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CCD技术在光学课程中的模拟应用
作者：沈怡超 董璐
来源：《数字技术与应用》2013年第07期
摘要：在光学教学领域中，CCD技术能有着广阔的应用前景，在推行教育数字化的形势下，利用CCD与计算机技术在光学中进行施压优化，提高观察与计算效率，是一种辅助教学的新方法。本文以光的衍射、干涉、光谱、莫尔条纹为例，阐述在教学中如何利用和实现CCD技术，展现了教学数字化的应用方向。 关键词：CCD技术 光学实验 教学数字化
中图分类号：TN386 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）07-0088-01
CCD是一种电荷耦合元件，亦称为CCD图像传感器，可将光学影像转化为数字信号，在将影像转换为数字信号后输入到计算机中，可进行数字处理，得到实验所需的数据。在获取图像像素数据时，一般采用先选取图像一端Y方向上各点的point值，再将Y轴向另一端推移，可得到图像所有像素的point值，进而进行处理。以下将列举几种光学实验的例子，进一步阐述其应用方法。 1 光学实验举例
1.1 光的衍射实验（以圆孔衍射为例）
在普通物理实验中，用CCD视频装置代替刻度板和光屏，在排除杂光干扰的情况下，调整好CCD的位置，可以在计算机视频中可到圆孔衍射的图像。在圆孔的夫琅合费衍射中，假设圆孔半径为0.1mm，透镜L2与CCD视频装置的合焦距f=50cm，所用单色光波长为589.3nm，则可得衍射图样中艾里斑的半径大小为1.5cm左右，远远大于CCD摄像装置的分辨距离。通过调节CCD的焦距可使图案达到最清晰。
处理图案像素时，可得到图案中的每一个像素point值。具体处理方法为：For x = 1 To Picture1.ScaleWidth
For y = 1 To Picture1.ScaleHeight
c = c & strRGB（Picture1.Point（x - 1， y - 1））
如果直接用point值进行作图，可能会因为point值过大造成图像出错，此时可将point值进一步进行处理，转化为图像RGB值。 Dim r As Integer， g As Integer， b As Integer
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r = （color And &HFF） Mod 256
g = （（color And &HFF00） ＼ &H100） Mod 256 b = （（color And &HFF0000） ＼ &H10000） Mod 256 strRGB = \（\，\，\）\
得到图像各点的RGB之后，重新计算各点的光强度值，记作Y，此时Y的值在较小数值范围内，容易作图与控制
Y=0.212671*R+0.715160*G+0.072169*B
在图像中做横纵坐标，其中横坐标为衍射图像中经过艾里斑圆心的水平轴的坐标，纵坐标是此坐标上各点的Y值。 可得到类似图1的结果：
两图为改变孔径大小所得到的结果不同。
在具体的计算时，需要将真实的艾里斑大小进行定标。可以通过下述方法解决，在原有光路上用2mm狭缝代替圆孔，保持CCD位置不变，此时可得到2mm狭缝像所对应的像素X，根据透镜成像原理，狭缝像的宽度L=狭缝的物距/狭缝的像距。则CCD图像上2mm所对应的长度为X/L.利用此原理定标可得图像中所有距离的实际长度。 1.2 光的干涉实验（以牛顿环为例）
在光的干涉中，牛顿环实验是典型实验，在现有的实验过程中，一般用读数显微镜进行数据记录，人眼读数过程中将产生较大误差，且十分繁琐。将CCD安装在原来的读数显微镜上，并将图像传入进计算机处理，将提高效率和准确率。 牛顿环干涉实验基本光路图如图2所示。
可用1.1中结尾处定标的方法对固定位置的CCD图像进行定标。得到图像后通过自编软件确定各级干涉亮环的半径大小，通过公式进行计算可得牛顿环半径。通过此方法可大大提高计算速率与准确度。 1.3 莫尔条纹与光谱
莫尔条纹：同上述实验，在光源后加两片相交的光栅或丝网，在光栅或者丝网后添加一CCD装置，通过自编软件可得相对运动时的物理量等内容。光谱：将少量光线通过狭缝后经过棱镜或者光栅分光，可得到该光线的光谱，在一定角度设置一CCD装置，固定好所有器件
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的角度，进行不透光密封处理，再连接如计算机进行定标作图等处理，就可得小型简易光谱仪。 2 总结
2.1 CCD光学教学的整合
可以通过以下两种途径使CCD光学教学系统更加完备：1、通过位置固定和标准大小配置，使CCD装置在各个子实验中装拆方便。2、通过在计算机中建立同一界面，使数据处理部分集中，便于教学。
2.2 CCD光学教学应用前景
通过CCD技术，配以必要的软件工具，可以完成教学中难以展示或者耗时较久的光学测试实验。在某种程度上将复杂、抽象的光学知识变得形象直观。例如，在无法大量开设实验课的情况下，通过CCD光学教学演示可使学生在短时间内都能直接观察到真实的实验结果。再如，在更需要了解原理和计算过程的光学实验中，能大量建设繁琐的观察、调试、数据记录过程，方便进入数据处理阶段。在光学教学中，此技术有一定的应用前景，是一个值得探讨、研究的方向。 参考文献
[1]沈元华，陆申龙.基础物理实验[M].北京：高等教育出版社，2003，230～234. [2]贺莉蓉，俞嘉隆.用CCD成像系统观测投射式牛顿环[J].物理实验，2005年6月.