CCD系統在物理實驗中的應用

尚錦康,劉　　浩

（蘭州財經大學 信息工程學院，甘肅　　蘭州　730000）

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CCD系統在物理實驗中的應用

尚錦康,劉浩

（蘭州財經大學 信息工程學院，甘肅蘭州730000）

摘要：CCD技術在現代測量與計算中有著十分重要且積極的作用，利用CCD技術，可以更加精確、清晰、直觀地反應一些物理實驗的數據與圖像并進行處理，有效地避免了人為觀測、計算中出現的誤差，這在物理實驗方面是非常有價值的。本論述利用學校實驗室現有設備，在CCD技術輔助大學物理實驗中做了一點初步的探討，得到的圖片清晰可用、數據精準，為高校實驗課推廣做出了一定貢獻。

關鍵詞：CCD系統；大學物理教學；光學實驗

0　　引言

CCD圖像傳感器具有體積小、噪聲低、分辨率高、靈敏度高、功耗小、壽命長、抗震性及抗沖擊性好、不受電磁干擾、可靠性高、便于數字化處理和便于與計算機接口等諸多優點；與CMOS圖像傳感器相比，亦有靈敏度高、分辨率高、噪聲小、技術成熟等優勢。在圖像傳感和非接觸式精密測量技術中應用廣泛，例如在攝像機、數碼相機和掃描儀中，以及各類物體的尺寸、距離、三維特性測量等方面。隨著CCD技術和理論的不斷發展，CCD技術應用的廣度與深度必將越來越大。以下工作是CCD在邁克爾遜干涉實驗、衍射光柵實驗與牛頓環實驗中的應用。

1　　實驗過程與CCD系統在實驗中的應用

選擇實驗環境:選擇盡可能黑暗的實驗地點（在光學實驗中每一點光亮都會影響實驗結果的準確性）。準備好所需的實驗儀器：CCD系統（通用）、邁克爾遜干涉儀、分光計、汞燈、光柵、變壓插頭、臺燈、牛頓環。調節實驗設備：根據不同的設備進行調節，根據圖像顯示軟件進行調整，調節準確無誤后開始測量；記錄并處理實驗數據；整理實驗儀器。

1.1在邁克爾遜干涉實驗中的應用

在邁克爾遜干涉實驗中，我們會經常使用到各種較強的激光，當我們使用CCD系統時，可以有效地避免激光對眼睛造成傷害，也可以通過計算機顯示，更好地進行記數與計算。

1.2在衍射光柵實驗中的應用

在衍射光柵實驗中，我們把CCD固定在分光計鏡筒的位置，不僅可以有效隔絕外界光源對本實驗的影響，并且通過計算機來顯示不同的光波，通過計算機，可以更加直觀明了地觀察不同光波的顏色、位置的不同，從而進行更加精確的計算。

1.3在牛頓環實驗中的應用

在牛頓環實驗中，我們把CCD系統固定在牛頓環鏡筒上，可以更好更穩定地觀察與記數牛頓環的變化，從而更加精確地進行光源的波長計算。

2　　部分實驗儀器

CCD在邁克爾遜干涉實驗中組裝圖見圖1所示。

3　　實驗數據

3.1讀取實驗數據

根據CCD的實時記錄，直接在CCD成像上進行讀取數據。方便快捷利于觀察。

圖1整套CCD系統在邁克爾遜干涉實驗中的組裝與實時顯示綜合圖設備(CCD系統 邁克爾遜干涉儀激光 計算機圖像實時顯示軟件)

表1：利用CCD系統，使用鈉燈定標，直接計算600線光柵的光柵常數。理論為1 666，實際為1 682.31（取1 682）.為了實驗的精確性，我們在計算過程中以實際值為準。實驗值與理論值差距較小，數據可用。

表2：為了實驗的準確性，使用CCD系統對汞燈的譜線進行測量，并計算出相應波長進行定標，以便對以后數據的準確性進行分析對比。實驗值與理論值差距較小。

表3：此表為白熾燈的實際測量數據。與標準值進行對比，結果與真實值相差很小。

3.4CCD系統實驗中數據圖

圖片清晰，條紋細致，完全可以在實驗中計算使用。圖2、圖3、圖4為部分實驗數據圖。

3.2數據處理

利用Adobe Photoshop CS6與Corel Videotudio Pro X5對CCD采集出來的視頻與圖像進行后期處理。

3.3CCD在衍射光柵實驗中應用的實驗數據

CCD在衍射光柵實驗中應用的實驗數據：

圖2　CCD系統在邁克爾遜干涉儀顯示實驗效果圖（綠激光）光環清晰易數，計算方便

4　　測試結果與分析

傳統的采集物理實驗信息的方法主要有目測、顯微鏡、照相機、繪圖儀等等。在實驗過程中，由實驗的主體——人本身觀測局限所引起的系統誤差是實驗誤差的一個主要來源；而且，采集到的信息還必須通過人加以整理、計算，費時又費力。CCD在處理光學實驗中，可以直接根據CCD成像在計算機上讀取數據，可以起到保護眼睛不受激光損傷的好處，并且CCD更適合處理環境不是很理想的實驗（光學實驗對環境的要求相當苛刻，一點光照都會對實驗的準確性產生影響，而CCD由于本身的性質，可以有效地避免此類問題產生的實驗誤差）。CCD由于具有電荷存儲和電荷傳輸的功能，在采集數據圖像時，可由與之接口的計算機通過相應的數據圖像處理軟件直接處理數據后一次性輸出結果，大大提高了實驗的精確度和實驗效率。增加了CCD攝像系統后，傳統的實驗儀器與現代科學技術相結合，增加了實驗的內容，使學生不僅學習了基礎實驗儀器操作，還了解了新型儀器的特點和使用方法。

圖3 CCD系統在衍射光柵實驗顯示效果圖（白燈）（圖中為光譜中的雙黃線 波長值 589.05nm）

圖4　CCD系統在牛頓環實驗顯示效果圖（汞燈）光環清晰易數，計算方便

當然，在實驗過程中也出現了很多問題：CCD系統在不同實驗中應用時，固定CCD系統對于剛接觸的學生比較困難。CCD系統在進行多角度、多方位實時記錄時需要開發出一款可以同時操作多個CCD攝像系統的軟件（目前只能通過后期的制作，做到實時畫面的顯示）。在數據記錄中，由于畫質延遲的問題會導致讀數上不清晰的問題（我們在實驗中采用讀數時靜止1～2秒進行讀數的方式進行讀數），今后可以在捕捉動態圖或者在CCD對動態圖的處理上多做改進。操作CCD系統進行實驗需要有扎實的實驗操作能力與計算機應用能力，需要把計算機、實驗儀器、CCD系統同時進行操作。

5　　結束語

CCD技術還可以用在其他物理實驗教學中，例如密立根油滴實驗、一些低照度實驗、x射線實驗、布朗運動實驗、光譜分析實驗等等也都可應用此技術。將CCD攝像系統與計算機連接用于物理實驗，能有效地提高物理教學質量。隨著CCD技術的成熟，我們相信，CCD的結構將更加簡單，性能將進一步改善。今后，其在物理實驗中將會有更加廣泛的應用。

參考文獻：

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中圖分類號：O4-33文獻識別碼：A

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.06.024

收稿日期：2016-4-10

作者簡介：尚錦康（1995-），男，漢族，陜西渭南人，大學本科在讀，主要研究方向：電子信息工程。