（光学专业论文）基于线阵ccd的条纹计数器系统研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 光学干涉测量技术是以光波干涉原理为基础的一门技术，不但是 实验物理学的重要方法，而且广泛应用于其它学科。与一般的光学测 量方法相比，光学干涉测量技术具有更高的灵敏度和精度。因为干涉 仪是以干涉条纹来反映被测物理量，如位移、折射率、波长等的变化 信息，所以对于涉条纹的自动记录和处理是干涉测量技术的重要发展 方向。本文从迈克尔逊干涉仪实验出发，提出了采用电荷耦合器件设 计的一种新型条纹计数系统。 电荷藕合器件( c c d ) 是一种半导体成像器件。这种器件借助于 必要的光学系统和适合的驱动电路，可以将景物的图像以光电信号形 式转移、存储、传输和处理。近二十年来，c c d 技术已经广泛应用 于军用和民用各个领域，尤其是随着工业自动化程度的提高以及工业 现场的需要，在检测和监控方面的应用也越来越普及。 本文应用线阵c c d t c d l 2 5 l u d 对固定点强度变化进行了研 究。在此基础上，利用单片机、模拟数字电子技术及光电检测技术设 计了一套条纹计数器系统。 通过对线阵c c d 条纹计数装置的系统分析确定了光学系统的构 成和线阵c c d 信号输出处理系统的方案。在开发硬件装置的基础上， 完成了基于c 5 1 的单片机编程，利用该程序实现了对模数转换采集 的控制和数据的读取功能。另外，本文还介绍了基于l a b v i e w 的上 位机程序开发，利用该程序可以完成与下位机的数据通信及实验数据 的记录，并可以给出条纹电压变化趋势图等。 论文共分为六章，第一章主要介绍了课题的背景及意义、c c d 简介与应用现状和发展前景、本文的内容及主要工作；第二章阐述了 条纹计数器系统的设计理论和器件的选择；第三章主要阐述了装置的 硬件设计；第四章主要阐述了装置的软件设计；第五章主要阐述了装 置的调试及实验结果，并对实验结果进行了分析；第六章作了全文的 总结及展望。 关键词迈克尔逊干涉仪，线阵c c d ，模数转换，干涉条纹计数， l a b v i e w 硕七学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n t e f f e r o m e t r i c m e a s u r i n gt e c h n i q u e i sb a s e do nt h e o p t i c a l i n t e r f e r e n c ep r i n c i p l e i ti sn o to n l ya ni m p o r t a n tm e t h o di ne x p e r i m e n t a l p h y s i c sb u ta l s ow i d e l ya p p l i e di no t h e rs u b j e c t s c o m p a r i n gw i t ht h e c o n l n l o no p t i c a lm e a s u r i n gm e t h o d , i n t e r f e r o m e t r i cm e a s u r i n gt e c h n i q u e h a sh i g h e rs e n s i t i v i t ya n dp r e c i s i o n b e c a u s es e v e r a lp h y s i c a lp a r a m e t e r s s u c ha s d i s p l a c e m e n t , r e f r a c t i v ei n d e x , w a v e l e n g t h a r er e f l e c t e db y i n t e r f e r e n c e f r i n g e s o f i n t e r f e r o m e t e r , a u t o m a t i c r e c o r d i n g a n d p r o c e s s i o n g o ft h ei n t e r f e r e n c ef r i n g e si so n eo ft h e i m p o r t a n t d e v e l o p m e n to fi n t e r f e r o m e t r ym e a s u r i n gt e c h n i q u e a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n to f m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r , an e w i n t e r f e r e n c ef r i n g ec o u n t e r s y s t e mw a sd e s i g n e db yu s i i 培c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ( c c d ) c c di so n ek i n do fs e m i c o n d u c t o ri m a g i n gc o m p o n e n t s w i t ht h e a i do fn e c e s s a r yo p t i c a ls y s t e ma n dd r i v ec i r c u i t , i tc a l ls h i gs t o r e ， t r a n s m i t , a n dp r o c e s st h es c e n e r yp i c t u r eb yt h ep h o t o - e l e c t r i c i t ys i g n a l d u r i n g 硷r e c e n t2 0y e a r s t h ec c dt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d t om i l i t a r ya n dc i v i lf i e l d s i np a r t i c u l a ra l o n gw i t ht h ee n h a n c e m e n to f i n d u s t r i a la u t o m a t i o nd e g r e ea sw e l la st h ei n d u s t r ys p i n en e e d , t h e a p p l i c a t i o no fc c di sm o r ea n dm o r ep o p u l a ri n - t h ee x a m i n a t i o na n d m o n i t o r i n g l i n e a rc c d - t c d l 2 51 u dw a sa p p l i e dt oc o n d u c tt h er e s e a r c ht o t h ef i x e dp o i mi n t e n s i t yc h a n g ei nt h i sa r t i c l e i nt h i sf o u n d a t i o n , as e to f s t r i p s c o u n t e r s s y s t e mw a sd e s i g n e db y u s eo ft h es c m , t h e a n a l o g - d i g i t a le l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ep h o t o - e l e c t r i c i t ym e a s u r i n g t e c h n i q u e a c o o r d i l l g t ot h e a n a l y s i s o ft h el i n e a rc c ds t r i pc o u n t i n g e q u i p m e n t , t h eo p t i c a ls y s t e mc o n s t i t u t i o na n dt h el i n e a rc c d s i g n a l o u t p u tp r o c e s s i n gs y s t e mw a sd e t e r m i n e di i lt h ea r t i c l e a n dt h i sa r t i c l e c o m p l e t e dt h es c mp r o c e d u r e t h i sp r o c e d u r er e a l i z e dt h a tc o n t r o la n d r e a dt h ea dc o n v e r s i o n m o r e o v e r , t h i sa r t i c l ea l s oi n t r o d u c e dc o m p u t e r p r o c e d u r eb a s i n g o nt h el a b v i e w t h i sp r o c e d u r ec o m p l e t et h e c o m p u t e ra n dm s c d a t ac o m m u n i c a t i o n , a n da l s o ，p r o d u c e ，t h et s t f i p v o l t a g ec h a n gt e n d e n c yc h 孤 l t h ep a p e rw a sa l t o g e t h e rd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s ，f i r s tc h a p t e r 硕十学位论文 a b s t r a c t m a i n l yi n t r o d u c e dt h et o p i c sb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e ，t h ec c d s y n o p s i sa n dt h ea p p l i c a t i o np r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ep r o s p e c t s f o r d e v e l o p m e n t , t h i sp a p e r sc o n t e n ta n dt h em a i nw o r k ；s e c o n dc h a p t e r e l a b o r a t e dt h es t r i p ec o u n t e rs y s t e m sd e s i g nt h e o r ya n dt h ep a r t so fa l l a p p a r a t u s c h o i c e ；t h i r dc h a p t e rm a i n l ye l a b o r a t e d t h e e q u i p m e n t s h a r d w a r ed e s i g n ；f o u r t h c h a p t e rm a i n l ye l a b o r a t e d t h ee q u i p m e r i t s s o f t w a r e d e s i g n ；f i f t hc h a p t e rm a i n l y e l a b o r a t e dt h e e q u i p m e n t d e b u g g i n ga n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t , a n dh a v ec a r r i e do i lt h ea n a l y s i st o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ；s i x t hc h a p t e rh a sm a d et h ef u l lt e x ts u m m a r ya n d t h ef o r e c a s t k e yw o r d sm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r , l i n e a rc c d ，a dc o n v e r s i o n s ， c o u n to f i n t e r f e r e n c ef r i n g e ，l a b v i e w 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地方外，不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他 单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的 贡献，已在论文的致谢语中作了说明。 作者签名：一连叁盘 i e t 磐i ： 丝2 年坐月日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的 全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校 可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规定中的 任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用 日期：日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 光学干涉检测法在计量领域应用很广【l l ，作为其技术基础的物理光学实验则 在高等院校的实验教学中占有很重要的地位，如牛顿环实验、分光计实验以及迈 克尔逊干涉实验等项目，在原理知识和测量方法等方面都具有较强的综合性，对 于培养学生的实践创新能力具有重要意义。然而，在实际的物理教学中，由于光 学部分有些知识比较抽象，学生不易理解，而演示实验又有一定的局限性。如用 双缝干涉测光的波长、原子光谱等，按照传统的方法演示，调整好双缝干涉实验 仪后。学生只能一个个到仪器目镜中观察，而在迈克尔逊干涉实验中，测量见一 激光波长时需要记录一百甚至几百条等倾干涉条纹，不仅会对学生的眼睛造 成伤害，同时测量时间长。因此，干涉测量技术中对干涉条纹的自动记录和处理 的研究是非常重要的。 迈克尔逊干涉仪作为大学物理实验中的常用实验仪器，主要是用在光学实验 中来观察非定域干涉条纹、等倾干涉条纹和等厚干涉条纹等，其中一项重要的内 容是通过测定干涉条纹的变化情况，来测定单色光的波长。 实验中波长的计算公式为： 减盟( 1 一1 ) 磷 式中d 为旋转迈克尔逊干涉仪上的细调手轮时，干涉光谱中“冒出”或“淹 没”z k v 条干涉条纹前后，从迈克尔逊干涉仪读数尺上读出的刻度d i 与d 2 之差。 a 为增大或减小d 时，从中心冒出或向中心缩进的干涉条纹个数闭 但是，由于迈克尔逊干涉仪缺少与之相配套的自动记录干涉条纹个数的计数 装置，学生做此实验时要用肉眼观察干涉光谱，必须数出3 0 0 5 0 0 条冒出”或 卺 没”的干涉条纹，再通过公式l l 计算出光波波长五这种方法( 1 ) 极易造成眼睛 疲劳而容易漏读或多读条纹的个数而增加实验误差，同时限制了对n 测量数的增 加；( 2 ) 比较强的激光干涉条纹会对人眼造成一定程度的伤害。这样工作量大， 测量时问长，学生容易数错等都给测量带来误差；再则，数错了还需要重新测量， 造成时间的浪费，并且计算出的光波波长误差也较大。为了克服上述这些不足。 也有很多的人研制出了各种各样的干涉条纹计数器。这些计数器的设计是通过光 电检测元件将干涉条纹的变化转变为电信号的变化，然后通过对此电信号的处 理，最终完成干涉条纹的自动计数。下面给出这些计数器的设计方法及其优缺点 硕十学位论文 第一章绪论 皱端 图1 1 干涉条纹计数示意图 图i l 给出了已经设计出来的条纹计数器的工作框图。由此可以看出光电头 是作为光电传感器件采集干涉条纹的，己设计出来的条纹计数器大多都是采用光 电二极管、三极管、硅光电池、光敏电阻等作为光电头的光电传感器件。在测量 的时候将光电头安装在干涉条纹观察屏上，使迈克尔逊干涉仪所产生的干涉光谱 中心与光电二极管重合。如图1 2 所示，当旋转细调手动轮时，干涉光谱中心便 会有黑色条纹“冒出”或埯没”( 冒出是黑色条纹在干涉光谱中心产生。随着细调 手轮的旋转而向外扩散。淹没是黑色条纹从外向光谱中心收缩，随着细调手轮的 旋转而消失) ，这时光电头中的光敏管在受到不同程度的光强信号作用时，会产 生不同大小的光电流。通过对光电流变化次数的计数就可以得到黑色条纹的“冒 出”或“淹没”的个数。 图1 2 光电头位置示意图 已经设计出来的计数器虽然起到了对干涉条纹的计数作用，但其本身也存在 着一些缺点。在测量时，光电头要对准干涉条纹的中心部位或接近中心部位，之 所以如此，是因为明暗相间的环形条纹自中心向外逐渐由粗变细，光电头的受光 直径必须小于干涉条纹的宽度才能分辨出干涉条纹的明暗变换。图i 一3 说明了光 电头的正确与错误的放置方法。 2 硕十学位论文 第一章绪论 藏位麓锯误纛鬟 周i 一3 光电头与干涉条纹的放置图 图l 一3 中，圆圈表示光电头，明暗相问的环表示干涉条纹。因为图l - - 3 a 中 光电头的受光直径能完全落在亮( 或暗) 条纹中间，所以当干涉条纹变化时，光 电头就能把条纹的明暗变化反映出来，并由后面的计数电路把变化的数量记录下 来。而图l 一3 b 中，光电头的受光直径大于该处条纹的宽度，相邻的明暗条纹都 进入了光电头的光电传感器中，传感器无法分辨该处条纹的明暗变化，这使得后 面的计数电路无法计数睁0 1 由此可知，在查干涉条纹的变化数量时，一定要把 光电头对准干涉条纹的中心或靠近中心的部位，否则计数就会出现差错。此为已 设计的干涉条纹计数器的缺点之一；另外，由于在操作这类计数器时需要每次确 定光电头的位置，操作繁琐，同样浪费时间，同时每次测量只能得到一组条纹变 化数据，即使多次测量也不能保证误差减小到最小，因为无法确保细调手轮每次 旋转的距离完全相同 9 0 年代的后期，电荷耦合器f l c d 技术从航天走向民用，结合计算机应用， 把光学实验中许多的微观实验现象变成宏观的、可连续变化的图像展现在荧屏 上，改革了传统的实验方法，这给光学科研和多媒体教学带来很大的帮助。 本文就是结合现代光电传感技术和计算机技术对光学干涉仪进行改造。经过 实验操作表明，改进后的光学干涉实验测试系统既节省了实验时间，提高了实验 测量的效率，也改善了光学干涉条纹测量的精度，同时增强了实验的直观性、便 捷性 本系统设计时所选用的光电传感器件就是电荷耦合器件c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 它是由一系列紧密排列的m o s ( m e t a l - o x i d e - s e m i c o n d u c t o r ) 结 构的电容阵元组成其工作过程是：当c c d 器件曝光后，各个c c d 阵元内贮存 的电荷量与它的曝光量成正比，通过耦合方法把电荷传输出去，输出的电脉冲信 号经模数( a d ) 转换后由微型计算机收集和处理，实时地在计算机显示屏中得到 光学实验结果图像或光强分布图，并且可通过微型计算机连续观察不断变化的光 强分布图1 1 1 】这对我们观察条纹变化非常有利，只要我们观测固定点的强度变 化就可以知道通过这一点的条纹个数下面我们具体的了解- - t c c d 器件的发展 3 硕十学位论文 第一章绪论 现况。 1 2c c d 简介及c c d 技术的发展 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 目0 电荷耦合器件，是一种固体成像器件。自从 2 0 世纪6 0 年代末由美国贝尔实验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 发现了电荷通过半 导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合的概念和一维c c d 器件的模型 1 2 - 1 3 1 。 同时，基于美国m o s t 艺及硅材料研究的雄厚基础，这种新器件的设想很快得 以实现。不久以后，二维面阵c c d 研制也获得成功【悱1 6 1 。c c d 是在大规模硅集 成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片。这种芯片要借助于必要的光学 系统和合适的外围驱动与处理电路，可以将景物图像通过输入域上逐点的光电信 号转换、储存和传输，在其输出端产生一时序视频信号，并经终端显示设备显示 出可见图像。 c c d 器件是由整齐紧密排列的若干个小的光敏元组成的阵列，总约有几十万 甚至上千万个。它们的作用就相当于人的视网膜上的感光细胞，用以感受照射在 它们上面的光的强弱与色彩 1 7 - 1 8 1 。通过c c d 可以实现光电转换、信号储存、转移 ( 传输) 、输出、处理等一系列功能。其主要有以下一些特点： 1 ) c c d 器件是一种固体化器件，具有体积小、重量轻、电压及功耗低、可 靠性高、寿命长等一系列优点。 2 ) 具有理想的“扫描”线性，可以进行像素寻址，可以变化“扫描”速度，畸 变小、尺寸重现性好，特别适合于定位、尺寸测量和成像传感等方面。 3 ) 有很高的空间分辨率。线阵器件已有8 0 0 0 像元以上，分辨能力可达7 微 米，面阵已有8 1 9 2 x 8 1 9 2 的器件，整机分辨能力达1 0 0 0 线以上。 4 ) 数字扫描能力。像元的位置可以由数字代码确定，便于和计算机结合。 5 ) 光敏元间距的几何尺寸精确，可以获得很高的定位精度和测量精度，比 如东芝的2 0 4 8 位c c d 可达1 4 i _ u n ，5 0 0 0 位c c d 可达7 u m 。 6 ) 动态响应范围宽。c c d 的动态响应范围在4 个数量级以上，最高可达8 个 数量级。 7 ) 光谱响应范围宽。一般的c c d 器件可工作在4 0 0 n m 1 1 0 0 a m 波长范围 内，最大响应约在9 0 0 n m 。 8 ) 可以任选模拟、数字等不同输出形式，可与同步信号、i o 接口及微机兼 容、组成高性能系统，适用于不同条件下使用【1 9 1 。 各国政府和企业都非常重视c c d 技术的研究和应用，c c d 的性能大幅度提 高，制造和应用的成本却不断降低1 2 0 。种类繁多的不同结构、不同用途的c c d 4 硕十学位论文第一章绪论 在技术和应用条件上己经非常成熟。c c d 从结构上讲，可分为线阵( 1 i n e a r ) c c d 和面阵( a r e a ) c c d 两类。c c d 的发展异常迅速，器件的像元数目增多，光敏元 间距减小。以线阵c c d 为例，其像元中心距在研制成功初期为3 0 i n n ，到1 9 8 4 年 已减小到7 1 u n ，到1 9 9 9 年，性能比较高的c c d 中心距已可做至l j 4 1 u n ；像元数最初 为1 2 8 元，到1 9 8 4 年己提高到5 0 0 0 元，到1 9 9 9 年，像元数已可高达到8 8 0 0 元。c c d 光敏元中心间距的减小和像元数的增加，意味着测量精度的提高。面f f c c d 的发 展也很快：1 9 7 5 年，面阵c c d 的像元数只有5 1 2 x 3 2 0 像素，1 9 8 5 年就推出 2 0 4 8 x 2 0 4 8 像素的面阵o c d ，1 9 9 9 年4 0 9 6 x 4 0 9 6 像素的器件也己问世，面阵c c d 的中心距也有明显的减小【2 l 】。c c d 结构也从开始时的单沟道结构，发展为双沟 道结构，如今正向性能更好的改进结构发展。c c d 技术也因此成为当今世界新技 术研究的一大热点，并且成为现代光电技术和现代测试技术领域中最有发展前途 的技术手段之一t 2 2 - z 4 1 。 c c d 应用技术是光、电和计算机相结合的高新技术，它的应用范围很广。由 于c c d 具有光电转换，信息存储等功能，因而这种器件在图像传感，信号处理， 数字存储三大领域内得到了广泛的应用。c c d 器件在像素集成度，分辨率，灵敏 度，工作速度等指标上取得了突破性进展，尤其在图像传感领域内的发展最为迅 速i z 5 - ：描1 线阵c c d 主要应用于在线测量检测( 1 9 f 测) 系统、传真系统、医疗仪器、光 谱测量以及空问遥感等方面一维尺寸、位移的测量。例如生产现场中各种管、线、 带材、阋隙的在线测量；产品表面质量评定；在铁路应用方面，可以应用c c d 对轮轨、车辆等工作状态进行监测等。而在二维及三维领域，面阵c c d 有着巨大 的市场。由面阵c c d 构成的摄像机在工业上可用于现场工况监测、银行保安系统 的室内监测、工件图像的识别以及太空的天文摄像等。目前面阵c c d 在民用领域 同样有着广泛的应用，甚至在数码相机、数码摄像机、手机等和大众生活息息相 关的应用领域有着不可替代的作用 2 7 - 3 n 。 1 3 线阵c c d 的应用现状及发展前景 目前，在c c d 技术研究方面美国和日本仍处于世界领先地位，但在中低档民 用器件及整机方面日本已雄霸世界市场 3 2 - 3 3 1 。随着半导体微电子技术的迅猛发 展，其技术研究取得了惊人的进展。近l o 到2 0 年来，c c d 的应用已深入到各个领 域，可以说是跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品 为了迎合和满足工业生产需要，光电检测技术在近十到二十年来迅猛发展起 来。光电检测具有非接触、无损、远距离、抗干扰能力强、电路简单、成本低廉、 检测速度快、检测精度高等诸多优点，从而得以在各个领域内广泛应用。 5 硕十学位论文第一章绪论 线阵c c d 主要应用在在线测量方面，由于国外在c c d 技术的基础研究上起 步较早，相应的应用领域内的研究也取得了很大的成就。尤其是美国和r 本等工 业发达国家，无论是从研究水平、应用范围还是测量精度上仍然领先于中国的发 展水平。我国在c c d 技术方面研究相对较晚，研究水平也落后于欧美日等发达国 家 3 4 扔1 。在c c d 技术的研究方面，国内缺乏核，f , c c d 芯片设计和制造技术，c c d 芯片方面尚需要大量的依赖于进口。在应用的层次和领域内与发达国家还有着较 大的差距。 随着我国经济的大力向前发展，在工业和民用两个方面对c c d 技术应用的需 求呈迅猛上升的趋势。与此同时，基于c c d 的技术研究和应用已经有了很大的发 展，应用的领域也不断的趋于广泛。其中，在钢铁行业中，为了保障钢材的产品 质量往往要对钢管内外径或是钢材宽度进行实时在线检测，利用线阵c c d 和单片 机组成的光学测量系统测量钢管的内径，达到了0 0 0 1 r a m 系统分辨率；采用线阵 c c d 扫描，f p g a 与d s p 柔性结合实现图像实时处理、缺陷分类，达到对钢板表 面缺陷的计算机视觉无损在线检测1 3 6 1 。根据工业生产的需要，轧钢厂要将出炉 的钢条剪切成符合要求的钢坯，对一些精度要求比较高的场合，实时地测量钢坯 的段长，快速检测出不符合要求的钢坯并将其回炉，这对提高生产效率以及钢条 的利用率都是非常必要的。由于线阵c c d 技术具有精确性、实时性等特点，且钢 坯温度高达1 0 0 0 1 2 以上，难于现场测量，故利用线阵c c d 进行钢坯的非接触检测。 在直径测量领域，已经利用线阵c c d 对直径实现精密测量，并可以对5 2 5 m m 的线径进行非接触在线测量d 7 - 3 8 。在浮法玻璃生产中，利用半导体激光和线阵 c c d 组成的在6 0 0 1 2 高温条件下工作的玻璃厚度在线测量系统。系统样机对玻璃 厚度进行在线测量的精度达到1 5 1 a m ，测量范围为2 2 0 m m 眇j 。在机械高速加工 系统的工程技术应用中，利用线阵c c d 技术设计了一种新型光学瞬时转速测量系 统。通过对转速瞬时值的测量，人们可以定量了解转动机械内部动力发生装置的 瞬时工作状态，了解负载的施加过程，为保障设备正常运转，分析机械瞬态性能， 进行机械故障诊断提供依据【加】。在民用方面，线阵c c d 也起到了很大作用。为 了能更有效地剔除烟叶中的杂物，利用c c d 技术分别从上下两个方向获取图像， 然后对图像进行处理，尽量避免烟叶的遮挡给杂物剔除带来的影响【4 1 1 。在军事 应用方面，弹药除锈后的质量关系到弹药储运和使用安全，利用线阵c c d 拼接技 术设计了对除锈后弹药进行非接触质量检测的方法【4 2 】：同时利用线阵c c d 技术 可以测量火炮身管的内径1 4 3 】；应用线阵c c d 技术可以测量飞行弹丸攻角，建立 了测量飞行弹丸攻角的计算方法 4 4 1 。线阵c c d 在铁路方面也得到了广泛地应用， 利用线阵c c d 传感器实现了对铁路的实时监测，并且能够达到较高的测量精度 4 5 - 4 q 。 6 硕十学位论文第一章绪论 由于c c d 在测量应用中所具有的各种突出优点，所以从发明至今t 9 2 0 多年， 其发展速度惊人。随着国内外研究和应用的迅猛发展，c c d 传感和测量技术有向 以下几个方面发展的趋势。 1 ) c c d 传感器的像面尺寸向集成化方向的发展； 2 ) c c d 传感器向轻量化方向的发展； 3 ) c c d 传感器向高像素多制式方向的发展： 舢c c d 传感器向降低工作电压，减少功耗方向的发展。 总的来说，在c c d 技术的基础应用研究方面在国内还有待深入，应用范围和 应用水平也与国外有所差距。当然，也要通过不断吸收和借鉴国外应用的成熟经 验来提高国内的应用水平。同时，对c c d 的基础研究应该依据技术发展的特点和 发展的趋势予以重视和加强。 1 4 论文研究的内容及主要工作 本课题应用线阵c c d 对迈克尔逊干涉实验中干涉图像的光强度进行了测量， 着重于对线 嘞2 c d 在光学物理实验中的应用和数据采集处理方面的研究。本文主 要进行以下几个方面的工作。 i ) 在深入了解c c d 。尤其是线阵c c d 的结构和工作原理、特性的基础上， 选择合适的线 哞- c c d 构建计数系统。 2 ) 对整个光电测量装置进行系统分析其中包括对光学子系统的详细分析 和由c c d 所构成的条纹计数系统基本原理的阐述及相应电路设计。 3 ) 提出应用线阵c c d 测量的数据处理方案，即基于数据采集的软件法对 c c d 信号处理方法。 4 ) 设计实验分别对自己制作的条纹和实验产生的条纹应用前述方法进行 测量。 5 ) 总结所应用计数方法的优缺点和适用条件，并对今后的工作提出建议和 展望 综上所述，本文采用线阵c c d 设计的条纹计数器采样精度高，操作简便。课 题具有实践研究和理论研究相结合的特点。在注重实验操作的应用可行性同时也 对c c d 信号处理方法上做了实验研究 7 硕十学位论文 第一二章基丁线阵c c d 的条纹计数器设计理论基础 第二章基于线阵c c d 的条纹计数器设计理论基础 迈克尔逊干涉仪实验在高校物理实验教学中，占有很重要的地位。然而从历 年物理实验教学的实践中可以看出，该实验操作时间长，学生工作量大，并且实 验结果误差较大。鉴于此，本章从理论上讨论了采用电荷耦合器件( 线阵c c d ) 改进迈克尔逊干涉仪实验。 2 1 系统总体设计方案 系统主要由以下几个部分构成：迈克尔逊干涉仪、光学成像系统、图像采集 系统和图像处理系统。其中迈克尔逊干涉仪在本文中不是重点，这里只作简单的 介绍。本文重点研究的是光学成像系统、图像采集和图像处理系统的硬件电路和 软件电路设计，这两部分对系统测量的精度密切相关。 2 1 1 系统设计方案分析 整体系统组成框图如图2 一l 所示。在该系统中从迈克尔逊干涉仪l 出射的 干涉光经过聚光透镜2 后照射到可调狭缝3 上，由成像透镜4 在线阵c c d 5 上形 成条状的干涉条纹图像。由单片机数据采集电路完成c c d 输出视频信号的采样、 a d 转换并将采集数据传送给p c 机。由p c 机数据处理系统完成数据的处理、 结果显示等功能。 1 迈克尔逊干涉仪2 聚光透镜3 可调狭缝4 成像透镜5 线阵c c d 图2 - 1 条纹计数器系统组成框图 该方案的特点为：硬件电路简单、采集数据的处理由p c 机实现，可以降低 系统对单片机性能的要求。可以采用高级语言实现数据处理软件的编制。系统软 8 硕士学位论文 第一二章基r 线阵c c d 的条纹计数器设计理论基础 件的扩充和改进容易实现，具有高度的灵活性。 2 1 2 系统主要模块 通过上面分析，可以知道系统包括以下模块： l 条纹成像模块。 2 ) 凋像采集模块。用线阵c c d 得到干涉条纹图像，然后通过数据采集电 路将c c d 输出的条纹变化视频信号转换成数字量并传输给p c 机。 3 数据传输模块。系统数据传输是采用串行通讯方式。包括单片机串行通 信和p c 机串行通信。单片机将采集的数据通过串行口发送给p c 机， p c 机通过串行口c o m l 或c o m 2 实现数据的接收和发送。 4 ) 数据处理模块。数据处理模块将完成对不同位置同一点采样电压的数字 滤波和波形显示。 j 2 1 3 系统工作原理 本系统以线阵c c d 作为光电传感器接收待测的图像信号。c c d 传感器将干 涉条纹图像信号转换为视频信号，视频信号中每一个离散电压信号的大小对应该 光敏元所接收光强的强弱( 用y 轴表示) ，而信号输出的时序则对应c c d 光敏元 位置的顺序( 用x 轴表示) 。则c c d 所接收的光强与c c d 光敏元位置的关系如 图2 2 所示 t 图2 2 彻所接收的光强与c c d 光敏元位置的关乐 系统中通过单片机数据采集电路完成对c c d 像元固定点采样，并将采集结 果通过串行口发送给p c 机，p c 机数据处理系统对数据进行处理，对比同一点 的电压变换次数就可以得知经过该电位置的干涉条纹个数。采用c c d 的优点就 在于可以同时采集多个点的电压变换情况，使数据测量更为准确，同时在该系统 的基础上稍微改动就可以用它进行光谱数据的采集，非常方便，实用。 9 硕十学传论文第二章基r 线阵c c d 的条纹计数器设计理论基础 2 2 迈克尔逊干涉仪组成及特点 2 2 1 迈克尔逊干涉仪基本结构 迈克尔逊干涉仪是1 8 8 3 年美国物理学家迈克尔逊和莫雷合作为研究“以太” 漂移而设计创造出来的精密仪器。它利用分振幅法产生双光束以实现干涉，用它 可以观察光的干涉现象( 包括等倾干涉条纹、等厚干涉条纹、白光干涉条纹) ， 也可以研究许多物理因素( 如温度、压强、电场、磁场以及媒质的运动等) 对光 的传播的影响，同时还可以测定单色光的波长，光源的相干长度以及透明介质的 折射率等。 迈克尔逊干涉仪的基本结构如图2 - - 3 所示， 、m ，为两个镀银或镀铝的 平面反射镜，其中j 】l 厶固定在仪器基座上，m 可借助于精密丝杆螺母沿导轨前后 移动，g l 、g 2 为两块相同的平行平板，由同一块平行平板玻璃切制而得，因而 有相同的厚度和折射率，g | 的分光面涂以半透半反膜，g ，不镀膜，作为补偿板 使用。 图2 3 迈克尔逊干涉仪基本结构图 i o 硕士学位论文第一二章基于线阵c c d 的条纹计数器设计理论基础 2 。2 1 迈克尔逊干涉仪的光路 干涉仪的光路如图2 4 所示。反射镜m 与 如相互垂直，分光板g l 及补偿 板g 与m 、鸩均成4 5 0 角。光源s 发出的一束光线经分光板g 1 分为两束光线( 1 ) 和( 2 ) ( 1 ) 光垂直射到全反射镜 后，沿原路返回，并透过分光板g l 到达e 。 ( 2 ) 光通过补偿板g 后垂直射到全反射镜m ：，然后自 如沿原路返回到g 1 ，并 由g l 的半反射膜将光反射到达e 这样( 1 ) 光和( 2 ) 光是相干光，在空问相 遇时就会出现反射现象。 s 簟 图2 4 干涉议光路 g i 和g ，具有同样的厚度和折射率，补偿板g 2 是干涉仪的反射光和透射光在 玻璃中对不同波长的光同时满足等光程的要求，故可用来观察白光干涉系统，观 察者从e 处看来( 2 ) 光好像是从 平面反射来的，因眨是反射镜鸩由g i 半反射膜形成的虚像，因此为了讨论方便，干涉条纹可看做是由平面m 与 反 射的两相干光所形成，因而迈克尔逊干涉仪中所产生的干涉与m 和珥甸的空气 膜所产生的干涉是一样的。可认为是薄膜干涉的一种特殊装置 2 2 2 迈克尔逊干涉仪产生的千涉条纹 ( i ) 等倾干涉条纹 迈克尔逊干涉仪的光路的几何图解如图2 5 所示。 当平面m 与必平行时，在扩展的面光源照射下，所有入射角j 相同的光， 经两平面m 与必反射后，可被观测透镜三会聚与透镜焦面上的一点处。入射角 不同的光，会聚在透镜焦面上不同位置，反射光速( 1 ) 与( 2 ) 的光程差为 ：( 一a b + 一b o - _ ：兰一( 2 d 蟛) s i n f ；豺c o s i ( 2 一1 ) c , o s l 硕十：学位论文 第- 二章基丁线阵c c d 的条纹计数器殴计理论基础 a b 图2 5 迈克尔逊干涉仪产生的等倾、等厚干涉光路图 噩 1 1 这表明，当两平行平面距离d 一定时，所有倾角相同的光束都具有相同的光 程差，因而被聚焦在透镜焦平面上的点有相同的光强度，光强度相同的点的轨迹 形成干涉条纹。这种干涉条纹是由相同入射角的光形成，称为等倾干涉条纹，如 图2 - - 6 所示，其条纹定域在透镜的焦平面上，不用透镜，则等倾干涉定域于无 穷远处。 图2 6 等倾干涉照片 等倾干涉条纹是一组同心圆，垂直入射的光被会聚在同心圆的圆心，由式( 2 1 ) 知当i = 0 时，光程差a = 2 d ，即干涉条纹的级数是以圆心为最高。 a = 2 d = n 3 ( 2 2 ) 如是固定的，当平行移动m 使d 增加时，圆心的干涉级数就越来越高，我 们就看到圆条纹一个一个地从圆心“冒”出来；反之，当d 减小时。一个一个地向 圆心“缩”进去，每“冒”出或“缩”进一个条纹，d 就增加或减小了a 2 。所以，若 己知波长，从冒出( 或缩进) 的条纹数就可以知道m l 所移动的距离；反之，若 已知移动的距离和条纹数，就可以算出波长五。 ( 2 ) 等厚干涉条纹 硕士学位论文第_ 二章基r j 线阵c c d 的条纹计数器设计理论基础 当m 与 相距很近且有一个很小的角度时，在m 与必之间出现楔形空 气薄层，如图2 - 2 b 所示。于是，在两平面附近可观察到等厚干涉条纹，如图2 7 所示，由面光源s 上一点发出的不同光束( 1 ) 和( 2 ) 经m 、腹反射后在 镜面附近相交产生干涉。所以要看清楚这干涉条纹，眼睛必须聚焦在m 镜附近， 经m 、眨反射的两路光的光程差仍可以近似地用= 2 d c f 表示。 圈2 7 等厚干涉照片 在两镜面交线附近d 很小，光程差的变化主要决定于厚度d 的变化，如果 入射角不大，c o s i 项的影响可忽略不计。因此，在楔形上厚度相同的地方光程差 相同，我们观察到的干涉条纹是平行于两镜面交线的一组直线条纹。当厚度d 变 大时，干涉条纹逐渐变成弧形，凸向两镜的交线，因为这时光程差不仅决定于厚 度d ，而且入射光线角度的变化对光程差的影响不能忽略。因入射角i 变大时 c o s i 变小，要保持相同的光程差，d 必须增大，所以条纹的两端是逐渐向厚度增 加的方向阁 在迈克尔逊干涉仪实验中，测量风一m 激光波长时所观测的干涉条纹是非 定域等倾干涉条纹。 2 3 干涉条纹的光学成像系统设计 光学成像系统的作用是使光学干涉条纹能够清晰地呈现在c c d 图像传感器 上在该实验中，从迈克尔逊干涉仪出射的干涉条纹是在e 处通过接收屏观测到 的，所以先将处的接收屏取下，在水平轴上依次装上聚焦透镜l l 、狭缝、成 像透镜k 以及c c d 器件接收装置，如图2 8 所示。聚焦透镜l l 和成像透镜 k 是焦距相同的球面凸透镜，在成像系统中两面透镜的单倍焦距和双倍焦距分 别重合。狭缝设在聚焦透镜l l 和成像透镜b 的像方和物方的单双倍焦距之间。 c c d 器件位于成像透镜的二倍焦距之外1 4 9 1 硕十学位论文 第一二章基r 线阵c c d 的条纹计数器设计理论基础 一 肄 、 鋈 。、 、 千秽鬟嫂韵氟道镜n 参瞄成i l 黼l 2 壤像头 图2 - 8 光学成像系统 从图2 7 可以看出，干涉条纹经聚焦透镜后形成倒立缩小的实像，这个宽 度恒定的倒立图像通过成像透镜后的正立图像成像与c c d 器件的感光面上。 影响该成像系统成像特征的主要部分是狭缝。狭缝的设计要求满足两个条 件，一是狭缝的宽度可以调节。狭缝的宽度影响了光线的强度和图像的整齐性。 其次狭缝在光轴的横向方向可以移动。在横向方向的移动可以使干涉条纹的中心 能够处在图像中间，这样可以使测量更精确。 在这个光学系统中透镜的光学参数选择不是很重要。因为该系统成像在 c c d 感光面上的图像并不是整个的干涉条纹，所以只要透镜能够成像部分图像 就可以。但是从整体考虑来看，所选择的透镜焦距要足够的小。 2 。4 本章小节 本章简要介绍了条纹计数器系统的设计方案。在该方案下，介绍了系统的主 要模块和工作原理，迈克尔逊干涉仪的结构和光路原理，最后介绍了系统中光学 成像系统的具体设计过程。图像采集模块、数据传输模块和数据处理模块将按照 硬件设计和软件设计两部分分别在第三章和第四章介绍。 1 4 硕士学位论文第二章条纹计数器装置的硬件设计 第三章条纹计数器装置的硬件设计 本章将针对系统的硬件电路提出具体的设计方案，并对系统中各功能模块的 硬件构成进行详细的介绍。从第二章的系统框图可以知道，本设计中的硬件电路 主要集中在图像采集模块，主要包括c c d 器件的驱动电路，c c d 输出视频的处 理，a d 转换电路，单片机与a d 转换器的接口设计，单片机与p c 机的串行通信 接口电路几部分。图像采