CCD系统在物理实验中的应用

尚锦康,刘　　浩

（兰州财经大学 信息工程学院，甘肃　　兰州　730000）



CCD系统在物理实验中的应用

尚锦康,刘浩

（兰州财经大学 信息工程学院，甘肃兰州730000）

摘要：CCD技术在现代测量与计算中有着十分重要且积极的作用，利用CCD技术，可以更加精确、清晰、直观地反应一些物理实验的数据与图像并进行处理，有效地避免了人为观测、计算中出现的误差，这在物理实验方面是非常有价值的。本论述利用学校实验室现有设备，在CCD技术辅助大学物理实验中做了一点初步的探讨，得到的图片清晰可用、数据精准，为高校实验课推广做出了一定贡献。

关键词：CCD系统；大学物理教学；光学实验

0　　引言

CCD图像传感器具有体积小、噪声低、分辨率高、灵敏度高、功耗小、寿命长、抗震性及抗冲击性好、不受电磁干扰、可靠性高、便于数字化处理和便于与计算机接口等诸多优点；与CMOS图像传感器相比，亦有灵敏度高、分辨率高、噪声小、技术成熟等优势。在图像传感和非接触式精密测量技术中应用广泛，例如在摄像机、数码相机和扫描仪中，以及各类物体的尺寸、距离、三维特性测量等方面。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。以下工作是CCD在迈克尔逊干涉实验、衍射光栅实验与牛顿环实验中的应用。

1　　实验过程与CCD系统在实验中的应用

选择实验环境:选择尽可能黑暗的实验地点（在光学实验中每一点光亮都会影响实验结果的准确性）。准备好所需的实验仪器：CCD系统（通用）、迈克尔逊干涉仪、分光计、汞灯、光栅、变压插头、台灯、牛顿环。调节实验设备：根据不同的设备进行调节，根据图像显示软件进行调整，调节准确无误后开始测量；记录并处理实验数据；整理实验仪器。

1.1在迈克尔逊干涉实验中的应用

在迈克尔逊干涉实验中，我们会经常使用到各种较强的激光，当我们使用CCD系统时，可以有效地避免激光对眼睛造成伤害，也可以通过计算机显示，更好地进行记数与计算。

1.2在衍射光栅实验中的应用

在衍射光栅实验中，我们把CCD固定在分光计镜筒的位置，不仅可以有效隔绝外界光源对本实验的影响，并且通过计算机来显示不同的光波，通过计算机，可以更加直观明了地观察不同光波的颜色、位置的不同，从而进行更加精确的计算。

1.3在牛顿环实验中的应用

在牛顿环实验中，我们把CCD系统固定在牛顿环镜筒上，可以更好更稳定地观察与记数牛顿环的变化，从而更加精确地进行光源的波长计算。

2　　部分实验仪器

CCD在迈克尔逊干涉实验中组装图见图1所示。

3　　实验数据

3.1读取实验数据

根据CCD的实时记录，直接在CCD成像上进行读取数据。方便快捷利于观察。

图1整套CCD系统在迈克尔逊干涉实验中的组装与实时显示综合图设备(CCD系统 迈克尔逊干涉仪激光 计算机图像实时显示软件)

表1：利用CCD系统，使用钠灯定标，直接计算600线光栅的光栅常数。理论为1 666，实际为1 682.31（取1 682）.为了实验的精确性，我们在计算过程中以实际值为准。实验值与理论值差距较小，数据可用。

表2：为了实验的准确性，使用CCD系统对汞灯的谱线进行测量，并计算出相应波长进行定标，以便对以后数据的准确性进行分析对比。实验值与理论值差距较小。

表3：此表为白炽灯的实际测量数据。与标准值进行对比，结果与真实值相差很小。

3.4CCD系统实验中数据图

图片清晰，条纹细致，完全可以在实验中计算使用。图2、图3、图4为部分实验数据图。

3.2数据处理

利用Adobe Photoshop CS6与Corel Videotudio Pro X5对CCD采集出来的视频与图像进行后期处理。

3.3CCD在衍射光栅实验中应用的实验数据

CCD在衍射光栅实验中应用的实验数据：

图2　CCD系统在迈克尔逊干涉仪显示实验效果图（绿激光）光环清晰易数，计算方便

4　　测试结果与分析

传统的采集物理实验信息的方法主要有目测、显微镜、照相机、绘图仪等等。在实验过程中，由实验的主体——人本身观测局限所引起的系统误差是实验误差的一个主要来源；而且，采集到的信息还必须通过人加以整理、计算，费时又费力。CCD在处理光学实验中，可以直接根据CCD成像在计算机上读取数据，可以起到保护眼睛不受激光损伤的好处，并且CCD更适合处理环境不是很理想的实验（光学实验对环境的要求相当苛刻，一点光照都会对实验的准确性产生影响，而CCD由于本身的性质，可以有效地避免此类问题产生的实验误差）。CCD由于具有电荷存储和电荷传输的功能，在采集数据图像时，可由与之接口的计算机通过相应的数据图像处理软件直接处理数据后一次性输出结果，大大提高了实验的精确度和实验效率。增加了CCD摄像系统后，传统的实验仪器与现代科学技术相结合，增加了实验的内容，使学生不仅学习了基础实验仪器操作，还了解了新型仪器的特点和使用方法。

图3 CCD系统在衍射光栅实验显示效果图（白灯）（图中为光谱中的双黄线 波长值 589.05nm）

图4　CCD系统在牛顿环实验显示效果图（汞灯）光环清晰易数，计算方便

当然，在实验过程中也出现了很多问题：CCD系统在不同实验中应用时，固定CCD系统对于刚接触的学生比较困难。CCD系统在进行多角度、多方位实时记录时需要开发出一款可以同时操作多个CCD摄像系统的软件（目前只能通过后期的制作，做到实时画面的显示）。在数据记录中，由于画质延迟的问题会导致读数上不清晰的问题（我们在实验中采用读数时静止1～2秒进行读数的方式进行读数），今后可以在捕捉动态图或者在CCD对动态图的处理上多做改进。操作CCD系统进行实验需要有扎实的实验操作能力与计算机应用能力，需要把计算机、实验仪器、CCD系统同时进行操作。

5　　结束语

CCD技术还可以用在其他物理实验教学中，例如密立根油滴实验、一些低照度实验、x射线实验、布朗运动实验、光谱分析实验等等也都可应用此技术。将CCD摄像系统与计算机连接用于物理实验，能有效地提高物理教学质量。随着CCD技术的成熟，我们相信，CCD的结构将更加简单，性能将进一步改善。今后，其在物理实验中将会有更加广泛的应用。

参考文献：

［1］ 张梅，何鑫，李柱峰．CCD特性及其在大学物理实验中的应用［J］．科技创新导报，2009（22）.

［2］ 万玲玉，李洪亮，谷巍．基于CCD技术的圆孔衍射实验改造研究［J］．实验科学与技术，2009（04）.

［3］ 樊旭峰，单亚拿，卢雁．CCD摄像技术用于分光计实验的研究［J］．大学物理实验，2005（01）.

［4］ 魏道藩.有关衍射光栅的一些问题［J］.物理教师，1992（06）.

［5］ 徐杰,徐玓.分光计和光栅衍射实验介绍［J］.安徽电子信息职业技术学院学报,2009（02）.

中图分类号：O4-33文献识别码：A

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.06.024

收稿日期：2016-4-10

作者简介：尚锦康（1995-），男，汉族，陕西渭南人，大学本科在读，主要研究方向：电子信息工程。