基于THDCE-20摄像头成像的牛顿环实验设计

邱彩虹，李永强，陈家明，师文庆，苏文青，王伟宏

(广东海洋大学 电子与信息工程学院，广东 湛江 524088)

在科研和生产实践中,常常利用牛顿环干涉做各种精密测量，如薄膜厚度、微小角度、曲面的曲率半径等几何测量，牛顿环实验是最为典型[1]的物理实验之一。首先，读数显微镜的视场范围很小，测量时必须将眼睛紧贴目镜。实验过程中，经常因为视觉疲劳易引起环数记错。其次，显微镜内部通过蜗轮与蜗杆相互啮合推动标尺前进，调节读数显微镜的测微鼓轮时，一旦稍有不慎，向着与原来相反的方向转动鼓轮，将给蜗轮带来一段空程，即造成实验中的“回程差”。最后，在实验过程中桌面晃动，或不小心碰了仪器等都会给实验造成较大的误差。

鉴于牛顿环实验中长期存在上述诸多问题，一些学者对牛顿环实验进行改进：摄像型等厚干涉实验仪器[2]，牛顿环实验装置的改装[3]，基于Lab View的牛顿环虚拟仿真实验设计等[4]。这些改进虽能解决记错环数、“回程差”等问题，但仍然存在美中不足。本文采用显微镜摄像头与计算机技术相结合的方法，进行新的改进[5]。

1 基于THDCE-20摄像头成像的牛顿环实验设计

牛顿环等厚干涉实验是一种通过分振幅获取相干光的等厚干涉现象装置，由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜，以其凸面放在一块光学玻璃平板(平晶)上构成的。平凸透镜的凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加，若以平行单色光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的两束光存在光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉。产生以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环，称为牛顿环[6]。但是，该实验装置使用移测显微镜对等厚干涉条纹放大观察和测量，会出现眼睛易疲劳读数错误[7]。 同时“平凸透镜和平板玻璃的弹性形变和磨损，影响平凸透镜曲率半径的准确测量”[8]。为此，需要改进。

在普通牛顿环实验中，加装THDCE-20摄像头，然后通过电脑屏幕将THDCE-20摄像头中拍摄的视频实时地显示出来，“充分发挥计算机三维动画和实时仿真的特点”[9]。具体如图1所示。

图1 改进后的基于THDCE-20摄像头成像的牛顿环实验

下面介绍基于THDCE-20S摄像头和Qt编程的软件制作。该软件是在Qt应用程序开发框架上用C++语言进行开发的。Qt是面向对象的框架，使用特殊的代码生成扩展(称为元对象编译器，meta object compiler,MOC)以及一些宏，易于扩展，允许组件编程。Qt提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所有功能。Qt很容易扩展，并且允许真正的组件编程。Qt支持包括MS/Windows-95、98、NT4.0、ME、2000、XP、 Vista、Win7、Win8、Win2008、Win10、Unix/X11-Linux、SunSolaris、HP-UX、CompaqTru64 UNIX、IBMAIX、SGI IRIX、FreeBSD、BSD/OS和其他X11平台[10]。

通过对多种控件进行代码编写和调用，包括main.cpp源文件、mainwindow.cpp文件、mainwindow.h头文件、mainwindow.ui图形界面文件，形成完整的控制软件[11]。下面将对部分核心代码进行解析。

1)如图2所示，是程序源代码的主函数，通过调用头文件，实现对头文件中方法的调用。

图2 程序源代码的主函数

2)在头文件中对多个变量和方法进行定义和初始化，能够在后面的程序代码中如图3所示，方便进行调用。

图3 初始化变量

3)如图4所示，代码展示其中一个类方法的程序编写模式，实现屏幕截取和保存图片的功能。

图4 类方法程序片断

4)如图5所示，代码是程序中不可或缺的一部分，对摄像头的刷新能够保证实时接入新的摄像头可以被检测到，并被使用。

图5 定时刷新摄像头程序片断

2 基于THDCE-20摄像头成像的牛顿环实验的结果

用THDCE-20显微镜摄像头，通过编写程序软件将该摄像头与计算机进行连接，使成像清晰转移到电脑屏幕，并附有辅助线可对显微镜下的成像进行适当的调整，同时兼容了截屏的功能，操作简单，有益于提高学生的兴趣和积极性，增强实验教学效果。实验中的截图，如图6所示。

图6 牛顿环实验中通过THDCE-20 显微镜摄像头获得的电脑截图

在图6中，左上方是选择要启动的摄像头和启动按钮；左下方是显微摄像头实时显示区域；右上方是截图显示区域和“清空显示”按钮；右下方是设置截图保存路径，“截图”按钮和“打开”按钮。该界面使用Qt的可视化界面设计工具，代码调用方便，并且可以使不同的设计和测试工作以及后期对程序的修改工作变得非常轻松。

总体而言，该设计具有如下优点：1)该设计突破了肉眼观察困难限制，实时显示显微图像。在调光等实验要求满足条件下，能够在电脑屏幕清晰显示出显微镜下的成像状况，非常有利于成像调试和数据收集；2)具有一定的显微图像定位功能。该软件不仅显示呈现出成像情况，同时为了便于使用者对数据进行准确的定位做了改进，屏幕中央添加十字定位辅助线，能够准确确定成像位置；3)能够进行显微图像的截取。为了解决观察期间能够进行不同条件下实验结果的对比，该软件实现了屏幕截取图像功能，能够非常方便地截取保存清晰的图片。

该设计可以实现以下功能:1)设计了一个组合框(combo box)，用来显示出计算机当前连接的所有摄像头并供用户选择其中一个摄像头；2)设计编写了5个按钮(push button)代码，分别用来实现5个功能：启动当前摄像头、清空截图显示区域、选择截图保存路径、截取当前摄像头实时图片、打开截图所在文件夹位置；3)设计了一个文本输入框(line edit)的程序，用来设置截图保存路径；4)设计了3个文本框(label)的程序，分别用来显示“选择摄像头”“截图显示”“截图保存路径(默认保存在系统图片路径)”；5)设计了2个垂直布局框(vertical layout)的程序，分别用来实时显示牛顿环、显示截图；6)设计了十字叉丝于摄像头显示区域中央的程序方法，有利于定位牛顿环于正中央和读取牛顿环的环数。

应该指出的是，上述结果只有在认真而严谨的操作、不受外界因素干扰的情况下才能取得。如果操作不当，或不小心碰到了仪器，或者仪器有灰尘等外界因素影响[12]，就不可能取得上述结果或者得不到准确的结果。

3 结束语

实验表明，采用THDCE-20显微镜摄像头(配备USB接口)，对牛顿环实验进行改进，通过Qt的集成开发环境编写程序软件，将该摄像头与计算机进行连接，并通过驱动程序和系统软件，成像清晰转移到电脑屏幕前，并附有辅助线可对显微镜下的成像进行适当调整，从而减小观察和数据收集的误差，同时兼容了截屏的功能。在实际操作过程中，能够非常方便实现牛顿环实验中的观察和数据采集。大大降低了实验中对成像的观察和数据记录调整的出错率，减轻实验过程中人眼视觉疲劳。同时应该强调，操作要严谨认真且要做好清洁仪器等准备工作。