（测试计量技术及仪器专业论文）迈克尔逊干涉条纹分析系统的研究.pdf

迈克尔逊干涉条纹分析系统的研究 摘要 传统光机型迈克尔逊干涉仪和新型的光机电型迈克尔逊干涉仪都具有很多 缺点。我们设计了一种计算机辅助干涉条纹分析系统，来解决这个问题。这种 设计只是在传统仪器上增加了采集模块和分析模块，封装程度不高，成本较低。 系统采用传统迈克尔逊干涉仪原有光路，并通过在接收端加入一个c c d 来实现 数据的采集，然后通过采集卡把数据传入计算机，在计算机上完成计算，最后 通过友好界面把计算结果显示出来。系统实现了条纹仿真、条纹滤波i 条纹计 数、面型测量和白光条纹自动识别功能。 本文的主要工作如下： l 、实现各种条纹的仿真。 建立了等倾干涉、等厚干涉和自光干涉的数学模型，设计了条纹仿真软件。 在软件界面上通过改变系统参数，可以直观地观察到条纹的变化。可改变的参 数有两干涉镜间距、两干涉镜夹角、光源光谱和摄像头相对光轴的位置等。 2 、实现干涉条纹的滤波。 针对仿真和实际条纹，使用多种滤波方法进行滤波。通过分析和对比，最 后采用改进旋滤波法作为条纹处理方法。 3 、实现条纹的自动计数。 采用过零计数和正切逼近法进行条纹计数，达到较为满意的效果。 4 、实现了面型测量。 采用空气腔作为相移工具，通过四步位移相位恢复方法，进行面型测量。 5 、实现了白光条纹自动识别。 采用图像相减去除背景的影响。以图像的对比度变化为依据，完成白光条 纹自动识别。 关键词：迈克尔逊干涉仪；仿真；滤波；条纹计数；面型测量；白光条纹识别 t h er e s e a r c ho fm i c h e l s o ni n t e r f e r e n c ef r i n g ea n a l y s i s s y s t e m _ a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lo p t i c a lt y p em i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r , a n dn e wo p t i c a la n d e l e c t r i c a lt y p em i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rh a sm a n ys h o r t c o m i n g s w ed e s i g n e da c o m p u t e r a s s i s t e dm i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e rs y s t e mt o s o l v et h i s p r o b l e m t h i s d e s i g ni so n l ya d dc o l l e c t i o nm o d u l ea n da n a l y s i sm o d u l e ，p a c k a g el e v e li sn o th i g h a n dc o s ti sl o w t h i ss y s t e mu s et h eo r i g i n a l o p t i c a lp a t ho ft h et r a d i t i o n a l m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r ，a n dt h e nd e l i v e rt h ed a t at ot h ec o m p u t e rb ya c q u i s i t i o n c a r d ，w h i c hw o r kw i t ha d d i n gac c d t od i r e c t i o no fd a t ac o l l e c t i o n a n dc o m p l e t e t h ec a l c u l a t i o no nt h ec o m p u t e r ，t h e nd e s i g nf r i e n d l yi n t e r f a c et oc a l c u l a t ea n d d i s p l a yt h ef i n a lr e s u l t s y s t e ma c h i e v ef u n c t i o n ，w h i c hi n c l u d es t r i p es i m u l a t i o n ， s t r i p e df i l t e r i n g ，f r i n g ec o u n t i n g ，m e a s u r i n ga n d w h i t es t r i p e df a c ea u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o n t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 t oa c h i e v et h es i m u l a t i o no fv a r i o u ss t r i p e s e s t a b l i s ht h em o d e lo fe q u a li n c l i n a t i o ni n t e r f e r e n c e ，e q u a l t h i c k n e s s i n t e r f e r e n c ea n dw h i t el i g h ti n t e r f e r e n c e ，a n dd e s i g nt h es t r i p ee m u l a t i o ns o f t w a r e i nt h es o f t w a r ei n t e r f a c e ，y o uc a no b s e r v ec h a n g e si ns t r i p e sv i s u a l l yb yc h a n g i n g t h es y s t e mp a r a m e t e r s t h ep a r a m e t e r sc a nb ec h a n g e di n c l u d et h es p a c eo ft w o i n t e r f e r e n c em i r r o r s ，t h ea n g l eo ft w oi n t e r f e r e n c em i r r o r s ，s p e c t r ao fl i g h ta n dt h e c a m e r ap o s i t i o ne t c 2 t oa c h i e v et h ef i l t e ro fi n t e r f e r e n c ef r i n g e s u s em a n ym e t h o d so ff i l t e r ，f o rb o t ht h es i m u l a t i o ns t r i p e s ，a n dt h ea c t u a l s t r i p e s t h e nu s et h ei m p r o v er o t a t i o ns p i nf i l t e r i n gm e t h o d ，b ya n a l y z i n ga n d c o m p a r i n g 3 t oa c h i e v et h ea u t o m a t i cf r i n g ec o u n t i n g u s ez e r o c r o s s i n gc o u n ta n dt a n g e n t i a la p p r o x i m a t i o nm e t h o d ，t oa c h i e v ea m o r es a t i s f a c t o r yr e s u l t 4 t oa c h i e v et h es u r f a c em e a s u r e m e n t u s ea i r c a v i t ya sat o o lf o rp h a s es h i f ta n du s et h ef o u r - s t e pp h a s es h i f t m e t h o d ，t oa c h i e v et h es u r f a c em e a s u r e m e n t 5 t oa c h i e v et h ea u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o no ft h ew h i t es t r i p e s r e m o v et h eb a c k g r o u n db yi m a g es u b t r a c t i o n ，t h e na c h i e v et h ea u t o m a t i c i d e n t i f i c a t i o no ft h ew h i t es t r i p e sb yt h ec h a n g e so fi m a g ec o n t r a s t k e y w o r d s ：m i c h e l s o ni n t e r f e r o m e t e r ；s i m u l a t i o n ；f i l t e r ；s t r i p ec o u n t ；m e a s u r i n g s u r f a c e ；w h i t es t r i p ei d e n t i f i c a t i o n ； 图表清单 图2 1 干涉图像4 图2 2 光的叠加：5 图2 3 迈克尔逊干涉仪的原理图6 图2 - 4 麦克尔逊干涉仪6 图3 1 麦克尔逊干涉原理图1 0 图3 2 等倾干涉仿真数学模型1 0 图3 3 qb 在数学模型中的说明l 1 图3 4 等厚干涉仿真的数学模型1 2 图3 5 迈克尔逊仿真界面1 1 4 图3 - 6 迈克尔逊仿真界面2 ：1 4 图4 1 干涉条纹在切线和法线方向上的特点1 9 图4 2 加入随机噪声普通旋滤波法滤波仿真2 1 图4 3 旋滤波处理结果比较：2 2 图4 - 4 模拟的散斑干涉条纹图及滤波2 2 图4 5 旋滤波软件设计界面2 3 图5 1 迈克尔逊干涉仪干涉条纹计数框图2 4 图5 2 光电检测与电平转换信号图2 4 图5 3 计数原理整数部分说明图2 5 图5 4 计数原理小数部分说明图2 6 图5 5 三次仿真条纹计数结果2 7 图5 6 两次实际条纹计数结果i _ 2 8 图6 1 相位解包示意图( 左) 解包前，( 右) 解包后3 5 图6 2 傅立叶频谱变化3 6 图6 3 面型测量软件界面1 求相位3 8 图6 - 4 面型矫正j 3 9 图6 5 面型测量软件界面2 系统矫正。3 9 图6 - 6 面型测量软件界面3 4 0 图6 7 面型测量软件界面4 4 0 图6 8 面型测量软件界面5 4 l 图7 1 白光干涉光强分布4 2 图7 2 白光双缝干涉现象( 左) ，白光干涉实际条纹( 右) 4 3 图7 3a 没有白光条纹的图片，b 有白光条纹的图片4 4 图7 4a 没有干涉条纹的图像灰度的分布，b 有干涉条纹的图像灰度的分布4 5 图7 5 时间上出现正弦信号4 5 图7 6 软件界面一白光条纹没有出现4 6 图7 7 软件界面一白光条纹出现4 6 独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中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 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金理王些盘堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：年月 日 电话： 邮编： 致谢 在此，我首先要衷心的感谢我的导师刘志健副教授以及李保生老师。在就读 研究生期间，老师们十分关心我的生活和学习，并尽其所能的为我创造良好的 科研条件，遇到技术难题时，他们都及时的指导，让我从不同角度分析和解决 问题。他们的指导和帮助，是我完成本篇论文的最大力量。 感谢潘柏根，何胖泮，于智洋等众多同学。与他们的交流和讨论使我开阔 了视野，受到了很多有益的启发，与他们默契的合作是完成项目和论文研究课 题的重要保证。 最后，对所有关心，指导和帮助过我的各位老师和同学表示感谢。为我创 造了良好的学习环境，真诚地感谢他们。 作者：刘文其 2 0 1 0 年4 月1 日 第一章绪论 1 1 选题的意义 迈克尔逊干涉仪【lj 在实验教学和测量中有着重要的地位。市面上迈克尔逊 干涉装置一般可以分为两种类型： 1 、以光机结构为主的传统迈克尔逊干涉仪。这类仪器有很早的历史，包括 了干涉光路，位移标度，需要用眼睛去观测。 2 、新型的光机电一体的迈克尔逊干涉仪。这类的仪器的光路大多被装入黑 匣，外部仅仅留下了简单的调节螺母，后端与采集和计算装置相连，自动读数。 传统的迈克尔逊干涉仪和新型迈克尔逊干涉仪的类比： 1 、易改造性。传统迈克尔逊是暴露在外，我们可以根据需要随意的改变光 路，实现不同的实验。而新型迈克尔逊干涉仪光学部分被装入黑匣，不利于光 学改造，如更换镜面，更换光源，改变光路很复杂，这类产品均作为成品出售， 功能单一，不利于改造，在不同的环境下需要重新设计制作。 2 、精度。新型仪器的光路部分被装入黑匣，受到环境的影响小，抗干扰能 力强，并且它一般采用精度较高的设备( 镜面，c c d 等) ，在精度上面要高出 传统仪器很多，但是也导致了新型仪器的软硬件价格昂贵。在精密测量中才能 体现他的价值。 3 、易观测性。传统仪器的条纹，是靠着眼睛去读数，当条纹变化较快时眼 睛无法适应条纹变化。新型仪器是电子读数，后端集成数据的采集，处理显示 与一体，方便读数。并且可以进行图像处理，和面型计算。 4 、造价。新型仪器选用的高精度的硬件设施，并且后端加入了采集和处理 部分，并对系统进行了封装，它的造价非常昂贵。传统光机型仪器造价较低。 无论是传统仪器还是新型仪器，它本身都具有很多优缺点，为了克服缺点， 我们设计一种计算机辅助迈克尔逊干涉仪系统，来解决这个问题。实现保持传 统迈克尔逊干涉仪原有光路，并通过在后端加入一个c c d 来实现数据的采集， 然后通过采集卡，把数据传入计算机，在计算机上完成计算，达到一定的精度， 并设计友好界面把计算结果显示出来。这种设计只是在传统仪器上增加了采集 模块，封装程度不高，成本较低。 1 2 国内外现状 在测量方面，对新型仪器的介绍如下： 在测长【2 】【3 】方面，河南大学物理与电子学院设计了一种能自动适应不同背 景光强的新型迈克尔逊干涉仪条纹计数器，利用光敏二极管将条纹的变化转化 为电信号并与数控分压电路的输出进行差动放大，经施密特触发器整形后，送入 单片机计数并显示，此计数器可以适应不同的背景光强和光源光强，具有精确度 高、操作简便、适应性强等优点，相对误差小于0 2 。中国科学院长春光学精 密机械与物理研究所设计的共光路移相单频激光干涉测长系统。共光路设计提 高了干涉系统的测量稳定性和重复性。采用光程差放大技术提高了干涉系统的 分辨力。其测量分辨率为2 n m ，误差峰峰值为0 0 5 u m ，标准差为0 0 5t i m 。 量程为l o o m m 。 在测面形【4 】1 5 】方面，四川大学电子信息学院提出了将环路径向剪切干涉术 应用于光学元件面形检测的新方法，设计了基于环路径向剪切干涉检测光学元 件面形的光路系统。根据环路径向剪切干涉法的波前重建算法，模拟计算了任 意波前的重建情况，同时在基于开普勒望远系统的环路径向剪切干涉仪上实际 测量了一个已知光学元件的面形。误差优于1 1 0 个波长。北京理工大学信息 科学技术学院光电工程系，提出用部分补偿透镜进行非球面检验的方法对部 分补偿透镜的设计方法和要求进行了研究，针对3 种不同参数的非球面设计了 部分补偿透镜，结构比零补偿器更简单分析了各种部分补偿透镜的非球面度 补偿范围，证明用简单且易于制造的部分补偿透镜补偿不同相对孔径和非球面 度的非球面测量精度可达到l 1 0 个波长。 但是新型仪器的测长和测量面型系统，都存在着这些缺陷：对设备要求严 格( 需要高精度的摄像头，镜面，和较好的测量环境) ，抗噪声能力不强( 噪 声对计数结果的影响很大，较差的条纹图像就无法得出正确的结果) ，缺乏友好 界面的设计，对于操作者有较高的要求，设计系统复杂等等一系列的不足。 本文希望对迈克尔逊进行一个简单的改进，并且在普通大学实验室中，在 测长和测面型中达到一个较高的精度，希望实现一个低成本，较高回报的计算 机辅助迈克尔逊干涉仪教学和测量系统。 1 3 本文主要研究内容和工作 本文的设计思路是：通过计算机对有较大噪声的干涉条纹进行分析，提取 条纹信息，可实现面型的测量、条纹计数和白光条纹的自动识别。可以很好的 对迈克尔逊光学仪器进行改进，利用此技术，开创性地开发一种适合国内高校 迈克尔逊干涉仪教学实验的新系统，实现了传统仪器和现代技术的结合以及真 实实验和仿真实验的结合。 本文的主要工作如下： 1 、实现对各种条纹的仿真。在计算机上重现条纹，使我们更清晰的理解干 涉原理和叠加原理。主要是对等倾、等厚、和白光条纹的仿真。建立等倾干涉、 等厚干涉和白光干涉的数学模型，设计软件实现：调整干涉镜距离、调整干涉 镜倾角，调整光源光谱，改变摄像头相对光轴的位置等等因素，可以看到条纹 的变化。 2 、实现对干涉条纹的滤波。我们针对仿真条纹，和实际条纹两种情况，使 用各种滤波方法进行滤波，通过分析和对比，提出最适合教学仪器迈克尔逊干 涉仪上出现的条纹图像的滤波方法，需要在有较大噪声的情况下，依旧可以反 映出条纹的各种信息。并且使用这种方法对拍摄的条纹图像进行滤波，获得较 为满意的结果。设计友好界面完成干涉条纹滤波。 3 、实现条纹的自动计数。做到在操作迈克尔逊的同时，我们可以看到条纹 的自动计数，不用使用眼睛来观察条纹，这样可以避免眼睛的过度疲劳，和分 辨力不足的客观事实，并且与迈克尔逊干涉仪上的读数对比，实现对实验的扩 展。这种条纹计数方法也可以用于测量方面希望精度可以控制在1 1 0 波长。设 计友好界面完成条纹计数。 4 、实现了面型测量。即相位恢复方法，给系统提供进行面型测量的方法。 通过最后的系统修正希望分辨力可以达到1 1 0 波长。设计友好界面完成面型测 量。 5 、实现了白光自动识别。有效的解决调试白光条纹较难的问题，通过计算 机的眼睛摄像头，实现白光来临时可以自动识别。设计友好界面完成白光自动 识别。 第二章原理和实验平台 2 1 干涉测量原理 光的干涉：两列光波在空间相遇叠加，光强在叠加区域的某些地方出现极 大值，某些地方出现极小值，这种叠加区域出现的光强度的强弱分布现象称为 光的干涉现象。而发生干涉的条件是：振动频率相同，振动方向相同，相位相 同或相位差恒定。光波是电磁波的一种，当满足以上三个条件时，就能出现干 涉现象。因为光干涉的条件非常苛刻，要得到光的干涉现象，现在常用的方法 就是把由同一光源所发出的光分成两束，然后使这两束光再在某一空间相遇。 这种情况下，由同一光源中发出的两柬光，都能满足相干条件，从而发生干涉， 这两束光称相干光。 在交迭区域内各处强度如果不完全相同从而形成一定的强弱分布，显示 出明暗交替的图像叫做干涉图像( 图2 - 】) 。所以对空间某处而言，干涉迭加后 的总发光强度不一定等于分光束的发光强度的迭加，可能大于、等于或小于分 光束的发光强度。光的干涉现象是光的波动性的最有力实验证据，它符台波面 的叠加原理川。 呵 图2 】干涉图像 两列光波的叠加( 图2 2 ) p 点：q2 吐2 0 re 12e 1 0 c o s ( c o t + 中1 0 ) ie z2e z d c o s ( t + 十z o ) e = e l + e 2 = e o c o s ( 砒+ 巾o )( z 一1 ) l 昭= e + e 南+ 2 e 1 0 e 1 0 c o s 的2 0 一十1 0 ) l 8 = 巾2 0 一中1 0 干涉极值情况： 第一种情况相长( 明条纹) 6 = 2 m w , c o s 5w 10 ，1 ，2 ，3 i = i 。= 1 1 + i ：+ 2 f 匾( 2 2 ) 第二种情况相消( 暗条纹) s = 2 ( m + 1 ) 弭c o s 8 = 1m = o ，乞2 ，3 i2k 娃2i i + 1 2 一z i 量j r 1 2( z 一3 ) ，_ 一 ，、 l 2 p 图2 - 2 光的叠加 干涉光的获得通常采用的方法有两种： 1 、分波阵面法。把点光源的波阵面分割为两部分，使其分别通过两个光具 组，经反射、折射或衍射后交迭起来，在某一区域形成干涉。因为波阵面上任 一部分都可看作光源，并且在同一波阵面的各个部分有相同的位相，所以这些 被分离出来的部分波阵面可作为初相位相同的光源，无论点光源的位相改变得 如何快，这些光源的初相位差是恒定的。杨氏双缝、菲涅耳双面镜和洛埃镜都 是这类分波阵面干涉装置。 2 、分振幅法。当光投射到两种透明媒质的分界面上，光能一部分发生反射， 另一部分发生折射。这方法叫做分振幅法。最简单的分振幅干涉的装置就是薄 膜，它是利用薄膜的上下表面对入射光的依次反射，由这些反射光波在空间相 遇而形成的干涉现象。由于薄膜的上下表面的反射光来自于同一入射光的两部 分，只是经历不同的路径而产生了恒定的相位差，所以它们是相干光。另外一 种重要的分振幅干涉装置就是迈克尔逊干涉仪。本实验就是以迈克尔逊作为干 涉装置。 近代光学干涉检测是一项复杂的精密测试技术，它需要结合并运用光学、 电子、机械、计算机等多个领域的知识和技术，这种检测方法最终归结为对一 系列静态或动态连续的实时干涉条纹图进行分析和计算。条纹图像数字化处理 技术基本上分为两类：基于条纹亮度分析的条纹中心法和基于时间与空间相位 分析的相位法。 2 2 迈克尔逊条纹分析系统的硬件与软件 在传统的迈克尔逊光学实验中，在进行条纹观察和条纹计数中，通常是采 用人眼对干涉条纹进行直接的观察和记录，这样做不仅工作繁重，而且测量误 差较大，特别是条纹变化速度较快的时候，人眼无法分辨。通过对迈克尔逊试 5 验平台的改进，可以把计算机和传统实验结合起来，实现教学，测量溶为一体。 22 1 迈克尔逊干涉仪 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”漂移而设计的仪器。它利用分振幅法实现双光束干涉，用它可以观察光的 干涉现象( 等倾干涉、等厚干涉、白光干涉) 也可以研究许多物理因素( 如温 度，电场，磁场，压强等) 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( 图2 - 3 ) 所示，m i 、m 2 为两个镀银或 则铝的平面反射镜，其中m 2 固定在仪器基座上，m i 可以借助精密丝杆螺母沿 着导轨前后移动，g 1 ，g 2 为两块相同的平面反射镜，有相同的厚度和测试率， g 1 的分光面渡半透半反膜，g 2 不镀膜，作为补偿板使用。 口 一 川 i 噬嘎 2 7 1 i r i 2 图2 - 3 迈克尔逊干涉仪的原理图 图2 - 4 麦克尔逊干涉仪 2 2 2 计算机图像系统的输入设备 电子摄像器件可将二维的光学图像信息转换为电信号。摄像器件的主要性 能指标有以下几个方面： l 、光谱响应，也称为光谱灵敏度。它表示器件对光波波长响应。如果硅靶 视像管可工作在1 1hm 波长，用作近红外记录。普通c c d 摄像机的光灵敏度 近红外波段。 2 、光灵敏度，也称响应度。它表示给定光强均匀照射到器件靶面所产生的 输出电流。c c d 的光灵敏度可以达到o 0 1 x 。 3 、光电变换特性，也称伽马度y 。它反映信号输出特性的斜率，通常可以 表示为s = ye ，其中e 为输入辐射或则光亮，s 为输出信号电流的变化，通常 y 小于1 。 4 、信噪比， 5 、暗电流，即无光照时摄像机的输出电流，一般为几个到几十个毫安。 6 、分辨率，表示器件对图像细节的鉴别能力。对电子束管，垂直分辨率受 扫描线数限制。一般c c d 摄像机，根据制造过程采用像素表示，由于工艺限制 通常对于一个像素摄像机靶面尺寸约为6l lm 左右。目前普通c c d 摄像机约为 7 8 0 * 6 8 0 ，高分辨率的摄像机可达1 0 2 4 1 0 2 4 ，1 9 2 0 1 0 3 5 像素。 7 、帧率，表示器件每秒可以输出图像数，它在考虑时间因素时十分重要。 普通c c d 帧率约为15 到2 5 帧，某些高性能c c d 可以达到10 0 0 帧秒；而用 与高速记录则高达2 0 万帧每秒。 8 动态范围，它有两种含义，一是摄像机能够感受一幅图像内最亮和最暗 的光强比值：二是摄像机能容纳最亮一帧图像的平均亮度和最暗一帧图像平均 亮度的比值。某些视像管可达3 5 0 1 ，一般为6 0 ：1 。 9 、惰性，指输入光强发生变化时，输出信号的响应变化在时间上的滞后。 1 0 、几何比率，通常垂直与水平比3 ：4 作为标准。实际靶面尺寸有 6 6 m m * 9 m m 和9 5 m m * 1 2 2 m m 2 3 3 图像采集卡 图像采集卡是图像采集部分和数据处理部分的接口。图像在这里经过采样、 量化以后转换为数字图像，然后存储到帧存储器的过程，叫做采集、数字化。 因为通过高速p c i 总线可以实现直接采集图像到v g a 显存或主机系统内 存，这不仅可以使图像直接采集到v g a ，实现单屏工作方式，还可以利用p c 机内存的可扩展性，实现所需数量的序列图像逐帧连续采集，进行序列图象处 理分析。并且由于图像可直接采集到主机内存，图象处理可直接在内存中进行， 所以图象处理的速度随c p u 速度的不断提高而得到提高，因而使得对主机内存 的图像进行并行实时处理成为可能。 整个视频采集的过程： 7 1 、视野( f o v ) 或现场是相机及光学系统“看”到的真实世界的具体部分。 2 、c c d 芯片将光能转化为电能。 3 、相机将此信息以模拟信号的格式输出至图像采集卡。 4 、a d 一转换器将模拟信号转换成8 位( 或多位) 的数字信号。每个象 素独立地把光强以灰度值( g r a yl e v e l ) 的形式表达。 5 、这些光强值从c c d 芯片的矩阵中被存储在内存的矩阵数据结构中。 灰度值( g r a yl e v e l ) 象素光强弱信息的表示灰度值为真实世界图像 量化的表现方法。通常灰度值从最黑到最白为0 2 5 5 。光线进入c c d 象素， 如果光强达到c c d 感应的极限，此象素为纯白色。对应于内存中该象素灰度值 为2 5 5 。如果完全没有光线进入c c d 象素，此象素为纯黑色。对应于内存中该 象素灰度值为o 。 随着集成电路的迅速发展，采集卡也在不断的更新换代，本试验中所采用 的视频采集卡：天敏s d k 2 0 0 0 。 1 0 m o o n ss d k 2 0 0 0 是一款专门针对系统开发商及电脑d i y 发烧友的高 品质p c i 视频卡。s d k 2 0 0 0 具有高品质的视频采集性能，具备高速p c i 总线， 兼容即插即用( p n p ) ，支持一机多卡。提供功能全面的二次开发包( 以下简称 s d k ) 。可以选择v i s u a l b a s i c 、v i s u a l c + + 、d e l p h i 等多种编程语言通过s d k 进 行开发，s d k 中包含d l l 动态库( v c 使用) ，o c x 控件( v b ，d e l p h i 使用) 及其 详细说明。可通过s d k 控制图像的输入端口，图像亮度，对比度，色度，灰度 等输入信号，动态截取图像，以a v i 格式进行录像侦测图像是否有移动目标等 在盘 专乎o 2 3 4 迈克尔逊条纹分析系统测量软件 本实验以v i s u a l c + + 作为软件开发工具，分别设计实现： 1 干涉条纹的仿真 2 干涉条纹的滤波 3 条纹计数 4 面型恢复 5 白光干涉报警 为一体的软件平台，设计友好界面，实现传统仪器与计算机的完美结合， 使用方便，观察便利，测量准确。 2 3 实验仪器平台以及调节 1 迈克尔逊干涉仪一台 2 空气腔 3 计算机 4 采集卡 8 5 摄像头( 镜头f = 5 0 m m ) 6 实验平台，光学透镜若干，支架若干 7 光源( 点扩散光源、钠光灯、白光源) 1 、等倾干涉的调节方法 我们把点扩散光源看做成点光源，当然这样并不严格，主要是演示说明作 用。首先把仪器连接好，放上点光源，在观察方用眼睛去看能看到两排点光源 的像，首先把这两排像点调制成完全重合，这个时候我们放上观测屏可以在屏 上看到一圈一圈的干涉条纹，这时候成的是空间像，换上摄像头，通过加上套 筒，直到得到视场合适的像。 2 、等厚干涉的调节方法 在第一步等倾干涉的基础上，换上钠光源，把钠光灯前毛玻璃上的十字刻 线的两个像调重合，这个时候用眼睛从观察方可以看到光源的像上有细密的等 厚干涉条纹。由于等厚干涉成像在干涉面附近，所以调节摄像头镜头，知道可 以清晰对焦干涉镜面，然后通过摄像头就可以观测到等厚干涉条纹。 3 、白光干涉调节方法 在第二步等厚干涉的基础上，调节迈克尔逊干涉仪上，固定镜面的支撑螺 母，即固定镜面的角度，尽可能的使条纹变粗，这是为了使两干涉镜面相对更 平行。然后换上白光源，调节移动镜面直到两干涉臂光程接近，通过摄像头就 可以观测到白光干涉条纹。因为白光同样成像在干涉面附近，摄像头不用调节 与第二部等厚干涉相同。 9 第三章迈克尔逊干涉实验仿真 3 1 干涉条纹的原理性仿真 光的干涉：当两束或则两束以上的光波在一定条件下相遇而叠加，引起光 强度的重新分布，从而在重叠区域形成稳定的、不均匀的光强分布，出现明暗 相间的条纹，或则彩色条纹。 。一 w 1 r 1一 i 撩一 图3 1 麦克尔逊干涉原理图 光程差定义为两束光到达某点的光程之差值。表明干涉条纹性质的量。指 由不同点发出的相干光在到达叠合点( 承光板) 时，两光线行程距离的差数。 对于两同相的相干光源发出的两相干光，其干涉条纹的明暗条件便可由两 光的光程差决定。 光程差的计算有两项，一项是几何路程差引起的，另一项要考虑反射面情 况，决定是否有半波损失。相差= 2 7 c 九光程差( 九为真空中的波长) 分别建立 等倾9 】等厚干涉数学模型如下： 3 1 1 等倾干涉 以c c d 中心原点为坐标原点，以光轴主方向为z 轴正方向建立坐标系( 如 图3 2 ) 图3 - 2 等倾干涉仿真数学模型 1 0 其中：光源为严格的点光源a ， i 、b 镜面为不动镜面，严格垂直主光轴， 2 、c 镜面是移动镜面， 3 、d 为c 镜面在z 轴的移动，z 轴的方向为正方向， 4 、d 为c 镜面对x 轴的张角， 5 、b 为c 镜面对y 轴的张角， 6 、b 为光源a 相对镜面b 的虚像点， 7 、c 为光源a 相对镜面c 的虚像点， ( 缸4 ，照口，o ) 。 口j 纠 ( o 以0 ) i 图3 3 ab 在数学模型中的说明 计算过程如下： 1 、求点a ( 0 ，0 ，z 1 ) 关于镜面c 的对称点s 面c ： t gd + x + t g1 3 y z - ( z c + d ) 】= 0 ( 3 - 1 ) 过a 的法线： x t gq = y t gb = ( z - z 1 ) - 1 ( 3 - 2 ) 面c 与过a ，的法线相交与s ：联立方程式3 1 ，式3 2 可以得到s 点坐标 ( s x ，s y , s z ) ：见式3 - 3 z c _ d z 1 敞= 一馏a 皋一 。t 9 2q + 毽z 弘+ 王 z c d z 1 印2 一谵8 拿t g zc l + t g z l 3 + 1 ( 3 3 ) 妇2q + 诏2 8 ) * z i + z c + d t 9 2q4 - 犍2 8q - l 点a 关于s 的对称点即为所求c ：见式3 - 4 2 、求点a ( o ，0 ，z 1 ) 关于镜面b 的对称点b ( 0 , 0 ，2 z b - z 1 ) 3 、b c 相对a 面上任一点( a x ，a y ，0 ) 的光程差为：见式3 - 5 z c + d z l c x = 一2 幸培旺t t g xa + t 9 2 f l + 1 一 z c + d z l 趄2q + 艳2 p + 1 沁2c l + t 9 2 6 - 1 ) 掌z l + 2 z c + 2 d 铭2c t + t 9 2 b + 1 ( 3 4 ) f a ? b = a x2 + 船2 + ( 2 z b z 1 ) 2 | a ，c 7 = 0 叙一s 萄z + 0 留一s y ) z + s z 2 ( 3 一s _ ) l = a ，f 一硝c 通过式3 5 可以求得屏幕上任一点相对于两个等效光源b 和c 的光程差 ，通过光程差和光强之间的关系可以仿真出等倾干涉条纹。 3 1 2 等厚干涉 等厚干涉条纹的光程差即标准镜和待测镜之间距离差的二倍，同样通过光 程差和光强之间的关系可以仿真出等厚干涉条纹( 如图3 4 ) 。 境面副镜面 | | 图3 4 等厚干涉仿真的数学模型 3 1 3 区别以及成像特点 等厚干涉，平行光从相同的倾角入射不均匀的薄膜，相干光光程差，随 膜厚e 变化，膜厚e 相同的地方，光程差相同，干涉情况也相同，并处于同 一级干涉条纹上。 1 、平行光 ： 2 、等厚干涉条纹对应膜的等厚线，等厚干涉条纹只形成在薄膜表面。 等倾干涉，( 扩展光源照明平行平面薄膜) 薄膜厚度相同，相干光光程差随 入射倾角变化，只有倾角相同的那些光线，光程差相同，干涉情况相同，构成 同级干涉条纹。 1 、扩展光源 2 、干涉条纹为同心圆，环纹间距从中心到边缘逐渐变密，级次从中心到边 缘越来越低。 若膜厚e 增加，则环纹向旁边移动；若膜厚e 减少，则环纹向中心移动。 3 。2 在v c 上的实现 3 2 1 等倾干涉 封装以下类烈t e r f e r f o r m e r l 进行控制，根据上述原理模拟仿真条纹。 t y p e d e fs t r u e t i n t e r f e r f o r m e r l该结构已波长作为长度单位 f l o a tz i ； 光源 ( 该值为定值) f l o a tz b ；不动镜面 ( 该值为定值) f l o a tz c ；移动镜面初始位置 ( 该值为定值) f l o a ta n g l e x ； 移动镜面在x 方向的倾角 f l o a ta n g l e y ； 移动镜面在y 方向的倾角 f l o a td ： z 轴反方向的位移 i n txccd；h320(ccd参数) i n ty ccd；h240 f l o a tl e n g t h p e r m ；c c d 像素粒间距 i n tx o f f s e t ：c c d 偏离坐标原点的距离 i n ty o f f s e t ； d o u b l e * l e n g t h b a ；不动镜面和c c d 垂直距离( 随c c d 参数变化) i n t e r f e r f o r m e rl ，串l p f n t e r f e r f o r m e rl ； 3 2 2 等厚干涉 封装以下类i n t e r f e r f o r m e r 2 进行控制，根据上述原理模拟仿真条纹 t y p e d e f s t r u c t i n t e r f e r f o r m e r 2 该结构已波长作为长度单位 f l o a tz b ； 标准镜面b( 该值为定值) f l o a tz c ；镜面c ( 该值为定值) i n tx c c d ；320(ccd参数) i n ty c c d ；2 4 0 f l o a tl e n g t h p e r m ；c c d 像素粒间距 d o u b l e * s h a p e c ；镜面c 的面型矩阵 i n t e r f e r f o r m e r 2 ，奎l p i n t e r f e r f o r m e r 2 ； 3 3 仿真结果以及小结 如图( 3 - 5 ) 所示迈克尔逊仿真界面： 光源距离中心分光镜6 0 0 m m 摄像头距离中心分光镜6 0 0 m m 标准镜面距离中心分光镜3 4 0 m m 移动镜面距离中心分光镜3 4 2 4 4 4 3 7 0 m m 移动镜面相对x 轴向倾角o0 0 0 0 6 0 弧度 移动镜面相对y 轴向倾角0 0 0 0 0 1 0 弧度 在光轴方向上两镜面的距离为24 4 4 3 7 0 m m 圈3 - 6 迈克尔逊仿真界面2 分析导致 仿真可以从原理上理解迈克尔逊干涉模型，很好的解释了干涉图样，使我 们对迈克尔逊干涉有一个更深层次的了解。使我们在以后的实验遇到问题是可 以正确的思考对策。 第四章图像的预处理 在干涉测量中，用c c d 拍摄的干涉条纹图中总是不可避免的出现各种噪 声。无论是随机噪声还是系统噪声都会对干涉条纹图噪声扰乱。在以后的条纹 处理中会极大的影响条纹图处理的精度，甚至会得到一个错误的结果。许多学 者对干涉条纹的滤波进行了大量的研究，寻找一种减少图像噪声的方法。在进 行条纹处理之前，要进行一系列的滤波，剔除图像的无用信息，减少噪声对计 数结果的影响，增强图像中的有用信息。它可以是一个失真的过程，其目的是 要增强视觉效果。将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，抑 制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效 果。 4 1 图像噪声 4 1 1 图像噪声的分类 图像系统中的噪声来自于很多方面，如电阻引起的热噪声；真空器件引起 的散粒噪声和闪烁噪声；面结型晶体管产生的颗粒噪声和噪声；场效应管的沟 道热噪声；光电管的光量子噪声和电子起伏噪声；摄象管引起的各种噪声等等。 由这些元器件组成各种电子线路以及构成的设备又将使这些噪声产生不同的变 换而形成局部线路和设备的噪声。另外还有就是光学现象所产生的图像光学噪 声。在这一小节中，我们仅对一些专用元器件和设备噪声略加介绍。 1 光电管的噪声 光电管通常作为光学图像和电子信号之间转换器件，如光密度计各种形式 的扫描输入输出设备，传真机的收发片机光电转换等。光电管的噪声主要包括 两个方面，其一是到达光电管阴极光量子数的起伏骚动，其二是每个入射光量 子所发射电子数的起伏骚动。假定光电管的阳极电流为，根据肖特基公式，阳 极电流的噪声电流可由下面的式子表示：式子中为电子电荷。 2 摄象管的噪声 摄象管大体可分为三类：第一类是利用光电子放电效应进行光电变换，除 一些特殊场合下( 如低照度医疗电视等) 已很少使用。第二类是利用光导效应 进行光电变换。因为这种摄象管的轻巧廉价等优点，目前已经广泛应用在工业 电视，广播电视方面。第三类是固体摄象器件，比如b b d 和c c d 。它是把光 学信号电荷存储于金属氧化物电容的半导体耗尽层上，由外部加激励脉冲，使 得电荷沿同一方向顺序传输，从输出端取出信号电流。 3 摄像机的噪声 摄像机噪声主要包括两个方面，其一是摄象管输出噪声，其二是摄像机中 1 s 放大和处理电路所引起的噪声。 对摄像机输出噪声影