CCD系統(tǒng)在物理實驗中的應(yīng)用

尚錦康,劉　　浩

（蘭州財經(jīng)大學(xué) 信息工程學(xué)院，甘肅　　蘭州　730000）

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CCD系統(tǒng)在物理實驗中的應(yīng)用

尚錦康,劉浩

（蘭州財經(jīng)大學(xué) 信息工程學(xué)院，甘肅蘭州730000）

摘要：CCD技術(shù)在現(xiàn)代測量與計算中有著十分重要且積極的作用，利用CCD技術(shù)，可以更加精確、清晰、直觀地反應(yīng)一些物理實驗的數(shù)據(jù)與圖像并進(jìn)行處理，有效地避免了人為觀測、計算中出現(xiàn)的誤差，這在物理實驗方面是非常有價值的。本論述利用學(xué)校實驗室現(xiàn)有設(shè)備，在CCD技術(shù)輔助大學(xué)物理實驗中做了一點初步的探討，得到的圖片清晰可用、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，為高校實驗課推廣做出了一定貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：CCD系統(tǒng)；大學(xué)物理教學(xué)；光學(xué)實驗

0　　引言

CCD圖像傳感器具有體積小、噪聲低、分辨率高、靈敏度高、功耗小、壽命長、抗震性及抗沖擊性好、不受電磁干擾、可靠性高、便于數(shù)字化處理和便于與計算機接口等諸多優(yōu)點；與CMOS圖像傳感器相比，亦有靈敏度高、分辨率高、噪聲小、技術(shù)成熟等優(yōu)勢。在圖像傳感和非接觸式精密測量技術(shù)中應(yīng)用廣泛，例如在攝像機、數(shù)碼相機和掃描儀中，以及各類物體的尺寸、距離、三維特性測量等方面。隨著CCD技術(shù)和理論的不斷發(fā)展，CCD技術(shù)應(yīng)用的廣度與深度必將越來越大。以下工作是CCD在邁克爾遜干涉實驗、衍射光柵實驗與牛頓環(huán)實驗中的應(yīng)用。

1　　實驗過程與CCD系統(tǒng)在實驗中的應(yīng)用

選擇實驗環(huán)境:選擇盡可能黑暗的實驗地點（在光學(xué)實驗中每一點光亮都會影響實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性）。準(zhǔn)備好所需的實驗儀器：CCD系統(tǒng)（通用）、邁克爾遜干涉儀、分光計、汞燈、光柵、變壓插頭、臺燈、牛頓環(huán)。調(diào)節(jié)實驗設(shè)備：根據(jù)不同的設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)圖像顯示軟件進(jìn)行調(diào)整，調(diào)節(jié)準(zhǔn)確無誤后開始測量；記錄并處理實驗數(shù)據(jù)；整理實驗儀器。

1.1在邁克爾遜干涉實驗中的應(yīng)用

在邁克爾遜干涉實驗中，我們會經(jīng)常使用到各種較強的激光，當(dāng)我們使用CCD系統(tǒng)時，可以有效地避免激光對眼睛造成傷害，也可以通過計算機顯示，更好地進(jìn)行記數(shù)與計算。

1.2在衍射光柵實驗中的應(yīng)用

在衍射光柵實驗中，我們把CCD固定在分光計鏡筒的位置，不僅可以有效隔絕外界光源對本實驗的影響，并且通過計算機來顯示不同的光波，通過計算機，可以更加直觀明了地觀察不同光波的顏色、位置的不同，從而進(jìn)行更加精確的計算。

1.3在牛頓環(huán)實驗中的應(yīng)用

在牛頓環(huán)實驗中，我們把CCD系統(tǒng)固定在牛頓環(huán)鏡筒上，可以更好更穩(wěn)定地觀察與記數(shù)牛頓環(huán)的變化，從而更加精確地進(jìn)行光源的波長計算。

2　　部分實驗儀器

CCD在邁克爾遜干涉實驗中組裝圖見圖1所示。

3　　實驗數(shù)據(jù)

3.1讀取實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)CCD的實時記錄，直接在CCD成像上進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。方便快捷利于觀察。

圖1整套CCD系統(tǒng)在邁克爾遜干涉實驗中的組裝與實時顯示綜合圖設(shè)備(CCD系統(tǒng) 邁克爾遜干涉儀激光 計算機圖像實時顯示軟件)

表1：利用CCD系統(tǒng)，使用鈉燈定標(biāo)，直接計算600線光柵的光柵常數(shù)。理論為1 666，實際為1 682.31（取1 682）.為了實驗的精確性，我們在計算過程中以實際值為準(zhǔn)。實驗值與理論值差距較小，數(shù)據(jù)可用。

表2：為了實驗的準(zhǔn)確性，使用CCD系統(tǒng)對汞燈的譜線進(jìn)行測量，并計算出相應(yīng)波長進(jìn)行定標(biāo)，以便對以后數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析對比。實驗值與理論值差距較小。

表3：此表為白熾燈的實際測量數(shù)據(jù)。與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，結(jié)果與真實值相差很小。

3.4CCD系統(tǒng)實驗中數(shù)據(jù)圖

圖片清晰，條紋細(xì)致，完全可以在實驗中計算使用。圖2、圖3、圖4為部分實驗數(shù)據(jù)圖。

3.2數(shù)據(jù)處理

利用Adobe Photoshop CS6與Corel Videotudio Pro X5對CCD采集出來的視頻與圖像進(jìn)行后期處理。

3.3CCD在衍射光柵實驗中應(yīng)用的實驗數(shù)據(jù)

CCD在衍射光柵實驗中應(yīng)用的實驗數(shù)據(jù)：

圖2　CCD系統(tǒng)在邁克爾遜干涉儀顯示實驗效果圖（綠激光）光環(huán)清晰易數(shù)，計算方便

4　　測試結(jié)果與分析

傳統(tǒng)的采集物理實驗信息的方法主要有目測、顯微鏡、照相機、繪圖儀等等。在實驗過程中，由實驗的主體——人本身觀測局限所引起的系統(tǒng)誤差是實驗誤差的一個主要來源；而且，采集到的信息還必須通過人加以整理、計算，費時又費力。CCD在處理光學(xué)實驗中，可以直接根據(jù)CCD成像在計算機上讀取數(shù)據(jù)，可以起到保護(hù)眼睛不受激光損傷的好處，并且CCD更適合處理環(huán)境不是很理想的實驗（光學(xué)實驗對環(huán)境的要求相當(dāng)苛刻，一點光照都會對實驗的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，而CCD由于本身的性質(zhì)，可以有效地避免此類問題產(chǎn)生的實驗誤差）。CCD由于具有電荷存儲和電荷傳輸?shù)墓δ?，在采集?shù)據(jù)圖像時，可由與之接口的計算機通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖像處理軟件直接處理數(shù)據(jù)后一次性輸出結(jié)果，大大提高了實驗的精確度和實驗效率。增加了CCD攝像系統(tǒng)后，傳統(tǒng)的實驗儀器與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，增加了實驗的內(nèi)容，使學(xué)生不僅學(xué)習(xí)了基礎(chǔ)實驗儀器操作，還了解了新型儀器的特點和使用方法。

圖3 CCD系統(tǒng)在衍射光柵實驗顯示效果圖（白燈）（圖中為光譜中的雙黃線 波長值 589.05nm）

圖4　CCD系統(tǒng)在牛頓環(huán)實驗顯示效果圖（汞燈）光環(huán)清晰易數(shù)，計算方便

當(dāng)然，在實驗過程中也出現(xiàn)了很多問題：CCD系統(tǒng)在不同實驗中應(yīng)用時，固定CCD系統(tǒng)對于剛接觸的學(xué)生比較困難。CCD系統(tǒng)在進(jìn)行多角度、多方位實時記錄時需要開發(fā)出一款可以同時操作多個CCD攝像系統(tǒng)的軟件（目前只能通過后期的制作，做到實時畫面的顯示）。在數(shù)據(jù)記錄中，由于畫質(zhì)延遲的問題會導(dǎo)致讀數(shù)上不清晰的問題（我們在實驗中采用讀數(shù)時靜止1～2秒進(jìn)行讀數(shù)的方式進(jìn)行讀數(shù)），今后可以在捕捉動態(tài)圖或者在CCD對動態(tài)圖的處理上多做改進(jìn)。操作CCD系統(tǒng)進(jìn)行實驗需要有扎實的實驗操作能力與計算機應(yīng)用能力，需要把計算機、實驗儀器、CCD系統(tǒng)同時進(jìn)行操作。

5　　結(jié)束語

CCD技術(shù)還可以用在其他物理實驗教學(xué)中，例如密立根油滴實驗、一些低照度實驗、x射線實驗、布朗運動實驗、光譜分析實驗等等也都可應(yīng)用此技術(shù)。將CCD攝像系統(tǒng)與計算機連接用于物理實驗，能有效地提高物理教學(xué)質(zhì)量。隨著CCD技術(shù)的成熟，我們相信，CCD的結(jié)構(gòu)將更加簡單，性能將進(jìn)一步改善。今后，其在物理實驗中將會有更加廣泛的應(yīng)用。

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中圖分類號：O4-33文獻(xiàn)識別碼：A

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.06.024

收稿日期：2016-4-10

作者簡介：尚錦康（1995-），男，漢族，陜西渭南人，大學(xué)本科在讀，主要研究方向：電子信息工程。