CCD等厚干涉实验仪的研究

　　等厚干涉仪是大学物理实验教学中的基本实验之一。传统的实验仪是通过读数显微镜对干涉条纹进行读数,进而获得待测物的尺寸(如:厚度或透镜的曲率半径)[1]。实验中,测试者在读取条纹数的过程中很容易由于视疲劳引起条纹记数错误,而且如果中途出现碰撞、振动等干扰还会造成记数失败。这些因素往往是测试者花费较长实验时间和出现人为测量误差的主要原因。另一方面,由于读数显微镜视场范围较小,所以实验的观察效果不好。尽管现在已有研究者将CCD应用到该类实验仪中[2],用以代替人眼帮助观察,但上述问题并未得到真正的解决。为了解决上述问题,我们将CCD显微测量光学系统引入构成新型的等厚干涉实验仪,并采用条纹的极值法、形态细化和形态修剪法进行图像处理,使该实验既有好的观察效果又易于精确测量。

1　CCD显微光学系统

图1是用CCD摄像机的物镜L2和透镜L1构成的光学系统,其可以获得大视场的显微图像。图1中,D为光学筒长,透镜L2的最大视角为ω,AB是所能观测到的视场线度,A″B″是CCD靶面上的成像,S为工作距离。

2　CCD等厚干涉实验仪

设需要分辨率的最小间距为δ,由图可知,光学系统的放大率。因此,大小为δ的物体能被有效分辨的条件是它必须占据CCD靶面上的两个像元,即,δ′为CCD相邻像元的间距。图2是由显微光学系统构成的等厚干涉实验仪的原理图(实验测试对象为牛顿环)。图中CCD摄像机与图像卡和计算机连接。图像卡可以实时地将干涉条纹图在显示器上显示。调节好物镜焦距F2和工作距离S,当获得基本可分辨的图像时,冻结图像便可以进行进一步的测量工作。

3　图像处理和数据采集

利用图2的原理图获得的干涉条纹虽然具有较好的实验观察效果,但要完成准确的测量还要对条纹进行必要的图像处理。我们的软件设计,采用Win32编程。编制的软件具有良好的图形界面,丰富的鼠标操作。软件的帮助栏不但为软件的使用提供了指导,还提供了实验的内容和步骤。图像处理的主要步骤为:①灰度预处理[4];②极值法处理[5];③形态细化和形态修剪处理[6]。

图3为计算机图像处理、数据采集和测量计算的流程图。

4　实验比较和结论

为了便于比较,显微光学系统和光学筒内径选取与JXD-1读数显微镜的相同。光学元件的有关数据为:D=110mm,d=17mm,F1=89mm,F2=50mm。通过计算可知,在10mm线视场下,ωmax=5.50。采用MTV-1881EX CCD摄像机条件下,显示器上相邻像素间距等于实际距离12.9μm。图4(a)是以平凸透镜为测试对象获得的牛顿环条纹图,结果显示可以看到约45个牛顿环,而通过读数显微镜只能看到10个环,线视场为4mm,前者比后者视场扩大了近2.5倍。可见实验观察效果很好。图4(b)和(c)是经过极值法处理和形态细化及修剪后的条纹图。