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.機電工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

CCD在夫瑯禾費實驗數(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)合計算機強大的信息處理功能，以光學(xué)實驗中的夫瑯禾費實驗為例，應(yīng)用CCD技術(shù)對實驗中被測圖像進行信息的采集、存儲及數(shù)據(jù)處理.結(jié)果表明，該實驗方法與傳統(tǒng)的實驗方法相比，可獲得較高的測量精度，實現(xiàn)了光電一體化設(shè)計，并對CCD在其它光學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理上的應(yīng)用提供參考.

CCD技術(shù)；光學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理，夫瑯禾費實驗①

0 引言

自2009年成像電路電荷耦合器件傳感器(CCD )問世以來，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)用于物理實驗中[1-3].CCD技術(shù)在數(shù)據(jù)圖像采集方面具有很強的能力，計算機強大的信息處理功能與之相結(jié)合，使物理實驗的內(nèi)容與效率得到了極大的提高，在物理實驗中應(yīng)用CCD進行圖像采集、數(shù)據(jù)處理和實驗改進取得了較大的提高[4-6].本文對傳統(tǒng)夫瑯禾費實驗裝置進行改進，應(yīng)用CCD測量處理數(shù)據(jù)，研究結(jié)論對于光學(xué)實驗的改進以及CCD應(yīng)用于光學(xué)實驗數(shù)據(jù)處理提供參考.

1 實驗原理

夫瑯禾費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，光通過圓孔后被透鏡L1會聚．按照幾何光學(xué)，在光屏上只能出現(xiàn)一個亮點．但是實際上在光屏上看到的是圓孔的衍射圖樣，中央是一個較亮的圓斑，外圍是一組亮暗相間的同心圓環(huán)，圍繞著一個明亮的中央亮斑(亦稱艾利斑)[7,8].理論證明在艾利斑中占圓孔衍射的全部光能的84%，而第一級亮環(huán)中只占有7%.因此，在討論夫瑯禾費圓孔衍射現(xiàn)象時，主要就是討論它的艾利斑的情況.經(jīng)過計算可知，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，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)測量

圖2是改進的夫瑯禾費圓孔光學(xué)實驗原理圖，在L2后增加了CCD和計算機輔助設(shè)備.改進后的裝置用CCD采集的實驗圖像可以在計算機上顯示，克服了直接用顯微目鏡觀察的困難.其次，在艾利斑測量直徑方法上也有了改進，把CCD采集的衍射圖樣在PS中打開，由于單CCD像素尺寸在微米量級，因此改進后的實驗提高了測量精度.利用CCD圖像采集軟件進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所測出的艾利班圖形

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

(3)

利用Photoshop所測的實驗數(shù)據(jù)，其長度都為像素在實際運用中需要將像素換算成實際長度單位(μm)，因此須通過定標(biāo)求出1μm所對應(yīng)的像素.由于此實驗在CCD攝像頭前有測微目鏡才能讓成像系統(tǒng)更清晰，這樣測微目鏡中的分劃板上刻線就經(jīng)CCD進入成像系統(tǒng)，由于一小格刻線的實際距離為0.05mm，這樣再利用Photoshop測出一小格刻線所占的像素

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

(4)

由公式(4)就可以計算出艾利斑的直徑了.

3 數(shù)據(jù)分析

直接用測微目鏡測量艾利斑直徑法(方法1)、利用改進后的系統(tǒng)測量處理實驗圖像法(方法2)的實驗結(jié)果見表1，實驗中采用的光源為氦-氖激光器波長為λ=632.8nm，透鏡L2的焦距f=70mm.圓孔直徑為a=0.2mm.光源波長如公式(5)：

(5)

表1 兩種測量方法所得艾利斑直徑與計算結(jié)果對比

由表1可以看出，CCD圖像采集技術(shù)的應(yīng)用，使計算得出光的波長與實際光的波長的誤差明顯減小.說明采用CCD圖像采集技術(shù)測量的數(shù)據(jù)明顯高于改進前通過眼睛直接觀察微測目鏡測量艾利斑直徑時的實驗精度.這是因為CCD圖像采集讀取數(shù)據(jù)時是對計算機上靜態(tài)圖像的像素點讀取，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)夫瑯禾費圓孔光學(xué)實驗中由于人為讀數(shù)造成的誤差問題，論文改進實驗裝置，在原實驗裝置中增加了CCD圖像采集和計算機輔助設(shè)備，通過與傳統(tǒng)測量方法的比較，用CCD測得的數(shù)據(jù)更加精確，實驗證明，對原實驗裝置的改進是成功的，也對CCD應(yīng)用于其他光學(xué)實驗提供了參考.

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

[2] 單錦安.應(yīng)用CCD技術(shù)改進光譜實驗教學(xué)儀器[J].物理實驗,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].物理實驗,2011,15(8):138-140.

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

[5] 萬玲玉,李洪亮,谷巍,等.基于CCD技術(shù)的圓孔衍射實驗改造研究[J].實驗科學(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)物理實驗[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)項目(項目編號：YYZ11005)，棗莊學(xué)院大學(xué)生SRT計劃項目，棗莊學(xué)院教學(xué)改革項目(項目編號：YJG11007).

王旭娟(1969-)，山東濟南人，棗莊學(xué)院光電工程學(xué)院實驗員，主要從事物理學(xué)實驗方面的研究.

閆昕]