基于線陣CCD的邁克耳孫干涉儀條紋計數(shù)器

陳玉林，馬 龍，顧 斌，徐林華

（南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院，江蘇南京210044）

1 引 言

邁克耳孫干涉儀是常用的計算光波波長的儀器，它設(shè)計精巧、用途廣泛，后人在此基礎(chǔ)上發(fā)展出當今物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)都有許多重要應(yīng)用的現(xiàn)代干涉儀器，如激光比長儀、傅里葉變換光譜儀等[1].但是因為缺少配套的干涉環(huán)計數(shù)系統(tǒng)，操作人員在做實驗時必須在光線較暗的環(huán)境中，通過調(diào)節(jié)手輪同時用肉眼觀察并記錄干涉環(huán)涌出或陷入的條紋數(shù)，當需記錄條紋數(shù)較大時，眼睛容易疲勞，導(dǎo)致工作效率降低，計數(shù)誤差增大[2].

本文設(shè)計的計數(shù)器配合邁克耳孫干涉儀，可直觀顯示干涉圖像，自動判斷圓環(huán)涌出還是陷入，記錄干涉環(huán)變化次數(shù)，外形小巧輕便，無需連接計算機，具備智能化程度高的特點.相對人工計數(shù)而言，提高了測量精度，降低了工作強度，簡化了實驗操作，具有重要的實際意義[3]，可推廣應(yīng)用于光學(xué)實驗及相關(guān)測量.

2 裝置原理

2.1 設(shè)計思路

邁克耳孫干涉儀干涉條紋計數(shù)器主要由3部分組成：CCD圖像傳感器、微處理器最小系統(tǒng)、液晶顯示屏.電荷耦合器件（charge couple device，簡稱CCD）是一種新型光電傳感器件.它的基本單元是MOS結(jié)構(gòu)，能存儲由光產(chǎn)生的電荷信號，當對它施加特定時序脈沖時，其存儲電荷能在CCD內(nèi)作定向移動而實現(xiàn)自掃描，輸出電壓信號的大小與CCD單元存儲的電荷多少成正比，CCD單元存儲電荷的多少與光的強度和CCD單元光積分時間成正比.本文使用的CCD圖像傳感器由2 592個PN結(jié)光電二極管構(gòu)成光敏元陣列，每個光敏單元的尺寸為長為11μm、高為11μm、中心距為11μm，光敏單元線陣有效長度為28.67mm，CCD感光面如圖1所示.微處理器最小系統(tǒng)由ARM微處理器STM32F103VCT6及其附屬器件組成.液晶屏采用16位真彩色3.2寸屏，具有觸摸功能，方便操作控制.

圖1 CCD感光線陣

將干涉條紋信號通過運放后經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換采集，送入處理器中進行軟件處理、判斷比較，用軟件實現(xiàn)計數(shù)，可以通過預(yù)設(shè)一定的條件來對條紋信號進行判向計數(shù)[4].系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)盡量減小外界環(huán)境對其造成的影響，可能的影響因素有：照明系統(tǒng)的穩(wěn)定性、成像系統(tǒng)誤差、CCD像元制造誤差、CCD對光照度的分辨率、A／D轉(zhuǎn)換精度、CCD驅(qū)動電路的噪音水平、圖像處理水平和軟件算法的優(yōu)劣等[5].

當旋轉(zhuǎn)細調(diào)手動輪時，干涉條紋中心便會有明暗相間條紋“冒出”或“縮進”（“冒出”的明暗條紋在干涉條紋中心產(chǎn)生，隨著細調(diào)手輪的旋轉(zhuǎn)而消失）[6]，將干涉環(huán)打在CCD感光面上，如圖2所示，CCD將輸出干涉環(huán)光強信號，信號波形如圖3所示.從圖3容易看出，每個光強峰值對相應(yīng)干涉環(huán)，中間跨度最大的峰值即為圓環(huán)中心，這樣通過檢測中心光強變換次數(shù)就可數(shù)出干涉環(huán)變換次數(shù).轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪使干涉環(huán)“冒出”時，兩邊較小峰值將逐漸向外移動，而當干涉環(huán)“縮進”時，兩邊較小峰值將逐漸向中心移動，這樣檢測兩邊較小峰值移動方向即可判斷干涉環(huán)變換方向.

圖2 CCD與干涉環(huán)

圖3 干涉環(huán)光強分布

為提高系統(tǒng)抗干擾性，使干涉環(huán)計數(shù)更加準確，可在計數(shù)前先對CCD光強進行采樣.設(shè)中心光強為S，轉(zhuǎn)動微調(diào)手輪，記錄中心光強最大值Smax和最小值Smin，如圖3所示，即

當系統(tǒng)開始計數(shù)時，設(shè)定S＞0.6（Smax－Smin）＋Smin為高，S＜0.4（Smax－Smin）＋Smin為低，這樣經(jīng)歷一高一低，計數(shù)值才加1.

在光強分布靠左邊選定一部分，如圖3中a到b部分，a到b的范圍應(yīng)至少包含1個峰值，另外再設(shè)一個范圍L到R，L到R的范圍應(yīng)把ab包含在內(nèi).在a到b中找到1個峰值，記錄峰值的位置設(shè)為x0.設(shè)光強位置坐標從左到右逐漸增大，則各位置關(guān)系為

經(jīng)歷一段較短時間（如0.05s）后找出離x0最近的峰值，設(shè)為x1.如果x1＞x0，則干涉環(huán)向中心“縮進”；如果x1＜x0，則干涉環(huán)從中心“冒出”；如果x1＝x0，則干涉環(huán)靜止.這樣再把x1當做x0繼續(xù)判斷方向，直到峰值位置超出L到R的范圍，然后再重新在a到b中找出x0，即可實現(xiàn)對干涉環(huán)變換方向的檢測.

設(shè)干涉環(huán)中心在光強分布圖上的位置為c，干涉環(huán)任意一點位置為x，相應(yīng)光強為S.讓x從光強分布邊緣逐漸變動到x＝c，以｜x－c｜為半徑，S為強度，在屏幕上畫圓，即可將干涉環(huán)形象地表現(xiàn)在屏幕上.

2.2 電路設(shè)計

邁克耳孫干涉儀條紋計數(shù)器數(shù)據(jù)處理電路見圖4，圖中電源、晶振等附屬電路未畫出.U1為微處理器STM32F103RBT6，可用STM32F103系列其他型號代替，晶振8M，主頻72MHz，系統(tǒng)電源3.3V.U2為液晶屏接線座，D0～D15為數(shù)據(jù)線，接微處理器的PC0～PC15.MOSI，MISO，SCLK，TP＿E為SPI接口，可結(jié)合INT端讀取觸摸屏信息.CCD＿CLK接至CCD傳感器時鐘輸出端口，Q1為NPN型三極管BC547，可用其他型號如9013代替，CCD＿DATA接CCD傳感器數(shù)據(jù)端，通過R3和R4分壓送至PA0.

2.3 程序設(shè)計

程序代碼分為3部分：CCD傳感器數(shù)據(jù)讀取，干涉環(huán)數(shù)據(jù)分析處理，液晶顯示與觸屏控制.

1）CCD傳感器數(shù)據(jù)讀取：CCD傳感器輸出2路信號，一路是高脈沖時鐘信號，另一路是光強模擬信號.將每個時鐘周期分為200份，依次讀取每個時刻對應(yīng)的模擬信號，模擬信號的讀取要使用片內(nèi)ADC轉(zhuǎn)換器，將讀取的信號值寫入1個光強數(shù)組中.

2）干涉環(huán)數(shù)據(jù)分析處理：利用定時器產(chǎn)生100Hz的中斷，這部分操作放在中斷函數(shù)里，實現(xiàn)每0.01s采集1次數(shù)據(jù)，并比較記錄干涉環(huán)中心最大值、最小值、側(cè)邊峰值，利用設(shè)計思路中的方法對干涉環(huán)進行計數(shù)、判向.

圖4 數(shù)據(jù)處理電路

3）液晶顯示與觸屏控制：因為實時顯示要求液晶響應(yīng)速度要快，所以這里使用液晶屏的16位并行接口.使用區(qū)域顯示函數(shù)在屏上設(shè)定區(qū)域來顯示干涉環(huán)，使用數(shù)學(xué)函數(shù)依次計算每個點顏色數(shù)值，這樣可以形象顯示干涉環(huán).本系統(tǒng)使用紅色顯示干涉環(huán)，用5位二進制表示顏色深度，另外背景色為黑色較容易處理.因為只需1個鍵來控制，所以觸屏可以不讀取位置信息，只需讀取INT腳高低電平即可，如果擔(dān)心有誤操作，也可設(shè)立對話框讀取位置信息.

程序流程分為2個階段：光路調(diào)整，計數(shù).

第一階段：光路調(diào)整.在程序開始后需有一個階段來調(diào)整光路，讓干涉環(huán)中心盡量打在CCD傳感器中心，這個階段可在液晶屏上顯示光強圖輔助調(diào)整.

第二階段：計數(shù).在這個階段中開啟定時器中斷，定時采集數(shù)據(jù)，記錄并顯示干涉環(huán)變換個數(shù)及變換方向，動態(tài)顯示干涉環(huán)分布，并設(shè)有重新計數(shù)功能.

3 實踐檢測及結(jié)論

圖5所示為邁克耳孫干涉儀計數(shù)器做好后應(yīng)用的圖片，其中（a）為調(diào)整光路的界面，界面上會顯示相應(yīng)提示信息，下方即為CCD輸出光強圖，中間一道豎線為輔助調(diào)整之用，（b）為計數(shù)界面視圖，上方顯示干涉環(huán)圖樣，下方顯示計數(shù)值和方向.利用本系統(tǒng)結(jié)合邁克耳孫干涉儀進行測量激光波長的實驗，實驗數(shù)據(jù)如表1所示.

圖5 程序界面

表1 實驗數(shù)據(jù)

利用逐差法計算得出ˉλ＝631.30nm，與激光器標定波長λ0＝632.80nm相比，Er＝0.24%.

4 結(jié)束語

經(jīng)多次實驗，本系統(tǒng)計數(shù)準確，對外界光線變化具有較強的適應(yīng)能力，降低了實驗操作強度，具有實際意義.本系統(tǒng)作為南京信息工程大學(xué)自制儀器，不僅解決了實驗操作與精確度的問題，更進一步滿足綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性等現(xiàn)代實驗內(nèi)容的要求，加深了對理論知識的理解.

[1] 陳玉林，李傳起.大學(xué)物理實驗[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2] 漆建軍，馬文華，肖化.基于線陣CCD的邁克耳孫干涉儀測量金屬絲的彈性模量[J].實驗室研究與探索，2010，29（1）：19－22.

[3] 劉曉峰，趙成軍，崔實，等.邁克耳孫干涉條紋自動計數(shù)儀的開發(fā)[J].東北電力學(xué)院學(xué)報，1994，14（4）：93－96.

[4] 陳本永，吳曉維，李達成.一種新型的干涉條紋軟件計數(shù)方法及其實現(xiàn)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2004（3）：371－375.

[5] 江育民，黃惟公，楊益.基于提高線陣CCD測量系統(tǒng)測量精度的研究[J].電子測量技術(shù)，2010，33（6）：98－101.

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[7] 鄧曉鵬，向少華，劉亮員，等.光源的相干性對牛頓環(huán)干涉條紋的影響[J].物理實驗，2010，30（8）：27－29.