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基于Matlab的双棱镜干涉图像处理研究余小英;李凡生【摘要】以Matlab语言为基础,运用图像处理技术处理双棱镜干涉图像,较好地解决了实验中直边衍射带来的影响,得到单像素的干涉条纹,实现干涉条纹中心的精确定位和干涉条纹间距的精确测量.【期刊名称】《物理实验》【年(卷),期】2010(030)005【总页数】4页(P28-31)【关键词】双棱镜干涉;干涉条纹;Matlab;图像处理【作者】余小英;李凡生【作者单位】广西民族师范学院,物理与信息技术系,广西,崇左,532200;广西民族师范学院,物理与信息技术系,广西,崇左,532200【正文语种】中文【中图分类】O436.1;O4-391 引言传统的双棱镜干涉实验测量方法中存在干涉条纹中心难以精确定位以及容易引入回程误差等问题.针对该问题,可借助于计算机的图像处理能力,实现干涉条纹中心的精确定位,避免引入回程误差,提高测量精度.而Matlab软件工具几乎包括了所有经典的图像处理方法,具有很强的可靠性和开放性,使用者无需编写大量的代码就可以直接使用.2 双棱镜干涉原理双棱镜干涉实验是经典的光学实验之一,运用其测量原理,可测量光波波长[1]、透明介质折射率等物理量.在双棱镜干涉实验中,各物理量之间关系为:其中λ是光源的波长,Δx是干涉条纹的间距,D是虚光源(狭缝)至观察处之距离,d1和d2为两虚光源通过凸透镜二次成像在测微目镜分划板上间距.在传统测量方法中,d1,d2和Δx通过测微目镜测量求出,依靠人眼确定干涉条纹的中心,不但精度较低,而且很容易引入回程误差.这一问题可以用图像处理技术加以解决.3 干涉条纹的处理3.1 图像增强从理论上来说,干涉明条纹和干涉暗条纹的宽度应该是一样的.要测量出相邻的干涉条纹间距,可选择干涉明条纹或者干涉暗条纹来作为测量对象,二者并无差别.但从拍摄的干涉图(如图1)可以看出,干涉暗条纹的宽度比干涉明条纹的宽度小,这是由人眼的视觉特性所造成的.更为重要的是,测微目镜分划板上的刻度和叉丝在图片上也是黑色的.因此,如图2所示,笔者选择暗条纹作为研究对象,经过取反后图像的细节部分(分划板上的刻度)得到增强,图片上的刻度和暗条纹都变成白色,这对后面的细化处理有利.实现图像求反的Matlab语言为imcomplement.图1 干涉条纹原图图2 求反后的灰度图3.2 图像平滑图像中噪声比较多,特别是背景不均匀所造成的噪声,必须加以抑制.滤波是平滑噪声的主要技术手段之一,常见的滤波方法有中值滤波、高通滤波、巴特沃思频域低通滤波[2]、旋滤波算法[3],一般采用平均值法和中值滤波法.均值和中值滤波都能比较好保持轮廓的清晰,但去除噪声的效果欠佳,保留了用不到的叉丝(见图3～4).这给后续图像处理工作带来不便.图3 均值滤波模板效果图图4 中值滤波效果为了能够在去除噪声的同时去除叉丝,而较好地保留刻度线.笔者采取形态滤波器[4-5]对求反后的灰度图进行数学形态学的形态滤波处理.数学形态学的基本思想就是使用具有一定形态的结构元素来度量和提取图像中的对应形状.因为双棱镜干涉图片中得到的干涉条纹和用于定标用的刻度都是竖直方向的直线,而叉丝是45°和135°方向.为了消除图像中的噪声和图像处理中用不上的叉丝,采用与水平方向成90°的线状的结构元素对图像进行腐蚀,去噪效果很好.在Matlab语言中实现腐蚀的语言为imerod.图5是用不同大小的线型结构元素对图像进行腐蚀的效果.在本实验中结构元素大小为5时,平滑效果较好.图5 不同大小的线型结构元素对图像进行腐蚀的效果3.3 干涉条纹图的二值化干涉条纹有一定的宽度,要做到条纹中心的精确定位,必须在图像二值化后把干涉条纹细化为单像素的线条.考虑实验要求及本图像具有干涉亮纹与背景灰度值差别显著的特点,且同种条纹的灰度变化比较大的情况,笔者采用了Otsu方法来计算二值化的阈值,Otsu方法是一种基于直方图并利用最大化方差设定阈值的方法,在Matlab语言中可用graythresh函数求出此阈值.用上述方法对干涉条纹图二值化,出现信息丢失的现象(干涉条纹消失或者刻度线消失),如图6(a)所示.经分析发现,造成这一现象的原因是双棱镜干涉中存在着直边衍射,使得干涉条纹的亮度不一致.某一区域的干涉明纹看起来是亮的,但实际上它的灰度值和背景的灰度值几乎是一样的,以致在二值化时很难把它同背景区分.要想解决这一问题,就必须将干涉条纹和背景的对比度增大.因此笔者采用指定区域滤波的方法对图像进行处理,做法是先用Otsu方法来计算阈值,根据二值化效果,找出缺失干涉条纹的区域,然后再对该区域进行区域滤波,增强该区域的对比度,最后再进行二值化处理.在Matlab语言中可以用roipoly和roifilt2函数来实现区域滤波.实验表明,用区域滤波方法处理过的图像,在二值化时能较好解决干涉条纹缺失的问题.当然,这样处理后,也会产生一些多出来的噪声:该条纹旁边出现毛刺现象.这些毛刺可以在细化通过形态学修剪的方法去除,对实验结果影响不大.图6 区域滤波前后对比图3.4 干涉条纹图像的细化处理图像二值化后,黑白条纹均占有一定的宽度.为了能从条纹中提取出条纹中心信息,必须对其进行细化处理.条纹细化过程就是对具有一定宽度的条纹通过连续剥离条纹最外层元素以获得单像素宽度的骨架的过程.细化不但去除一些二值化时产生的离散的噪声点,也是提高条纹位置坐标的判读精度关键的一步.二值图像的细化处理有很多种算法,目前,国内外已提出许多种的图像细化算法,如Hilditch细化算法[6]、数学形态学细化算法[7]、导数二值图细化算法[8]等.在许多文献中,多采用Hilditch 细化算法.笔者根据所处理干涉图条纹的形状、分布情况的不同,对经过区域滤波后的干涉条纹二值图采用二值数学形态学形态修剪处理和形态细化方法进行处理.4 干涉条纹间距及虚光源像间距的测量4.1 定标干涉条纹图样细化后,就可以求取其间距Δx.但是干涉图样经过目镜、CMOS的成像,通过应用软件对图样进行采样,其采样点的坐标为像素.为了真实反映点与点间的长度,必须确定度量单位间的转换关系,即定标.笔者是这样处理:保留测微目镜分划板上的标尺刻度,利用其相邻两刻度间的数值来定标.如果是其他不带标尺的仪器,可以用在同等条件下拍出的标准刻度(如游标卡尺的刻度)来定标.运用Matlab语言进行定标的具体操作方法:1)利用“imhow(xh)”命令显示出细化后的干涉条纹图(“xh”为细化图的名称).2)用pixval命令来显示覆盖在图像上的光标.即在命令行输入“pixval”,此时将鼠标移动到图像上,鼠标由箭头形状变成十字光标.将光标在图像上移动到某一刻度线(如3 mm刻度线),在该图形窗口的下方会显示出光标所在的位置的亮度值为“1”时,按住鼠标左键不放并拖动相邻的刻度线(如4 mm刻度线),光标所在的位置的亮度值也为“1”时,则窗口的下方显示光标初始位置和当前位置的欧几里德距离(如图7所示),此距离就是1 mm宽度所对应的欧几里德距离.图7 细化结果及测量条纹间距的界面图3)定标.设1 mm宽度所对应的欧几里德距离为n,则比例系数k=1/n.4.2 干涉条纹间距和虚光源像间距的测量用pixval命令,采用上述方法再测量出干涉条纹宽度Δx(可测量多根干涉条纹,再求平均)对应的欧几里德距离为m,则Δx=m/n.两虚光源的像间距d1和d2也是根据该公式计算.图像处理技术对双棱镜干涉条纹和虚光源像间距进行细化处理前后得到的数据,如表1～2所示.Er为平均相对误差(与钠光波长的公认值589.3 nm作比较).由表中数据可以看出,相对于传统测量方法,图像处理后的精度有了较大的提高.表1 图像处理技术前的双棱镜干涉实验数据表D/cmd1/mmd2/mmΔx/mmλ/nmEr/%35.500.4150.8830.358610.113.5337.000.2780.9810.432609.473.42 37.500.2201.1550.455611.523.7738.000.1931.2380.478615.114.38表2 图像处理技术后的双棱镜干涉实验数据表D/cmd1/mmd2/mmΔx/mmλ/nmEr/%37.000.3431.6720.284581.281.36 39.300.4061.6810.284597.001.31 44.502.2000.3430.300585.620.625 结束语在双棱镜干涉实验采用图像处理技术处理干涉条纹,可以实现干涉条纹中心的精确定位,无需旋转测微目镜的鼓轮来获取数据,从而避免引入回程误差.具有重复性好,实验精度高的优点.Matlab语言作为第4代计算机语言,很多程序无须自己编写,只需调用简单的命令即可,应用要比C语言、VC++等语言要简单得多.如果学生没有这方面的基础,也可以由比较熟悉这种语言的教师利用Matlab工具箱中的GUIDE工具制作出相应的用户界面,以方便学生使用.同时,这种方法还可以应用于其他光学实验,如牛顿环干涉实验、分光计折射率测定实验等,从而使传统的光学实验更具有现代气息.参考文献:【相关文献】[1] 廖立新,刘生长,米贤武.用双棱镜测激光波长的简单方法[J].物理实验,2007,27(7):34-35.[2] 张爱珍,业宁.基于图像模式识别技术的牛顿环检测[J].物理实验,2003,23(8):33-35.[3] 陈瑞改,陈怀新.干涉条纹中心线提取与细化的新方法[J].激光杂志,2005,26(5):40-41.[4] Shen Tongsheng,Liu Songtao,Zhou Xiaodong.Optimal design of morphological filters based on adaptive immunealgorithm[J].SignalProcessing,2004,(2):1 064-1 067.[5] Jing Xiaojun,Ma Yixia,Qu En.Morphological filter based on geneticlearning[J].Communications and Information Technology,2005,1(12-14):749-752.[6] 崔凤奎,王晓强,张丰收.二值图像细化算法的比较与改进[J].洛阳工学院学报,1997,18(4):45-51.[7] 施启乐,王从军,黄树槐.数学形态学图像细化算法在RE中的应用研究[J].华中科技大学学报(自然科学版),2004,32(7):37-39.[8] 于起峰.光测条纹图处理中免除噪声的正则化条纹法[J].实验力学,1999,14(3):294-301.。
干涉与衍射实验技术的优化方法导言：干涉与衍射实验是光学研究中重要的实验手段，它们能够提供有关光的性质和行为的关键信息。
在这篇文章中，我们将探讨一些优化干涉与衍射实验技术的方法，以帮助研究人员在实验中获得更准确和有意义的结果。
1. 光源的选择与调节在干涉与衍射实验中，光源的选择和调节对实验结果的准确性和稳定性至关重要。
较为常见的光源类型包括白炽灯、激光和LED等，在实验中应根据需要选择合适的光源。
此外，光源的调节也是必要的步骤，可以通过改变光源的亮度、方向和频率等参数来优化实验条件，以获得更好的干涉与衍射效果。
2. 空间滤波技术的应用空间滤波技术是干涉与衍射实验中常用的优化方法之一。
通过在实验光路中引入适当的滤波器，可以减少或改变光的某些频谱成分，从而改善实验结果的清晰度和对比度。
常见的空间滤波器包括准直器、衍射光栅和投影仪等，它们可以用于调节光的波长、方向和强度等参数，从而实现对实验结果的优化。
3. 探测器的选择与校准探测器的选择和校准对干涉与衍射实验结果的准确性和灵敏度有着重要的影响。
在实验中，应根据光的特性选择合适的探测器，例如光电二极管、光电倍增管和像素阵列等。
同时，还需要注意对探测器进行校准，以确保其输出信号与实际光强之间的准确对应关系，从而获得可靠的实验数据。
4. 光路的设计与调整光路的设计和调整是优化干涉与衍射实验的关键步骤。
合理的光路设计可以减少光的损失和干扰，提高实验结果的质量和可重复性。
同时，在实验中应根据需要对光路进行调整，以消除干涉与衍射效应中可能存在的偏差和误差。
常见的光路调整手段包括使用透镜、反射镜和光栅等光学元件，通过调整其位置和角度来实现对光的控制和调节。
5. 数据分析与结果解读干涉与衍射实验结果的准确性和可靠性不仅取决于实验技术本身，还取决于对数据分析和结果解读的能力。
在实验完成后，研究人员应对实验数据进行仔细的分析和处理，以提取有用的信息和结论。
此外，还需要将实验结果与相关理论进行比较和解释，验证实验的可靠性和合理性。
双棱镜干涉4种实验方法的研究与探讨
王明吉;张利巍;王晓莉
【期刊名称】《物理实验》
【年(卷),期】2008(28)4
【摘要】从理论和实验两方面对双棱镜干涉实验常用的4种实验方法进行了分析和比较,指出了各自的优缺点和不同之处,得出了双棱镜干涉测波长的最佳实验方案,并提出了2条提高测量精度的改进意见.
【总页数】4页(P25-27,30)
【作者】王明吉;张利巍;王晓莉
【作者单位】大庆石油学院,电子科学学院,黑龙江,大庆,163318;大庆石油学院,电子科学学院,黑龙江,大庆,163318;大庆石油学院,电子科学学院,黑龙江,大庆,163318【正文语种】中文
【中图分类】O436.1
【相关文献】
1.双棱镜干涉实验中数据的处理方法 [J], 张伦;于建勇;李艳;郭三栋;渠立成
2.菲涅尔双棱镜干涉实验中双棱镜两种放置方法的讨论 [J], 葛松华;唐亚明
3.双棱镜干涉实验中调出干涉条纹的好方法 [J], 方阳
4.双棱镜干涉实验教学探讨 [J], 陈白玮
5.双棱镜干涉实验教学探讨 [J], 段秀铭; 易志军; 于建勇; 渠立成
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多级反光镜光学系统的设计与优化多级反光镜光学系统被广泛应用于航天、机器视觉、医学影像等领域中。
它能够实现高分辨率、高对比度的成像效果，并且具备一定的适应性，能够适应不同环境下的成像要求。
本文将深入探讨多级反光镜光学系统的设计与优化问题。
一、反光镜与光路设计反光镜是多级反光镜光学系统的重要组成部分。
它能够反射由主光路传入的光线，使光线能够沿着不同的光路传播。
因此，反光镜的反射率、表面形态等因素会影响光路中的光线走向，从而影响成像质量。
在反光镜的设计中，需要考虑其材质、反射率、形状和尺寸等因素。
一般来讲，反光镜应该具有较高的反射率，以最大程度地保持光线的亮度。
同时，反光镜的表面形态也需要充分考虑，以减少光线反射过程中产生的光学噪声。
在光路的设计中，则需要考虑光路的传播路径、光路长度以及光路中的光学元件的位置和大小等因素。
通过对这些因素的控制，可以实现更加稳定、高效的成像效果。
二、多级反光镜系统的优化在多级反光镜光学系统的设计中，需要考虑光学元件的数量、形状和大小等因素。
同时，还需要考虑反光镜的反射率和表面形态等因素。
在这些因素的基础之上，我们可以通过优化反光镜的布局和光学元件的尺寸等参数，来实现系统的优化。
其中，反光镜布局的优化是非常重要的。
反光镜的布局需要考虑光线通过反射镜后的传播路径，从而使得光线到达成像平面的过程最为高效和稳定。
同时，反光镜也需要尽可能少，以减少光线在传播过程中的损失。
另外，反光镜与光学元件之间的距离也是影响系统性能的重要方面。
通过优化反光镜与光学元件的尺寸和布局，可以实现更少的反光镜和光学元件的使用情况下，获得更高的成像质量。
三、多级反光镜系统的实际应用多级反光镜光学系统被广泛应用于各种不同的领域中。
在机器视觉领域中，多级反光镜光学系统被用于实现高精度的位置定位和物体识别任务；在医学影像领域中，多级反光镜光学系统能够减少不同组织之间的干涉，从而实现更加清晰和准确的成像效果。
总之，多级反光镜光学系统是一种灵活、高效而且能够适应不同环境的光学设备。
专利名称：一种光干涉望远镜成像系统及其成像方法专利类型：发明专利
发明人：吴小龑,刘国栋,胡流森,李阳龙
申请号：CN202011138158.7
申请日：20201022
公开号：CN112230420B
公开日：
20220624
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种光干涉望远镜成像系统及其成像方法，涉及干涉成像领域，旨在设计一种多光束干涉合成望远镜实现后期获得目标物体的高分辨率图像。
本发明包括光线通过多个子望远镜(1)干涉入射到主镜；主镜传导光线至次镜后改变光线为平行光出射；出射后的平行光汇聚后到CCD相机实时接收。
本发明与传统菲索式合成孔径干涉阵列望远镜相比，获得了较大的视场，获取目标的多模态光学信息，有利于对快速移动目标的捕获、跟踪与识别。
申请人：中国工程物理研究院流体物理研究所
地址：621000 四川省绵阳市绵山路64号
国籍：CN
代理机构：成都行之专利代理事务所(普通合伙)
代理人：李朝虎
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