数码相机谱线成像技术探索

    光学实验室通风条件差,通常要在黑暗房间中工作较长的时间,且操作读数困难,不利于师生的身心健康。原子光谱实验过去采用直接观察或长时间曝光拍片的形式采集数据,经显影、定影,最后用读数显微镜测长度或用测厚仪测量光的相对强度,整个过程过长,不符合目前学习、实验快节奏的特点。以F-P干涉仪为基础的光学精密测量实验为例,光谱的光强度低,可选择多种成像方法。作者通过实践提出了/曝光-底片扫描-打印P显示-宏观测量0模式解决了微观测量与缩短光学实验室逗留时间问题[1];浙江光仪有限公司生产的某型塞曼效应实验仪采用超大光学成像镜头+CCD摄像机+视频卡的方案采集数据,实际曝光能力显得勉强;多种实验教材或文献载明传统实验使用照相机或者可沿光轴垂直方向移动的望远镜直接读数。

    1 光学成像器材与数码摄像机感光特性比较

    固态摄像装置的普及和使用为实验者和实验室带来了很大的便利性,但对于极暗的谱线,摄像机的感光能力一直成为制约实验改进的瓶颈。前述超大光学成像镜头+CCD摄像机在测量原子光谱实验中仍然感觉到曝光不足,图像噪音大;究其因,摄像机的每帧(frame)曝光时间不可能比1P50 s长,视频卡只能获取TV图像的1帧,提高感光灵敏度只能通过选择低照度的摄像机或微光摄像机、大口径镜头,但适合实验成像的长焦距、大相对口径的镜头选择余地非常小,价格昂低摄像机工作时的每秒帧数看起来是个不错的选择,但这涉及到摄像机内控制芯片的底层控制功能,非常难实现。同时,数据采集以帧为基础,实际采集的像素只有CCD或CMOS感光器件像素的一半。一般摄像机像素在512@512 ~ 752@582之间,即使是黑白摄像机,其全场(1奇数帧+1偶数帧= 1场)像素只有0.262 M~0.438 M,更高端的摄像机有0.47 M像素。实际可采集1帧的像素只有标称像素的一半即0.131 M~0.235 M[2],难以提高实验真实分辨率。

    彩色成像的数码相机或摄像机因其电子器件CCD、CMOS的感光元上的滤色镜的衰减作用,实测比较感光灵敏度远低于同类型的黑白CCD或CMOS芯片;数码相机一般按Bayer颜色滤波阵列(1R+2G+1B=4像素)插值,成像质量会随光谱波长变化。在单色光照射下,实际解象能力为:绿光G为像素的一半,红光R、蓝光B只有1P4[1]。以3.34 M像素数码相机为例,计算表明R、B光的实际像素为0.83 M像素,G光的实际像素为1.67 M像素,故3M像素的数码相机所有分色成像的实际像素均高于0.47 M像素的黑白CCD摄像机的感光像素,远高于只占其1P2感光像素的每帧像素。因此用CCD数码相机解决光学实验成像问题对实验工作者具有极大的诱惑力。