CCD在夫琅禾费实验数据处理中的应用研究

王旭娟，苏士田，薛冬，李欣欣

(枣庄学院 a.光电工程学院；b.机电工程学院，山东 枣庄 277160)

CCD在夫琅禾费实验数据处理中的应用研究

王旭娟a，苏士田b，薛冬a，李欣欣a

(枣庄学院 a.光电工程学院；b.机电工程学院，山东 枣庄 277160)

基于CCD技术在光学图像信息采集上的应用，结合计算机强大的信息处理功能，以光学实验中的夫琅禾费实验为例，应用CCD技术对实验中被测图像进行信息的采集、存储及数据处理.结果表明，该实验方法与传统的实验方法相比，可获得较高的测量精度，实现了光电一体化设计，并对CCD在其它光学实验数据处理上的应用提供参考.

CCD技术；光学实验数据处理，夫琅禾费实验①

0 引言

自2009年成像电路电荷耦合器件传感器(CCD )问世以来，在诸多科技领域中得到了广泛的应用，随着现代科技的日益发展，现代科学技术将不断的应用于物理实验中[1-3].CCD技术在数据图像采集方面具有很强的能力，计算机强大的信息处理功能与之相结合，使物理实验的内容与效率得到了极大的提高，在物理实验中应用CCD进行图像采集、数据处理和实验改进取得了较大的提高[4-6].本文对传统夫琅禾费实验装置进行改进，应用CCD测量处理数据，研究结论对于光学实验的改进以及CCD应用于光学实验数据处理提供参考.

1 实验原理

夫琅禾费衍射的定义为入射光和衍射光都是平行光的衍射现象，图1中由光源S发出的平行单色光垂直照射到圆孔上，光通过圆孔后被透镜L1会聚．按照几何光学，在光屏上只能出现一个亮点．但是实际上在光屏上看到的是圆孔的衍射图样，中央是一个较亮的圆斑，外围是一组亮暗相间的同心圆环，围绕着一个明亮的中央亮斑(亦称艾利斑)[7,8].理论证明在艾利斑中占圆孔衍射的全部光能的84%，而第一级亮环中只占有7%.因此，在讨论夫琅禾费圆孔衍射现象时，主要就是讨论它的艾利斑的情况.经过计算可知，艾利斑的半角宽度为：

θ≈sinθ1=0.61λ/R=1.22λ/a

(1)

公式(1)中θ是衍射角，λ是波长，R是小孔的半径，a是圆孔的直径.艾利斑的直径为：

(2)

公式(2)中f为透镜L2的焦距，D为艾利斑直径.

2 数据测量

图2是改进的夫琅禾费圆孔光学实验原理图，在L2后增加了CCD和计算机辅助设备.改进后的装置用CCD采集的实验图像可以在计算机上显示，克服了直接用显微目镜观察的困难.其次，在艾利斑测量直径方法上也有了改进，把CCD采集的衍射图样在PS中打开，由于单CCD像素尺寸在微米量级，因此改进后的实验提高了测量精度.利用CCD图像采集软件进行圆孔衍射图像采集，调整圆孔和CCD之间的距离至显示屏上能观察清晰的艾利斑，拍摄此条纹并保存为bmp格式，得到的图像如图3所示.

图3 CCD所测出的艾利班图形

利用Photoshop程序将保存的图像打开，由于图像是静态的而且均匀对称，移动鼠标确定圆心，分别测量艾利斑的上A1(X1,Y1)下A2(X2,Y2)左A3(X3,Y3)右A4(X4,Y4)对称位置的像素值,艾利斑的直径为：

(3)

利用Photoshop所测的实验数据，其长度都为像素在实际运用中需要将像素换算成实际长度单位(μm)，因此须通过定标求出1μm所对应的像素.由于此实验在CCD摄像头前有测微目镜才能让成像系统更清晰，这样测微目镜中的分划板上刻线就经CCD进入成像系统，由于一小格刻线的实际距离为0.05mm，这样再利用Photoshop测出一小格刻线所占的像素

数△E=E1-E2,其中E1，E2分别为两个刻线中心像素位置.这样根据公式(3)得：

(4)

由公式(4)就可以计算出艾利斑的直径了.

3 数据分析

直接用测微目镜测量艾利斑直径法(方法1)、利用改进后的系统测量处理实验图像法(方法2)的实验结果见表1，实验中采用的光源为氦-氖激光器波长为λ=632.8nm，透镜L2的焦距f=70mm.圆孔直径为a=0.2mm.光源波长如公式(5)：

(5)

表1 两种测量方法所得艾利斑直径与计算结果对比

由表1可以看出，CCD图像采集技术的应用，使计算得出光的波长与实际光的波长的误差明显减小.说明采用CCD图像采集技术测量的数据明显高于改进前通过眼睛直接观察微测目镜测量艾利斑直径时的实验精度.这是因为CCD图像采集读取数据时是对计算机上静态图像的像素点读取，避免了眼睛疲劳因素造成的读数误差.

4 总结

基于传统夫琅禾费圆孔光学实验中由于人为读数造成的误差问题，论文改进实验装置，在原实验装置中增加了CCD图像采集和计算机辅助设备，通过与传统测量方法的比较，用CCD测得的数据更加精确，实验证明，对原实验装置的改进是成功的，也对CCD应用于其他光学实验提供了参考.

[1] 金丹青.CCD在光学实验中的应用[J].宁波广播电视大学学报,2010,8(1):126-128.

[2] 单锦安.应用CCD技术改进光谱实验教学仪器[J].物理实验,2011,7(6):16-17.

[3] 沙振舜.CCD像感器在物理教学中的应用[J].物理实验,2011,15(8):138-140.

[4] 朱宏娜.CCD技术在大学物理实验教学中的应用[J].实验科学于技术,2010,13(4):134-139.

[5] 万玲玉,李洪亮,谷巍,等.基于CCD技术的圆孔衍射实验改造研究[J].实验科学与技术,2011,14(4):4-14.

[6] 王庆有,孙学珠. CCD应用技术[M].天津:天津大学出版社,2003.

[7] 姚启钧.光学教程[M].北京:高等教育出版社,2002.

[8] 郑建洲.大学物理实验[M].北京：科学出版社,2012.

ResearchofApplicationforFraunhoferdExperimentinAnalysingDataUsingCCD

WANG Xu-juana, SU Shi-tianb, XUE Donga, LI Xin-xina

(a School of Opt-Electronic Engineering,b Department of mechanical and electricalEngineering, Zaozhuang University, Zaozhuang 277160,China)

Based on CCD for the optical image information acquisition application, combined with the strong information processing function of computer, the Fraunhofer experiment as an example,we collected, stored and analyzed the date of the imaging information by using the CCD technology. The result show that this experiment method can get higher accuracy compared with the traditional method, and it can realize the integration of electro-optic, and provide the reference for the application experiment in analysing optical data using CCD.

CCD technology; analysing the optical experiment data; Fraunhoferd experiment

Q431.1

A

1004-7077(2013)05-0052-03

2013-09-10

枣庄学院课程建设项目(项目编号：YYZ11005)，枣庄学院大学生SRT计划项目，枣庄学院教学改革项目(项目编号：YJG11007).

王旭娟(1969-)，山东济南人，枣庄学院光电工程学院实验员，主要从事物理学实验方面的研究.

闫昕]