基于CCD成像技術(shù)的牛頓環(huán)實驗研究

薛 紅

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714000)

0 引言

CCD(Charge Coupled Device，即電荷耦合元件，也稱CCD圖像傳感器)是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型光電探測器件，它的主要作用就是將光學圖像轉(zhuǎn)化為電信號，以實現(xiàn)圖像的獲取、存儲、傳輸、處理和復現(xiàn)等功能，是一種十分高效的光檢測方式.其主要優(yōu)點在于分辨率高、靈敏度高、光譜的響應(yīng)范圍寬、光敏元的幾何精度高且不受電磁干擾等.目前，已被普遍用于攝像、圖像采集、工業(yè)測量等諸多領(lǐng)域.［1-8］

牛頓環(huán)實驗是等厚干涉的一個典型實驗，是大學物理實驗中的一個最基本的光學實驗.傳統(tǒng)的牛頓環(huán)實驗采用的是鈉光燈作光源，干涉條紋生成于牛頓環(huán)透鏡表面，為定域干涉;選用激光作光源，干涉條紋在光束傳播的任何平面上均可呈現(xiàn)清晰的條紋，為非定域干涉.在日常的生活生產(chǎn)中牛頓環(huán)的應(yīng)用非常廣泛，有關(guān)牛頓環(huán)的各種變型也很多，可用于精密測量壓力或長度的微小改變和介質(zhì)的折射率;在光學儀器制造工作中常用于對平板、棱鏡、反射鏡、透鏡等各種元件表面作質(zhì)量檢測，精確計算透鏡的曲率半徑等［9-10］.我們在力求注重基礎(chǔ)性、實踐性和探索性有機統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，增加了綜合性和研究性實驗技能的培養(yǎng)，對牛頓環(huán)實驗進行了擴展研究.本文利用CCD成像測量技術(shù)，對牛頓環(huán)的定域干涉條紋和非定域干涉條紋圖像進行采集，由計算機對圖像自動識別和圖象處理，建立在線測量系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)字圖像處理的相關(guān)理論進行分析處理，得出測量結(jié)果.這種基于CCD成像技術(shù)的牛頓環(huán)實驗測量，避免了在檢測過程中由于許多人為因素影響而造成對測量結(jié)果準確性的影響，具有很強的理論性和實用性.

圖1 牛頓環(huán)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

1 實驗裝置

牛頓環(huán)實驗系統(tǒng)如圖1所示，整個系統(tǒng)主要由光學系統(tǒng)、圖像采集和圖像處理三部分組成.其中光學系統(tǒng)由牛頓環(huán)干涉儀、光源(如果選用He-Ne激光器作為光源，則需要擴束器進行擴束)、移測顯微鏡等組成;圖像采集由CCD相機完成;圖像處理是通過計算機上的圖像采集卡將視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再通過計算機的圖像處理軟件進行圖像特征提取和圖像特征測量，最后輸出測量結(jié)果.

2 實驗原理

對圖像強度的檢測在先后經(jīng)歷了膠片照相法、熒光屏直接觀察法、電視觀察法等傳統(tǒng)方法之后，目前興起的實時成像系統(tǒng)是將光學系統(tǒng)獲得的圖像利用CCD相機、圖像采集卡以及計算機轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，同時利用計算機對動態(tài)圖像進行各種處理工作，以得到最佳的輸出結(jié)果.借助微電子技術(shù)、現(xiàn)代信息傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、信號處理和圖像處理技術(shù)等學科的成果，實時成像檢測的硬件部分和軟件部分也在不斷地發(fā)展和完善.

2.1 相干函數(shù)

以等厚干涉為例，如圖2所示.通常用相干函數(shù)這個物理量對光束的相干性作定量描述［11-12］，假定傳播到相遇點P處的光信號分別用復函數(shù)V1、V2表示，那么P點處的光強度為I(t)=V(t)V*(t). (1)其中:V*(t)與V(t)共軛.

一般而言，光電探測器實際探測到的必定是某一段時間內(nèi)光信號的平均強度，即

(2)式中復相干度 γ12(τ)為:

定義自相關(guān)函數(shù) Γ11(τ)、Γ22(τ)和互相干函數(shù) Γ12(τ)分別為

由(1)～(6)式可以得到干涉條紋的可見度為

可見，復相干度的模確定了干涉條紋的可見度，如圖3所示.

為了獲得明暗對比鮮明的干涉條紋，以利于觀測，應(yīng)力求使兩相干光在各處的光強盡可能相等，牛頓環(huán)實驗為分振幅干涉的典型代表，要得到對比鮮明的干涉條紋需在反射光中觀察.

2.2 實時成像檢測原理

通過CCD相機將可干涉條紋圖像轉(zhuǎn)變成視頻信號，經(jīng)過視頻電纜將該視頻信號傳輸?shù)接嬎銠C上的圖像采集卡上，再經(jīng)過刀D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后由計算機內(nèi)的圖像處理軟件進行圖像的采集、存儲、處理并輸出結(jié)果，如圖4所示.

圖4 圖像采集處理框圖

一般情況下，常見的圖像采集與處理系統(tǒng)采取三種設(shè)計方案，分別為硬件采集—軟件處理方案、硬件采集—硬件處理分離方案、硬件采集處理一體化方案.上述三種方案各有其優(yōu)缺點，本實驗采用第一種方案，即使用硬件進行圖像數(shù)據(jù)的采集，將獲得的數(shù)據(jù)存儲到計算機內(nèi)存中，然后根據(jù)實際需求利用軟件再對圖像進行處理，這種方法不僅可對獲取后的圖像進行處理，還能夠在數(shù)據(jù)采集過程進行同步處理，其工作原理圖如圖5所示.

圖5 硬件采集—軟件處理方案框圖

2.3 牛頓環(huán)圖樣分析

實驗中選用鈉光燈和He-Ne激光作為光源，所獲得的牛頓環(huán)圖樣如圖6和圖7所示.比較而言，由于納光的單色性較差，干涉條紋的可見度顯然較激光牛頓環(huán)條紋的可見度差.但由于激光的相干性極好，相干長度達到了幾米到幾十千米，使所有反射光都參與了干涉，再加上雜散光的干涉，在視場中除牛頓環(huán)條紋之外，呈現(xiàn)出在牛頓環(huán)條紋基礎(chǔ)上疊加了多套圓形條紋和平行條紋，造成干涉圖樣雜亂，對人工測量產(chǎn)生較大的影響.因此，在精度要求不是很高的一般性測量中多采用納光做光源;如果采用CCD技術(shù)對干涉條紋進行圖像降噪和圖像增強等預處理以后，再進行圖像特征提取，整個過程通過計算機完成，既高效又準確，不僅可以大大提高測量結(jié)果的精確度，還能夠?qū)崿F(xiàn)實時的監(jiān)控和測量.

3 結(jié)語

近年來，基于各種CCD技術(shù)的圖像采集與圖像處理系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于光電探測、生物識別、天文、遙感、軍事、化工等各個領(lǐng)域，其信息的載體已發(fā)展到高于微波的光波波段.隨著攝影測量與計算機應(yīng)用技術(shù)的拓展，對基于CCD圖像的高清晰度成像技術(shù)方面的研究以及對各項特性參數(shù)的細節(jié)處理上還需進一步完善，以達到最佳效果;在實時成像方面，還需對圖像壓縮及信號遠距離傳輸?shù)冗M行更加深入的研究，提高高清成像系統(tǒng)功能，增加實用性.

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