王旭娟，蘇士田，薛冬，李欣欣

(棗莊學(xué)院 a.光電工程學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

CCD在夫瑯禾費(fèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用研究

王旭娟a，蘇士田b，薛冬a，李欣欣a

(棗莊學(xué)院 a.光電工程學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

基于CCD技術(shù)在光學(xué)圖像信息采集上的應(yīng)用，結(jié)合計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理功能，以光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的夫瑯禾費(fèi)實(shí)驗(yàn)為例，應(yīng)用CCD技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)中被測(cè)圖像進(jìn)行信息的采集、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理.結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)方法與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法相比，可獲得較高的測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了光電一體化設(shè)計(jì)，并對(duì)CCD在其它光學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上的應(yīng)用提供參考.

CCD技術(shù)；光學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，夫瑯禾費(fèi)實(shí)驗(yàn)①

0 引言

自2009年成像電路電荷耦合器件傳感器(CCD )問(wèn)世以來(lái)，在諸多科技領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，隨著現(xiàn)代科技的日益發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)將不斷的應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中[1-3].CCD技術(shù)在數(shù)據(jù)圖像采集方面具有很強(qiáng)的能力，計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的信息處理功能與之相結(jié)合，使物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與效率得到了極大的提高，在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用CCD進(jìn)行圖像采集、數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)取得了較大的提高[4-6].本文對(duì)傳統(tǒng)夫瑯禾費(fèi)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，應(yīng)用CCD測(cè)量處理數(shù)據(jù)，研究結(jié)論對(duì)于光學(xué)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)以及CCD應(yīng)用于光學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)原理

夫瑯禾費(fèi)衍射的定義為入射光和衍射光都是平行光的衍射現(xiàn)象，圖1中由光源S發(fā)出的平行單色光垂直照射到圓孔上，光通過(guò)圓孔后被透鏡L1會(huì)聚．按照幾何光學(xué)，在光屏上只能出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)．但是實(shí)際上在光屏上看到的是圓孔的衍射圖樣，中央是一個(gè)較亮的圓斑，外圍是一組亮暗相間的同心圓環(huán)，圍繞著一個(gè)明亮的中央亮斑(亦稱(chēng)艾利斑)[7,8].理論證明在艾利斑中占圓孔衍射的全部光能的84%，而第一級(jí)亮環(huán)中只占有7%.因此，在討論夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射現(xiàn)象時(shí)，主要就是討論它的艾利斑的情況.經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，艾利斑的半角寬度為：

θ≈sinθ1=0.61λ/R=1.22λ/a

(1)

公式(1)中θ是衍射角，λ是波長(zhǎng)，R是小孔的半徑，a是圓孔的直徑.艾利斑的直徑為：

(2)

公式(2)中f為透鏡L2的焦距，D為艾利斑直徑.

2 數(shù)據(jù)測(cè)量

圖2是改進(jìn)的夫瑯禾費(fèi)圓孔光學(xué)實(shí)驗(yàn)原理圖，在L2后增加了CCD和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備.改進(jìn)后的裝置用CCD采集的實(shí)驗(yàn)圖像可以在計(jì)算機(jī)上顯示，克服了直接用顯微目鏡觀察的困難.其次，在艾利斑測(cè)量直徑方法上也有了改進(jìn)，把CCD采集的衍射圖樣在PS中打開(kāi)，由于單CCD像素尺寸在微米量級(jí)，因此改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)提高了測(cè)量精度.利用CCD圖像采集軟件進(jìn)行圓孔衍射圖像采集，調(diào)整圓孔和CCD之間的距離至顯示屏上能觀察清晰的艾利斑，拍攝此條紋并保存為bmp格式，得到的圖像如圖3所示.

圖3 CCD所測(cè)出的艾利班圖形

利用Photoshop程序?qū)⒈４娴膱D像打開(kāi)，由于圖像是靜態(tài)的而且均勻?qū)ΨQ(chēng)，移動(dòng)鼠標(biāo)確定圓心，分別測(cè)量艾利斑的上A1(X1,Y1)下A2(X2,Y2)左A3(X3,Y3)右A4(X4,Y4)對(duì)稱(chēng)位置的像素值,艾利斑的直徑為：

(3)

利用Photoshop所測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其長(zhǎng)度都為像素在實(shí)際運(yùn)用中需要將像素?fù)Q算成實(shí)際長(zhǎng)度單位(μm)，因此須通過(guò)定標(biāo)求出1μm所對(duì)應(yīng)的像素.由于此實(shí)驗(yàn)在CCD攝像頭前有測(cè)微目鏡才能讓成像系統(tǒng)更清晰，這樣測(cè)微目鏡中的分劃板上刻線(xiàn)就經(jīng)CCD進(jìn)入成像系統(tǒng)，由于一小格刻線(xiàn)的實(shí)際距離為0.05mm，這樣再利用Photoshop測(cè)出一小格刻線(xiàn)所占的像素

數(shù)△E=E1-E2,其中E1，E2分別為兩個(gè)刻線(xiàn)中心像素位置.這樣根據(jù)公式(3)得：

(4)

由公式(4)就可以計(jì)算出艾利斑的直徑了.

3 數(shù)據(jù)分析

直接用測(cè)微目鏡測(cè)量艾利斑直徑法(方法1)、利用改進(jìn)后的系統(tǒng)測(cè)量處理實(shí)驗(yàn)圖像法(方法2)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，實(shí)驗(yàn)中采用的光源為氦-氖激光器波長(zhǎng)為λ=632.8nm，透鏡L2的焦距f=70mm.圓孔直徑為a=0.2mm.光源波長(zhǎng)如公式(5)：

(5)

表1 兩種測(cè)量方法所得艾利斑直徑與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表1可以看出，CCD圖像采集技術(shù)的應(yīng)用，使計(jì)算得出光的波長(zhǎng)與實(shí)際光的波長(zhǎng)的誤差明顯減小.說(shuō)明采用CCD圖像采集技術(shù)測(cè)量的數(shù)據(jù)明顯高于改進(jìn)前通過(guò)眼睛直接觀察微測(cè)目鏡測(cè)量艾利斑直徑時(shí)的實(shí)驗(yàn)精度.這是因?yàn)镃CD圖像采集讀取數(shù)據(jù)時(shí)是對(duì)計(jì)算機(jī)上靜態(tài)圖像的像素點(diǎn)讀取，避免了眼睛疲勞因素造成的讀數(shù)誤差.

4 總結(jié)

基于傳統(tǒng)夫瑯禾費(fèi)圓孔光學(xué)實(shí)驗(yàn)中由于人為讀數(shù)造成的誤差問(wèn)題，論文改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，在原實(shí)驗(yàn)裝置中增加了CCD圖像采集和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備，通過(guò)與傳統(tǒng)測(cè)量方法的比較，用CCD測(cè)得的數(shù)據(jù)更加精確，實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)原實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)是成功的，也對(duì)CCD應(yīng)用于其他光學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了參考.

[1] 金丹青.CCD在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].寧波廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào),2010,8(1):126-128.

[2] 單錦安.應(yīng)用CCD技術(shù)改進(jìn)光譜實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器[J].物理實(shí)驗(yàn),2011,7(6):16-17.

[3] 沙振舜.CCD像感器在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理實(shí)驗(yàn),2011,15(8):138-140.

[4] 朱宏娜.CCD技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)于技術(shù),2010,13(4):134-139.

[5] 萬(wàn)玲玉,李洪亮,谷巍,等.基于CCD技術(shù)的圓孔衍射實(shí)驗(yàn)改造研究[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2011,14(4):4-14.

[6] 王慶有,孫學(xué)珠. CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2003.

[7] 姚啟鈞.光學(xué)教程[M].北京:高等教育出版社,2002.

[8] 鄭建洲.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：科學(xué)出版社,2012.

ResearchofApplicationforFraunhoferdExperimentinAnalysingDataUsingCCD

WANG Xu-juana, SU Shi-tianb, XUE Donga, LI Xin-xina

(a School of Opt-Electronic Engineering,b Department of mechanical and electricalEngineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

Based on CCD for the optical image information acquisition application, combined with the strong information processing function of computer, the Fraunhofer experiment as an example,we collected, stored and analyzed the date of the imaging information by using the CCD technology. The result show that this experiment method can get higher accuracy compared with the traditional method, and it can realize the integration of electro-optic, and provide the reference for the application experiment in analysing optical data using CCD.

CCD technology; analysing the optical experiment data; Fraunhoferd experiment

Q431.1

A

1004-7077(2013)05-0052-03

2013-09-10

棗莊學(xué)院課程建設(shè)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：YYZ11005)，棗莊學(xué)院大學(xué)生SRT計(jì)劃項(xiàng)目，棗莊學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：YJG11007).

王旭娟(1969-)，山東濟(jì)南人，棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)員，主要從事物理學(xué)實(shí)驗(yàn)方面的研究.

閆昕]