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gangzi0801

2023-06-13 10:20

基于Matlab圖像處理的光學(xué)干涉實驗測量研究

摘要：文章基于 Matlab 軟件及圖像處理技術(shù)，編寫了簡明且易于操作的 GUIDE 交互界面，對光學(xué)實驗中靜態(tài)實驗測量和動態(tài)實驗測量情況下拍攝的干涉條紋圖樣，分別進(jìn)行計算處理并完成實驗測量目標(biāo)。圖像處理程序采用了高斯模糊、二值化等方法凸顯重要信息，利用算法構(gòu)建表面三維圖亦或?qū)崿F(xiàn)條紋移動特征的探測、建立三維模型，精確計算出相應(yīng)實驗結(jié)果。此方法適用于各種復(fù)雜的實驗測量情景，為光學(xué)干涉實驗測量實驗教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計提供了一種可視化的思路。

關(guān)鍵詞：光學(xué)；干涉；Matlab；GUI；圖像處理；圖像測量

光的干涉現(xiàn)象廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域中，其中，根據(jù)光的特性實現(xiàn)物理參量精確測量的案例數(shù)不勝數(shù)。基礎(chǔ)物理實驗作為本科生實驗教學(xué)的入門課程，涵蓋了數(shù)個利用光學(xué)干涉現(xiàn)象對距離、位移、角度進(jìn)行測量的實驗，這些光學(xué)實驗可按照實驗測量過程劃分為靜態(tài)實驗與動態(tài)實驗。靜態(tài)實驗中，測量過程中光路、樣品均不發(fā)生改變，通過測量光強(qiáng)的分布得到相關(guān)物理參數(shù)；動態(tài)實驗中，當(dāng)光路、樣品發(fā)生變化時，測量光強(qiáng)等參數(shù)的變化的趨勢，并研究相關(guān)物理量。

基礎(chǔ)物理光學(xué)類實驗中，斜劈空隙夾角的測量與牛頓環(huán)曲率的測量作為典型的靜態(tài)實驗，傳統(tǒng)的測量方法頗為繁瑣且僅記錄了一個維度上的數(shù)據(jù)信息，處理數(shù)據(jù)時利用的逐差算法又降低了數(shù)據(jù)的利用率，造成有效信息的浪費(fèi)[1]。目前已有研究小組使用 Matlab 軟件對 CMOS 拍攝的干涉圖樣進(jìn)行處理，取得了較高精度的實驗結(jié)果[1-6,8]。本文基于 Matlab 平臺，結(jié)合圖像處理與數(shù)值運(yùn)算方法根據(jù)二維圖像構(gòu)建出表面三維圖，實現(xiàn)樣品參數(shù)的精確測量。動態(tài)實驗亦在大學(xué)物理實驗中占有重要地位，本文以壓電陶瓷電壓相位曲線測量和等傾干涉干涉條紋三維模型構(gòu)建作為示例，展示了圖像處理與數(shù)字運(yùn)算方法在動態(tài)實驗測量中的極大應(yīng)用前景。

1 靜態(tài)實驗測量

在光學(xué)干涉測量實驗過程中，實驗者測量樣品的干涉圖樣并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出相關(guān)結(jié)果，光路在測量的過程中未經(jīng)調(diào)整，此即靜態(tài)實驗測量，典型的樣例有測定牛頓環(huán)的曲率半徑。傳統(tǒng)的測量方法通過測量干涉條紋的寬度半徑等幾何參數(shù)來計算出某結(jié)構(gòu)（如空氣薄膜）表面的梯度與曲率半徑，但該方法僅僅適用于厚度分布規(guī)律的樣品，且僅利用了一個維度（一條直線）上的數(shù)據(jù)信息。相比之下，采用 CMOS 拍攝完整的干涉圖像并進(jìn)行處理的方案更具優(yōu)越性，處理過程中利用信息量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法。憑借計算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力，Matlab 與 GUIDE 人機(jī)交互程序可批量處理圖像數(shù)據(jù)，運(yùn)用干涉條紋計算能夠提取出復(fù)雜樣品表面的梯度、曲率信息。

1.1 圖像處理及數(shù)據(jù)計算方案

高像素密度的 CMOS 相機(jī)結(jié)合優(yōu)良的成像系統(tǒng)能以高分辨率記錄干涉條紋信息。通過處理圖像定位到亮紋或暗紋的骨骼線，計算機(jī)根據(jù)骨骼線進(jìn)行插值運(yùn)算構(gòu)建出包含樣品厚度信息的表面三維圖，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理及數(shù)學(xué)運(yùn)算。若均勻樣品的光學(xué)面分別為平面與曲面，則樣品的厚度分布將直接反映樣品曲面的形狀，進(jìn)一步運(yùn)算便可得出樣品表面各點(diǎn)的梯度與曲率信息。