邱彩虹，李永強，陳家明，師文慶，蘇文青，王偉宏

(廣東海洋大學 電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088)

在科研和生產(chǎn)實踐中,常常利用牛頓環(huán)干涉做各種精密測量，如薄膜厚度、微小角度、曲面的曲率半徑等幾何測量，牛頓環(huán)實驗是最為典型[1]的物理實驗之一。首先，讀數(shù)顯微鏡的視場范圍很小，測量時必須將眼睛緊貼目鏡。實驗過程中，經(jīng)常因為視覺疲勞易引起環(huán)數(shù)記錯。其次，顯微鏡內(nèi)部通過蝸輪與蝸桿相互嚙合推動標尺前進，調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡的測微鼓輪時，一旦稍有不慎，向著與原來相反的方向轉(zhuǎn)動鼓輪，將給蝸輪帶來一段空程，即造成實驗中的“回程差”。最后，在實驗過程中桌面晃動，或不小心碰了儀器等都會給實驗造成較大的誤差。

鑒于牛頓環(huán)實驗中長期存在上述諸多問題，一些學者對牛頓環(huán)實驗進行改進：攝像型等厚干涉實驗儀器[2]，牛頓環(huán)實驗裝置的改裝[3]，基于Lab View的牛頓環(huán)虛擬仿真實驗設計等[4]。這些改進雖能解決記錯環(huán)數(shù)、“回程差”等問題，但仍然存在美中不足。本文采用顯微鏡攝像頭與計算機技術(shù)相結(jié)合的方法，進行新的改進[5]。

1 基于THDCE-20攝像頭成像的牛頓環(huán)實驗設計

牛頓環(huán)等厚干涉實驗是一種通過分振幅獲取相干光的等厚干涉現(xiàn)象裝置，由一塊曲率半徑較大的平凸玻璃透鏡，以其凸面放在一塊光學玻璃平板(平晶)上構(gòu)成的。平凸透鏡的凸面與玻璃平板之間的空氣層厚度從中心到邊緣逐漸增加，若以平行單色光垂直照射到牛頓環(huán)上，則經(jīng)空氣層上、下表面反射的兩束光存在光程差，它們在平凸透鏡的凸面相遇后，將發(fā)生干涉。產(chǎn)生以玻璃接觸點為中心的一系列明暗相間的圓環(huán)，稱為牛頓環(huán)[6]。但是，該實驗裝置使用移測顯微鏡對等厚干涉條紋放大觀察和測量，會出現(xiàn)眼睛易疲勞讀數(shù)錯誤[7]。 同時“平凸透鏡和平板玻璃的彈性形變和磨損，影響平凸透鏡曲率半徑的準確測量”[8]。為此，需要改進。

在普通牛頓環(huán)實驗中，加裝THDCE-20攝像頭，然后通過電腦屏幕將THDCE-20攝像頭中拍攝的視頻實時地顯示出來，“充分發(fā)揮計算機三維動畫和實時仿真的特點”[9]。具體如圖1所示。

圖1 改進后的基于THDCE-20攝像頭成像的牛頓環(huán)實驗

下面介紹基于THDCE-20S攝像頭和Qt編程的軟件制作。該軟件是在Qt應用程序開發(fā)框架上用C++語言進行開發(fā)的。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣?，使用特殊的代碼生成擴展(稱為元對象編譯器，meta object compiler,MOC)以及一些宏，易于擴展，允許組件編程。Qt提供給應用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所有功能。Qt很容易擴展，并且允許真正的組件編程。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平臺[10]。

通過對多種控件進行代碼編寫和調(diào)用，包括main.cpp源文件、mainwindow.cpp文件、mainwindow.h頭文件、mainwindow.ui圖形界面文件，形成完整的控制軟件[11]。下面將對部分核心代碼進行解析。

1)如圖2所示，是程序源代碼的主函數(shù)，通過調(diào)用頭文件，實現(xiàn)對頭文件中方法的調(diào)用。

圖2 程序源代碼的主函數(shù)

2)在頭文件中對多個變量和方法進行定義和初始化，能夠在后面的程序代碼中如圖3所示，方便進行調(diào)用。

圖3 初始化變量

3)如圖4所示，代碼展示其中一個類方法的程序編寫模式，實現(xiàn)屏幕截取和保存圖片的功能。

圖4 類方法程序片斷

4)如圖5所示，代碼是程序中不可或缺的一部分，對攝像頭的刷新能夠保證實時接入新的攝像頭可以被檢測到，并被使用。

圖5 定時刷新攝像頭程序片斷

2 基于THDCE-20攝像頭成像的牛頓環(huán)實驗的結(jié)果

用THDCE-20顯微鏡攝像頭，通過編寫程序軟件將該攝像頭與計算機進行連接，使成像清晰轉(zhuǎn)移到電腦屏幕，并附有輔助線可對顯微鏡下的成像進行適當?shù)恼{(diào)整，同時兼容了截屏的功能，操作簡單，有益于提高學生的興趣和積極性，增強實驗教學效果。實驗中的截圖，如圖6所示。

圖6 牛頓環(huán)實驗中通過THDCE-20 顯微鏡攝像頭獲得的電腦截圖

在圖6中，左上方是選擇要啟動的攝像頭和啟動按鈕；左下方是顯微攝像頭實時顯示區(qū)域；右上方是截圖顯示區(qū)域和“清空顯示”按鈕；右下方是設置截圖保存路徑，“截圖”按鈕和“打開”按鈕。該界面使用Qt的可視化界面設計工具，代碼調(diào)用方便，并且可以使不同的設計和測試工作以及后期對程序的修改工作變得非常輕松。

總體而言，該設計具有如下優(yōu)點：1)該設計突破了肉眼觀察困難限制，實時顯示顯微圖像。在調(diào)光等實驗要求滿足條件下，能夠在電腦屏幕清晰顯示出顯微鏡下的成像狀況，非常有利于成像調(diào)試和數(shù)據(jù)收集；2)具有一定的顯微圖像定位功能。該軟件不僅顯示呈現(xiàn)出成像情況，同時為了便于使用者對數(shù)據(jù)進行準確的定位做了改進，屏幕中央添加十字定位輔助線，能夠準確確定成像位置；3)能夠進行顯微圖像的截取。為了解決觀察期間能夠進行不同條件下實驗結(jié)果的對比，該軟件實現(xiàn)了屏幕截取圖像功能，能夠非常方便地截取保存清晰的圖片。

該設計可以實現(xiàn)以下功能:1)設計了一個組合框(combo box)，用來顯示出計算機當前連接的所有攝像頭并供用戶選擇其中一個攝像頭；2)設計編寫了5個按鈕(push button)代碼，分別用來實現(xiàn)5個功能：啟動當前攝像頭、清空截圖顯示區(qū)域、選擇截圖保存路徑、截取當前攝像頭實時圖片、打開截圖所在文件夾位置；3)設計了一個文本輸入框(line edit)的程序，用來設置截圖保存路徑；4)設計了3個文本框(label)的程序，分別用來顯示“選擇攝像頭”“截圖顯示”“截圖保存路徑(默認保存在系統(tǒng)圖片路徑)”；5)設計了2個垂直布局框(vertical layout)的程序，分別用來實時顯示牛頓環(huán)、顯示截圖；6)設計了十字叉絲于攝像頭顯示區(qū)域中央的程序方法，有利于定位牛頓環(huán)于正中央和讀取牛頓環(huán)的環(huán)數(shù)。

應該指出的是，上述結(jié)果只有在認真而嚴謹?shù)牟僮?、不受外界因素干擾的情況下才能取得。如果操作不當，或不小心碰到了儀器，或者儀器有灰塵等外界因素影響[12]，就不可能取得上述結(jié)果或者得不到準確的結(jié)果。

3 結(jié)束語

實驗表明，采用THDCE-20顯微鏡攝像頭(配備USB接口)，對牛頓環(huán)實驗進行改進，通過Qt的集成開發(fā)環(huán)境編寫程序軟件，將該攝像頭與計算機進行連接，并通過驅(qū)動程序和系統(tǒng)軟件，成像清晰轉(zhuǎn)移到電腦屏幕前，并附有輔助線可對顯微鏡下的成像進行適當調(diào)整，從而減小觀察和數(shù)據(jù)收集的誤差，同時兼容了截屏的功能。在實際操作過程中，能夠非常方便實現(xiàn)牛頓環(huán)實驗中的觀察和數(shù)據(jù)采集。大大降低了實驗中對成像的觀察和數(shù)據(jù)記錄調(diào)整的出錯率，減輕實驗過程中人眼視覺疲勞。同時應該強調(diào)，操作要嚴謹認真且要做好清潔儀器等準備工作。