳孙干涉仪的测量系统，通过串口驱动步进电机，皮带轮传动，精确控制迈克耳孙干涉仪的“动镜”移动，进而产生光程差；再通过CCD相机和数字图像采集卡采集干涉条纹图像，结合数字图像处理的相关算法运用MFC编写软件，实现自动测量光源波长.

该套系统充分发挥了计算机在图像处理、数据处理及控制方面的优势，使得大学物理实验变得丰富高效，并在此基础上研发出了压电常量探测的原理样机[7]. 在进行大学物理实验教学过程中，可以将部分软件核心代码提供给学生，使迈克耳孙干涉仪实验不再是单一的测量实验，而是能够从多方面提高学生的学习能力和创新能力的实验，对物理实验课程的改革起到了良好的促进作用.

[1] 林二妹,林建华. 迈克耳孙干涉仪的调节技巧[J]. 仪器仪表用户,2011,18(2):81-82.

[2] 王仲平,韩道福,马力,等. 迈克耳孙干涉仪测速的研究[J]. 江西科学,2007,25(6):707-709.

[3] 单永明,孙红贵. 改革物理实验教学,培养综合创新人才——“迈克耳孙干涉仪的改装及应用”的设计与实践[J]. 嘉兴学院学报,2011,23(3):140-144.

[4] 王道光,齐景山,刘淑娥,等. 迈克耳孙干涉仪实验相对误差的探索[J]. 实验室研究与探索,2011,32(6):140-144.

[5] 梁小冲,穆万军,汪仕元,等. 迈克耳孙干涉仪圆心位置微调系统的设计[J]. 物理实验,2015,35(1):27-29.

[6] 梁霄,田源,聂喻梅,等. 迈克耳孙干涉仪专用激光光源的研制[J]. 物理实验,2014,34(4):34-35.

[7] 吴金泉,王雪平,陈心浩,等. 基于激光干涉法的压电常数测量系统[J]. 硅酸盐通报,2016,35(5):1574-1577.

[责任编辑：尹冬梅]

Development of the Michelson interferometer

WU Jin-quan， CHEN Xin-hao， FAN Yi

(Experimental Teaching Center, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430070, China)

A new Michelson system, which could automatically measure the laser wavelength, had been built to reduce the errors caused by human factors. The optical path difference in the system was precisely controlled by accurately positioning the place of the “moving mirror” by step motor manipulated by computer through serial communication. The images of the interference fringe were captured and then sent to the computer by CCD camera. Finally, the wavelength of laser was obtained by specialized software.

Michelson interferometer; CCD; image identification; wavelength measurement

2016-05-31；修改日期：2016-07-12

湖北省高等学校省级教学研究项目(No.2014188)；中南民族大学仪器设备技改项目(No.JG2014013)

吴金泉(1976-)，女，湖北武汉人，中南民族大学实验教学中心高级实验师，学士，从事光学实验技术研究.

O436.1

A

1005-4642(2017)02-0013-04

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文