邁克耳孫干涉儀的改進(jìn)

吳金泉，陳心浩，樊 燚

(中南民族大學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，湖北 武漢 430070)

邁克耳孫干涉儀的改進(jìn)

吳金泉，陳心浩，樊 燚

(中南民族大學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，湖北 武漢 430070)

為了減少邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)中人為因素產(chǎn)生的誤差，應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，在傳統(tǒng)邁克耳孫干涉儀的基礎(chǔ)上構(gòu)建了光波波長(zhǎng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng). 該系統(tǒng)通過(guò)串口通訊協(xié)議，精準(zhǔn)控制步進(jìn)電機(jī)改變“動(dòng)鏡”的位置，獲得固定微小光程差，從CCD相機(jī)采集干涉條紋圖像，應(yīng)用專用的圖像識(shí)別軟件，實(shí)現(xiàn)光源波長(zhǎng)的自動(dòng)測(cè)量.

邁克耳孫干涉儀；CCD；圖像識(shí)別；波長(zhǎng)測(cè)量

邁克耳孫干涉儀是用于高精度微距離測(cè)量的精密儀器，不僅適用普通物理的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在測(cè)控領(lǐng)域也具有極重要地位，是傳統(tǒng)的經(jīng)典光學(xué)儀器之一[1-2]. 但現(xiàn)有大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)該儀器開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目比較單一,主要用于測(cè)量光波波長(zhǎng)[3]. 在實(shí)際操作中需要手動(dòng)調(diào)節(jié)鼓輪改變“動(dòng)鏡”的位置，從而改變系統(tǒng)的光程差，并通過(guò)鼓輪計(jì)數(shù)計(jì)算光程差，其機(jī)械誤差無(wú)法避免[4-6]；同時(shí)，依靠人工判讀干涉圖樣中條紋的變化(“冒出”或“吞進(jìn)”條紋的數(shù)量)，容易讀數(shù)失誤；這些都會(huì)造成較大誤差(～100 nm)，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想.

在中南民族大學(xué)技改項(xiàng)目的支助下，將傳統(tǒng)的邁克耳孫干涉儀進(jìn)行相關(guān)技術(shù)改造，采用精密步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)“動(dòng)鏡”代替原儀器上的鼓輪微調(diào)，使原來(lái)的手動(dòng)調(diào)節(jié)光程變成由電腦精確控制；同時(shí)用高性能CCD取代原有光路接收屏，通過(guò)CCD把干涉圖像信號(hào)采集后傳入計(jì)算機(jī)，最后通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的自動(dòng)測(cè)量.

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)編寫(xiě)相應(yīng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件控制、數(shù)據(jù)采集與處理及結(jié)果顯示等.

本系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)通過(guò)串口發(fā)出控制信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，使步進(jìn)電機(jī)能按照指令運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)邁克耳孫干涉儀的“動(dòng)鏡”，使其按要求精確緩慢平移一定距離，產(chǎn)生光程差；與此同時(shí)，干涉條紋圖像由CCD相機(jī)同步采集，通過(guò)數(shù)字圖像采集卡按50 ms/幀的速度傳回計(jì)算機(jī)，并可通過(guò)專用軟件進(jìn)行圖像處理，識(shí)別干涉條紋的變化量.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

為了使步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)邁克耳孫干涉儀的“動(dòng)鏡”平移，對(duì)現(xiàn)有邁克耳孫干涉儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的改造，實(shí)物如圖2所示. 步進(jìn)電機(jī)與邁克耳孫干涉儀通過(guò)傳送帶和精密齒輪傳送動(dòng)力，并對(duì)相關(guān)器件進(jìn)行了相應(yīng)的減震處理，以減少因機(jī)械抖動(dòng)帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)誤差.

步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，控制信號(hào)通過(guò)計(jì)算機(jī)串口發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn). 圖3為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電路圖. SW1～SW3為電流選擇開(kāi)關(guān)，SW4為靜態(tài)半流和全流選擇開(kāi)關(guān)，SW5～SW7為細(xì)分選擇開(kāi)關(guān). PLS端口與計(jì)算機(jī)串口線DTR端口相連，接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的方波信號(hào)，并通過(guò)調(diào)節(jié)方波頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制. DIR端口為方向控制信號(hào)，與串口RTS端口相連，通過(guò)計(jì)算機(jī)輸出高低電平控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向.

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖3 控制電路圖

圖4 邁克耳孫干涉儀光路改進(jìn)圖

圖4為改進(jìn)后的邁克耳孫干涉儀光路圖. 為使CCD相機(jī)能采集到高質(zhì)量的干涉條紋圖像，對(duì)邁克耳孫干涉儀的光路進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，增設(shè)了物鏡，使干涉條紋成像于CCD面陣. 用CCD照相機(jī)替換接收屏，并用f′=120 mm的透鏡將干涉條紋成像在CCD面陣上. 透鏡也作為孔徑光闌，限制了干涉條紋邊緣不清晰的條紋進(jìn)入.

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

軟件功能總體上分為兩部分，一是控制步進(jìn)電機(jī)，二是處理圖像及波長(zhǎng)計(jì)算.

圖5為軟件流程圖，軟件具有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式. 將“測(cè)量次數(shù)”設(shè)置為0，軟件即切換為手動(dòng)模式. 手動(dòng)模式下，需要在測(cè)量完成后單擊復(fù)位按鈕進(jìn)行復(fù)位. 自動(dòng)模式下，在輸入?yún)⒘亢筌浖軌蜃詣?dòng)完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程.

圖5 軟件流程圖

3.1 步進(jìn)電機(jī)控制

通過(guò)利用SetTimer()定時(shí)器函數(shù)以及延時(shí)函數(shù)，結(jié)合MSComm串口通訊控件,在計(jì)算機(jī)串口的DTR口輸出頻率可調(diào)的方波信號(hào)，利用該方波信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制. 利用SetRTSEnable()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)串口RTS口高低電平的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向的控制. 最后，通過(guò)對(duì)定時(shí)器函數(shù)的多次調(diào)用，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)復(fù)位功能.

3.2 數(shù)據(jù)處理及波長(zhǎng)計(jì)算

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，最終確定了一種精確度較高的條紋識(shí)別算法.

在圖像中心橫向選取5個(gè)大小相同的區(qū)域，分別計(jì)算5個(gè)區(qū)域的灰度值并儲(chǔ)存計(jì)算結(jié)果. 在步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)到指定的位置后，軟件開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理. 對(duì)于每個(gè)區(qū)域，先找出平均灰度值，再根據(jù)其灰度平均值設(shè)定上閾值和下閾值，最后將每個(gè)灰度值根據(jù)該上下閾值進(jìn)行判定.

當(dāng)灰度值高于上閾值且滿足以下2個(gè)條件時(shí)判定產(chǎn)生1個(gè)條紋的變化：1)與上1個(gè)條紋間的時(shí)間間隔大于100 ms(CCD相機(jī)拍照時(shí)間間隔為50 ms)；2)在此之前灰度值曾低于一次下閾值.

根據(jù)這種方法，最后分別計(jì)算出5個(gè)區(qū)域的條紋數(shù)，去掉最大值和最小值，最后加權(quán)平均得出最終的條紋變化數(shù)，根據(jù)光學(xué)公式即可算出該激光光源的波長(zhǎng).

3.3 軟件界面功能介紹

圖6為軟件的界面圖. 該軟件基于MFC編寫(xiě)，各部分功能如下.

圖6 軟件界面圖

1)主顯示框：用于顯示從CCD相機(jī)采集的干涉條紋圖像.

2)移動(dòng)距離框：在此處輸入邁克耳孫干涉儀動(dòng)鏡的移動(dòng)距離，單位為μm，該距離即所要產(chǎn)生的光程差.

3)測(cè)量次數(shù)框：輸入測(cè)量次數(shù)，若不輸入，該值默認(rèn)為0，在測(cè)量結(jié)束時(shí)則需要進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位.

4)截圖按鈕：將當(dāng)前干涉條紋圖像進(jìn)行截圖，并保存在電腦中.

5)開(kāi)始按鈕：在將移動(dòng)距離和測(cè)量次數(shù)輸入后，單擊開(kāi)始按鈕軟件開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行，開(kāi)始按鈕同時(shí)顯示系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài).

6)電機(jī)復(fù)位按鈕：如果不輸入測(cè)量次數(shù)(即默認(rèn)為0)，則需要在測(cè)量結(jié)束后單擊該按鈕將步進(jìn)電機(jī)復(fù)位.

7)灰度顯示按鈕：在軟件測(cè)量過(guò)程中，單擊該按鈕會(huì)彈出顯示灰度值波形的顯示框，實(shí)時(shí)顯示灰度值波形.

8)波長(zhǎng)框：在完成1次測(cè)量后，如圖7所示，顯示所測(cè)得激光光源的波長(zhǎng)，單位為nm.

9)綜合顯示框：軟件界面右下方的顯示框?yàn)榫C合顯示框. 測(cè)量過(guò)程中，綜合顯示框會(huì)顯示距離測(cè)量完成的時(shí)間以及CCD相機(jī)拍照的張數(shù)，測(cè)量結(jié)束后，會(huì)在該顯示框顯示各個(gè)區(qū)域的條紋數(shù)，如圖7所示.

10)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：軟件具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，每次的測(cè)量結(jié)果都會(huì)自動(dòng)保存.

圖7 軟件運(yùn)行結(jié)果圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中選用常用的氦氖激光器作為激光光源，多次測(cè)試結(jié)果表明，所測(cè)得波長(zhǎng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性都有了很大提高. 測(cè)量的條紋數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差不超過(guò)2個(gè)，計(jì)算出的波長(zhǎng)比人工測(cè)量的誤差小，相對(duì)偏差小于1%.

5 結(jié)束語(yǔ)

本套基于邁克耳孫干涉儀的測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，皮帶輪傳動(dòng)，精確控制邁克耳孫干涉儀的“動(dòng)鏡”移動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生光程差；再通過(guò)CCD相機(jī)和數(shù)字圖像采集卡采集干涉條紋圖像，結(jié)合數(shù)字圖像處理的相關(guān)算法運(yùn)用MFC編寫(xiě)軟件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量光源波長(zhǎng).

該套系統(tǒng)充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)在圖像處理、數(shù)據(jù)處理及控制方面的優(yōu)勢(shì)，使得大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)變得豐富高效，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)出了壓電常量探測(cè)的原理樣機(jī)[7]. 在進(jìn)行大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，可以將部分軟件核心代碼提供給學(xué)生，使邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)不再是單一的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，而是能夠從多方面提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)課程的改革起到了良好的促進(jìn)作用.

[1] 林二妹,林建華. 邁克耳孫干涉儀的調(diào)節(jié)技巧[J]. 儀器儀表用戶,2011,18(2):81-82.

[2] 王仲平,韓道福,馬力,等. 邁克耳孫干涉儀測(cè)速的研究[J]. 江西科學(xué),2007,25(6):707-709.

[3] 單永明,孫紅貴. 改革物理實(shí)驗(yàn)教學(xué),培養(yǎng)綜合創(chuàng)新人才——“邁克耳孫干涉儀的改裝及應(yīng)用”的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 嘉興學(xué)院學(xué)報(bào),2011,23(3):140-144.

[4] 王道光,齊景山,劉淑娥,等. 邁克耳孫干涉儀實(shí)驗(yàn)相對(duì)誤差的探索[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,32(6):140-144.

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[6] 梁霄,田源,聶喻梅,等. 邁克耳孫干涉儀專用激光光源的研制[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2014,34(4):34-35.

[7] 吳金泉,王雪平,陳心浩,等. 基于激光干涉法的壓電常數(shù)測(cè)量系統(tǒng)[J]. 硅酸鹽通報(bào),2016,35(5):1574-1577.

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Development of the Michelson interferometer

WU Jin-quan， CHEN Xin-hao， FAN Yi

(Experimental Teaching Center, South-Central University for Nationalities, Wuhan 430070, China)

A new Michelson system, which could automatically measure the laser wavelength, had been built to reduce the errors caused by human factors. The optical path difference in the system was precisely controlled by accurately positioning the place of the “moving mirror” by step motor manipulated by computer through serial communication. The images of the interference fringe were captured and then sent to the computer by CCD camera. Finally, the wavelength of laser was obtained by specialized software.

Michelson interferometer; CCD; image identification; wavelength measurement

2016-05-31；修改日期：2016-07-12

湖北省高等學(xué)校省級(jí)教學(xué)研究項(xiàng)目(No.2014188)；中南民族大學(xué)儀器設(shè)備技改項(xiàng)目(No.JG2014013)

吳金泉(1976-)，女，湖北武漢人，中南民族大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，學(xué)士，從事光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究.

O436.1

A

1005-4642(2017)02-0013-04

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文