吳金泉，陳心浩，樊 燚

(中南民族大學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，湖北 武漢 430070)

邁克耳孫干涉儀的改進(jìn)

吳金泉，陳心浩，樊 燚

(中南民族大學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，湖北 武漢 430070)

為了減少邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)中人為因素產(chǎn)生的誤差，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，在傳統(tǒng)邁克耳孫干涉儀的基礎(chǔ)上構(gòu)建了光波波長自動測量系統(tǒng). 該系統(tǒng)通過串口通訊協(xié)議，精準(zhǔn)控制步進(jìn)電機(jī)改變“動鏡”的位置，獲得固定微小光程差，從CCD相機(jī)采集干涉條紋圖像，應(yīng)用專用的圖像識別軟件，實(shí)現(xiàn)光源波長的自動測量.

邁克耳孫干涉儀；CCD；圖像識別；波長測量

邁克耳孫干涉儀是用于高精度微距離測量的精密儀器，不僅適用普通物理的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在測控領(lǐng)域也具有極重要地位，是傳統(tǒng)的經(jīng)典光學(xué)儀器之一[1-2]. 但現(xiàn)有大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中對該儀器開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比較單一,主要用于測量光波波長[3]. 在實(shí)際操作中需要手動調(diào)節(jié)鼓輪改變“動鏡”的位置，從而改變系統(tǒng)的光程差，并通過鼓輪計(jì)數(shù)計(jì)算光程差，其機(jī)械誤差無法避免[4-6]；同時，依靠人工判讀干涉圖樣中條紋的變化(“冒出”或“吞進(jìn)”條紋的數(shù)量)，容易讀數(shù)失誤；這些都會造成較大誤差(～100 nm)，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想.

在中南民族大學(xué)技改項(xiàng)目的支助下，將傳統(tǒng)的邁克耳孫干涉儀進(jìn)行相關(guān)技術(shù)改造，采用精密步進(jìn)電機(jī)移動“動鏡”代替原儀器上的鼓輪微調(diào)，使原來的手動調(diào)節(jié)光程變成由電腦精確控制；同時用高性能CCD取代原有光路接收屏，通過CCD把干涉圖像信號采集后傳入計(jì)算機(jī)，最后通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)波長的自動測量.

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)編寫相應(yīng)軟件來實(shí)現(xiàn)對硬件控制、數(shù)據(jù)采集與處理及結(jié)果顯示等.

本系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)出控制信號到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，使步進(jìn)電機(jī)能按照指令運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動邁克耳孫干涉儀的“動鏡”，使其按要求精確緩慢平移一定距離，產(chǎn)生光程差；與此同時，干涉條紋圖像由CCD相機(jī)同步采集，通過數(shù)字圖像采集卡按50 ms/幀的速度傳回計(jì)算機(jī)，并可通過專用軟件進(jìn)行圖像處理，識別干涉條紋的變化量.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

為了使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動邁克耳孫干涉儀的“動鏡”平移，對現(xiàn)有邁克耳孫干涉儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的改造，實(shí)物如圖2所示. 步進(jìn)電機(jī)與邁克耳孫干涉儀通過傳送帶和精密齒輪傳送動力，并對相關(guān)器件進(jìn)行了相應(yīng)的減震處理，以減少因機(jī)械抖動帶來的實(shí)驗(yàn)誤差.

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，控制信號通過計(jì)算機(jī)串口發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn). 圖3為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制電路圖. SW1～SW3為電流選擇開關(guān)，SW4為靜態(tài)半流和全流選擇開關(guān)，SW5～SW7為細(xì)分選擇開關(guān). PLS端口與計(jì)算機(jī)串口線DTR端口相連，接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的方波信號，并通過調(diào)節(jié)方波頻率實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制. DIR端口為方向控制信號，與串口RTS端口相連，通過計(jì)算機(jī)輸出高低電平控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向.

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3 控制電路圖

圖4 邁克耳孫干涉儀光路改進(jìn)圖

圖4為改進(jìn)后的邁克耳孫干涉儀光路圖. 為使CCD相機(jī)能采集到高質(zhì)量的干涉條紋圖像，對邁克耳孫干涉儀的光路進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，增設(shè)了物鏡，使干涉條紋成像于CCD面陣. 用CCD照相機(jī)替換接收屏，并用f′=120 mm的透鏡將干涉條紋成像在CCD面陣上. 透鏡也作為孔徑光闌，限制了干涉條紋邊緣不清晰的條紋進(jìn)入.

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

軟件功能總體上分為兩部分，一是控制步進(jìn)電機(jī)，二是處理圖像及波長計(jì)算.

圖5為軟件流程圖，軟件具有手動模式和自動模式. 將“測量次數(shù)”設(shè)置為0，軟件即切換為手動模式. 手動模式下，需要在測量完成后單擊復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位. 自動模式下，在輸入?yún)⒘亢筌浖軌蜃詣油瓿烧麄€測量過程.

圖5 軟件流程圖

3.1 步進(jìn)電機(jī)控制

通過利用SetTimer()定時器函數(shù)以及延時函數(shù)，結(jié)合MSComm串口通訊控件,在計(jì)算機(jī)串口的DTR口輸出頻率可調(diào)的方波信號，利用該方波信號實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制. 利用SetRTSEnable()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對串口RTS口高低電平的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制. 最后，通過對定時器函數(shù)的多次調(diào)用，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自動復(fù)位功能.

3.2 數(shù)據(jù)處理及波長計(jì)算

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)及對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，最終確定了一種精確度較高的條紋識別算法.

在圖像中心橫向選取5個大小相同的區(qū)域，分別計(jì)算5個區(qū)域的灰度值并儲存計(jì)算結(jié)果. 在步進(jìn)電機(jī)移動到指定的位置后，軟件開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理. 對于每個區(qū)域，先找出平均灰度值，再根據(jù)其灰度平均值設(shè)定上閾值和下閾值，最后將每個灰度值根據(jù)該上下閾值進(jìn)行判定.

當(dāng)灰度值高于上閾值且滿足以下2個條件時判定產(chǎn)生1個條紋的變化：1)與上1個條紋間的時間間隔大于100 ms(CCD相機(jī)拍照時間間隔為50 ms)；2)在此之前灰度值曾低于一次下閾值.

根據(jù)這種方法，最后分別計(jì)算出5個區(qū)域的條紋數(shù)，去掉最大值和最小值，最后加權(quán)平均得出最終的條紋變化數(shù)，根據(jù)光學(xué)公式即可算出該激光光源的波長.

3.3 軟件界面功能介紹

圖6為軟件的界面圖. 該軟件基于MFC編寫，各部分功能如下.

圖6 軟件界面圖

1)主顯示框：用于顯示從CCD相機(jī)采集的干涉條紋圖像.

2)移動距離框：在此處輸入邁克耳孫干涉儀動鏡的移動距離，單位為μm，該距離即所要產(chǎn)生的光程差.

3)測量次數(shù)框：輸入測量次數(shù)，若不輸入，該值默認(rèn)為0，在測量結(jié)束時則需要進(jìn)行手動復(fù)位.

4)截圖按鈕：將當(dāng)前干涉條紋圖像進(jìn)行截圖，并保存在電腦中.

5)開始按鈕：在將移動距離和測量次數(shù)輸入后，單擊開始按鈕軟件開始自動運(yùn)行，開始按鈕同時顯示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài).

6)電機(jī)復(fù)位按鈕：如果不輸入測量次數(shù)(即默認(rèn)為0)，則需要在測量結(jié)束后單擊該按鈕將步進(jìn)電機(jī)復(fù)位.

7)灰度顯示按鈕：在軟件測量過程中，單擊該按鈕會彈出顯示灰度值波形的顯示框，實(shí)時顯示灰度值波形.

8)波長框：在完成1次測量后，如圖7所示，顯示所測得激光光源的波長，單位為nm.

9)綜合顯示框：軟件界面右下方的顯示框?yàn)榫C合顯示框. 測量過程中，綜合顯示框會顯示距離測量完成的時間以及CCD相機(jī)拍照的張數(shù)，測量結(jié)束后，會在該顯示框顯示各個區(qū)域的條紋數(shù)，如圖7所示.

10)數(shù)據(jù)存儲：軟件具有數(shù)據(jù)存儲功能，每次的測量結(jié)果都會自動保存.

圖7 軟件運(yùn)行結(jié)果圖

4 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中選用常用的氦氖激光器作為激光光源，多次測試結(jié)果表明，所測得波長的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都有了很大提高. 測量的條紋數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差不超過2個，計(jì)算出的波長比人工測量的誤差小，相對偏差小于1%.

5 結(jié)束語

本套基于邁克耳孫干涉儀的測量系統(tǒng)，通過串口驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，皮帶輪傳動，精確控制邁克耳孫干涉儀的“動鏡”移動，進(jìn)而產(chǎn)生光程差；再通過CCD相機(jī)和數(shù)字圖像采集卡采集干涉條紋圖像，結(jié)合數(shù)字圖像處理的相關(guān)算法運(yùn)用MFC編寫軟件，實(shí)現(xiàn)自動測量光源波長.

該套系統(tǒng)充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)在圖像處理、數(shù)據(jù)處理及控制方面的優(yōu)勢，使得大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)變得豐富高效，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了壓電常量探測的原理樣機(jī)[7]. 在進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可以將部分軟件核心代碼提供給學(xué)生，使邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)不再是單一的測量實(shí)驗(yàn)，而是能夠從多方面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)，對物理實(shí)驗(yàn)課程的改革起到了良好的促進(jìn)作用.

[1] 林二妹,林建華. 邁克耳孫干涉儀的調(diào)節(jié)技巧[J]. 儀器儀表用戶,2011,18(2):81-82.

[2] 王仲平,韓道福,馬力,等. 邁克耳孫干涉儀測速的研究[J]. 江西科學(xué),2007,25(6):707-709.

[3] 單永明,孫紅貴. 改革物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),培養(yǎng)綜合創(chuàng)新人才——“邁克耳孫干涉儀的改裝及應(yīng)用”的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 嘉興學(xué)院學(xué)報(bào),2011,23(3):140-144.

[4] 王道光,齊景山,劉淑娥,等. 邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)相對誤差的探索[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,32(6):140-144.

[5] 梁小沖,穆萬軍,汪仕元,等. 邁克耳孫干涉儀圓心位置微調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2015,35(1):27-29.

[6] 梁霄,田源,聶喻梅,等. 邁克耳孫干涉儀專用激光光源的研制[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2014,34(4):34-35.

[7] 吳金泉,王雪平,陳心浩,等. 基于激光干涉法的壓電常數(shù)測量系統(tǒng)[J]. 硅酸鹽通報(bào),2016,35(5):1574-1577.

[責(zé)任編輯：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

湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項(xiàng)目(No.2014188)；中南民族大學(xué)儀器設(shè)備技改項(xiàng)目(No.JG2014013)

吳金泉(1976-)，女，湖北武漢人，中南民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心高級實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，從事光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究.

O436.1

A

1005-4642(2017)02-0013-04

“第9屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文