基于LABVIEW的牛頓環(huán)檢測系統(tǒng)的設(shè)計

【摘 要】傳統(tǒng)的牛頓環(huán)測量方法用讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行人工測量，該方法易造成眼睛疲勞且對手的操作精度要求較高，費時費力且誤差大。設(shè)計的牛頓環(huán)檢測系統(tǒng)達(dá)到了自動化檢測牛頓環(huán)的目的。用CCD攝像頭采集牛頓環(huán)，用LABVIEW編寫程序讀取牛頓環(huán)圖像，用數(shù)字圖像處理方法處理條紋并測量得出數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能檢測和計算牛頓環(huán)條紋，數(shù)據(jù)誤差小，操作難度低，省時省力，觀察方便不易疲勞。

【關(guān)鍵詞】LABVIEW；牛頓環(huán)；光電檢測；

在做傳統(tǒng)的牛頓環(huán)實驗時需用讀數(shù)顯微鏡進(jìn)行人工觀察和計數(shù)，因視差等原因?qū)е掠^測的結(jié)果不準(zhǔn)確，且人工計數(shù)效率低下，眼睛易疲勞并會造成誤讀。而用CCD 接收待測的干涉條紋圖像信號，用LABVIEW軟件代替眼睛進(jìn)行測量可解決上面的問題。

一、圖像采集系統(tǒng)的搭建

硬件主要有：讀數(shù)顯微鏡裝置、鈉光燈、牛頓環(huán)儀、CCD攝像頭、圖像采集卡和電腦。先由讀數(shù)顯微鏡、牛頓環(huán)儀、鈉光燈組成牛頓環(huán)觀察裝置，調(diào)節(jié)牛頓環(huán)觀察裝置使得能在讀數(shù)顯微鏡的目鏡中觀察到清晰的牛頓環(huán)圖像。具體步驟：接通鈉光源預(yù)熱五分鐘，待鈉光燈發(fā)光穩(wěn)定后調(diào)整讀數(shù)顯微鏡的半反半透鏡片，使得透過目鏡觀察到的視野最明亮。調(diào)整牛頓環(huán)儀的三個調(diào)節(jié)螺絲，在自然光的照射下能觀察到牛頓環(huán)的干涉圖樣并將干涉條紋的中心移到牛頓環(huán)儀的中心附近，調(diào)節(jié)螺絲使牛頓環(huán)中心暗斑不要太大。調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡同時觀察目鏡使得牛頓環(huán)圖像處于目鏡視野的中央，最后調(diào)焦得到清晰的牛頓環(huán)圖像。在目鏡端裝上CCD攝像頭，將CCD的視頻輸出插頭插到電腦上的圖像采集卡輸入端。打開電腦，打開CCD電源開關(guān)，開始圖像采集。

圖像采集系統(tǒng)最終需得到清晰的牛頓環(huán)圖像，在讀數(shù)顯微鏡里觀察到牛頓環(huán)的要求是：成像視場要求足夠明亮；視場范圍下盡量少出現(xiàn)雜點；能觀察到的牛頓環(huán)環(huán)數(shù)要盡可能多。要保證牛頓環(huán)儀、讀數(shù)顯微鏡和CCD攝像頭的鏡片沒有污漬。要避免雜散光照射到牛頓環(huán)儀，最好在暗室里，只允許鈉光燈發(fā)出的光照射到牛頓環(huán)儀上，同時調(diào)節(jié)半反半透鏡的角度，得到明亮的圖像。當(dāng)能夠觀察到清晰的牛頓環(huán)后，在目鏡端（目鏡要去掉十字叉絲）安裝CCD攝像頭，將CCD攝像頭與電腦中的圖像采集卡相連；調(diào)節(jié)CCD攝像頭與讀數(shù)顯微鏡物鏡之間的距離以得到具有更多環(huán)數(shù)的牛頓環(huán)圖像。

二、LABVIEW編程與數(shù)據(jù)處理

在編程時會用到LABVIEW的NI視覺開發(fā)模塊。它是一個圖像處理模塊可對圖像用多種不同的圖像處理方法進(jìn)行處理，得到符合檢測要求的圖像。

（一）讀取圖像

用IMAQ Read File 函數(shù)可讀取指定路徑的圖像，并顯示在LABVIEW前面板上。在進(jìn)行圖像操作前，需為讀取的圖像在內(nèi)存開辟一個區(qū)域存放，用IMAQ Create函數(shù)可為打開的圖像提供緩存區(qū)。

（二）圖像預(yù)處理

為滿足后續(xù)圖像檢測的要求，需對讀取到的圖像做預(yù)處理。在該部分程序中，首先要提取灰度圖。因采集到的原圖像是32位的彩色圖像，因此可用IMAQ Extract Single Color Plane函數(shù)提取其單個顏色面板的圖像而得到8位的灰度圖。接著用濾波的方法濾除圖像噪聲。經(jīng)過用視覺助手實驗后，證明用平滑濾波的方法效果較好。由IMAQ Get Kernel函數(shù)提供算子，然后經(jīng)過IMAQ Convolute函數(shù)做卷積運算，達(dá)到了濾波的目的。為了進(jìn)一步改善圖片質(zhì)量，突出圖像中的目標(biāo)物，可用圖像增強(qiáng)的辦法。其原理是改變圖像的灰度級分布，從而增加圖像的對比度。在NI的視覺模塊中，可用函數(shù)IMAQ Math Lookup實現(xiàn)圖像增強(qiáng)的目的。該函數(shù)提供了7個查找表：Linear（線性）、Log（對數(shù)）、Exp（指數(shù)）、Square（平方）、Square Root（平方根）、Power X（X次冪）和Power 1/X（1/X次冪）。實驗證明：用Square（平方）增強(qiáng)方法效果最好。在圖像預(yù)處理的最后一部分，使用了形態(tài)學(xué)的處理方法。通過IMAQ Gray Morphology函數(shù)對圖像做開運算處理，取得了很好的效果。經(jīng)過上述步驟的處理，圖像質(zhì)量得到了很好的改善，達(dá)到了圖像檢測的要求。

（三）圖像檢測

程序處理的最終目的是能夠檢測出牛頓環(huán)圖像的圓環(huán)并測量其半徑大小，因此首先需識別出圖像中的每個圓。用函數(shù)IMAQ Detect Shapes可檢測牛頓環(huán)圖像中的圓。應(yīng)用該函數(shù)可測量出每一個圓的半徑大小，單位為像素。為了將以像素為單位的半徑大小轉(zhuǎn)換成實際長度，編寫了一個定標(biāo)程序。在相同的牛頓環(huán)采集設(shè)備下，對一張印有一定長度的線段的白紙成像，采集其照片，最后用定標(biāo)程序檢測出這條線段的長度所占的像素個數(shù)，從而求出實際長度與像素的對應(yīng)關(guān)系。應(yīng)用該關(guān)系可將以像素為單位的值轉(zhuǎn)化成實際長度值。最后將相鄰的兩個圓的半徑相加再除以2就得到了圓環(huán)的半徑。

三、結(jié)論

該設(shè)計很好地完成了替代人工來測量牛頓環(huán)的工作，使得測量工作更加方便快捷，也很好地避免了人工測量時因手誤和眼睛觀察不準(zhǔn)確等原因帶來的誤差。采集到的牛頓環(huán)可在電腦上顯示，因此允許很多人一起觀看研究和分析。因LABVIEW易操作、界面友好直觀的特點，所以測量者可很輕松地更改相關(guān)參數(shù)，并能得到實時的分析數(shù)據(jù)。

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