計算機—光電系統在光學實驗中的應用

摘要：光學屬于物理研究重要內容，通過光學實驗方便于深入研究物理相關理論，促進物理學的全面發展，因此確保光學實驗質量對于促進物理理論進一步研究與發展具有重要意義。本文從計算機—光電系統在光學實驗中的應用分析，希望可以起到一定借鑒意義。

關鍵詞：光學;計算機;光電;系統;實驗

光電系統主要指對光學信息進行控制與處理系統，是一種接受、分析、變換、處理所獲光電信息由眾多光電裝置組成的處理系統。光電系統可以將接收到光輻射轉化為電信號，以實現某種實際應用目的。將光電系統與計算機聯合，可以通過相應計算機技術實現光電系統智能化控制，為智能化控制系統應用提供便利。實際光學實驗中計算機—光電系統應用主要包括智能化控制系統應用與光電檢測裝置應用兩種形式，不同光電系統應用存在一定不同。下文筆者會結合兩種不同應用方式進行詳細分析。

1.光電檢測裝置在光學實驗中的應用

1.1光學實驗中光電檢測裝置應用及選擇原則

光電檢測裝置顧名思義主要指可以檢測光電裝置儀器，可以為實驗提供必要設備，屬于光學實驗過程中必不可少實驗器材之一。隨著光學實驗要求不斷提升，傳統光電儀器逐漸無法滿足實際實驗需要，因此根據光學實驗需要選擇相適宜光電檢測儀器十分重要[1]。相關光學實驗人員為了確保自己所選擇光電檢測裝置符合實際實驗需要，一般會參照以下原則對光電檢測裝置進行選擇。首先，考量光電檢測裝置是否可以保障實驗完整。整個光學實驗中，光電接收器件既是實驗光學系統前級光信息轉換和輸出設備，又是電子檢測系統后邊的設備，對于整個光學實驗完整度影響很大。在光電檢測裝置完整度考量上，主要考量裝置信息記錄（光學能量）是否限制入射光線能譜與信息記錄（光學能量）是否符合光學實驗中頻譜（光線）要求兩方面。其次，對光電檢測裝置電路進行檢測。相關光學實驗在光電檢測裝置選擇上會對光電檢測裝置電路進行檢測，以確保電路正常可以滿足光學實驗需要。一般光電檢測電路光輸入電路、前置放大器、電檢測器件組成。電信號放大器與光電器件中間主要依靠輸入電路連接，輸入電路還可以完成放大器電路匹配前置功能。

1.2光學實驗中光電檢測裝置選擇方案

相關光學實驗人員會根據實際光學實驗需要，按照相關實驗裝置選擇原則選擇相應光電檢測設備。（1）光能量匹配與光電轉換特性選擇。光學實驗人員會根據光電檢測器件入射光能量匹配與光電轉換特性進行實驗器件選擇，確保器件相關性能可以滿足實驗需要，提升光學實驗質量。根據實驗不同需求選擇相應性能的光電裝置，光學實驗人員為了確保信噪比裕度符合光學實驗需要，會對光電檢測器件探測率進行考量;為了保障實驗過程中電信號輸出足夠，需要對光電檢測器件靈敏度進行考量;為了獲得不錯線性檢測結果，需要確保電檢測器件線性范圍涵蓋入射通量變化中心;為了確保頻率無失真，需要保障電檢測器件調制形式良好與光學實驗匹配等。（2）光譜特性選擇。光學實驗測試人員需要根據實驗需求選擇光譜特性符合實驗光電檢測器件。實驗人員根據光學實驗前級與后期對光電檢測裝置需求不同，分別進行分析。由于光學系統前級包含各種光源和光學介質，出于提升光學信號能量利用率，要求相應光電檢測裝置具備輻射源輻射度（光譜）分布、透過率（光譜）分布、靈敏度（光譜）分布相覆蓋特征，故光學實驗相關人員假定實驗中在眾多復合光通量（光譜分量）Φ（λ）作用下，復合輸出（探測器）I（λ），則對電檢測器件光譜分布范圍要求可以按照如下公式進行核算。

式中光電探測器靈敏度（波長）用S1（λ）表示。

在此基礎上出于對光學系統前級與光電檢測器件之間可能出現濾波片增加等情況，對相應光譜性能選擇范圍進一步優化，以便于真正選擇適合光學實驗需要光電檢測器件。優化后光電檢測器件選擇光譜性能范圍計算公式如下：

式中濾波片等器件衰減特性用Tx表示。

光學實驗中，除了通過利用公式對光電檢測器光譜范圍進行判斷之外，還會根據常用光電接受器件提供的光譜特性參考數據進行快速選擇。

2.光學實驗中計算機—光電智能化控制系統應用

2.1計算機—光電智能化控制系統設計

光學實驗人員可以根據多種光學實驗需要設計相應計算機—光電智能化控制系統，提升光學實驗全程自動化水平，促進光學實驗有序推進。光學實驗人員以計算機為核心儀器，利用自動化程序對光學實驗進行控制，提升光學實驗效率與質量。計算機—光電智能化控制系統設計中實驗人員可以將計算機與光學實驗所需要相關設備與儀器通過USB口、串口、標準接口等數據采集口與線路進行相連，并借助計算機LabWindows或LabView等軟件編寫好相應光學實驗儀器控制軟件與界面，實現對軟件控制[2]。光學實驗人員還可以根據光學實驗需要，設計相應集成化比較高、成本比較低的嵌入式光學實驗控制系統，實現對NEWPORT 運動平臺、NEWPORT功率、快門等集成化控制，全面提升光學實驗控制水平與質量。

2.2計算機—光電智能化控制系統應用——以LED色光實驗系統為例

LED色光實驗系統主要由VI模塊、計算機、USB接口等器件組成，采用LED驅動電路及AT89C52單片機。單片機參數為22.1184MHz晶振頻率，使用PDIUSBDl2通用USB接口，實現對計算機與單片機之間連接。用戶可以在計算機相應軟件界面輸入RGB顏色三分量值，之后通過單片機對接受到信息進行處理，并輸出相應占空比可調的方波，以PWM方式控制輸出電壓有效值，使得LED發出不同亮度紅綠藍光，同時在混色屏上是三種分量值形成色光。待混色屏顏色顯示后，彩色CCD攝像頭通過對混合屏進行抓拍獲得相應RGB值，并計算出當前光環境下混色照片的分量差值。該系統可以實現主觀顏色、頻閃光源（變色）周期圖案、顏色匹配等光學實驗。以主觀顏色光學實驗為例，實驗人員在進行主觀顏色實驗時，以本哈姆圓盤為例，在8 r/s低速旋轉非頻閃環境光照射下，人可以看到彩色線條，推測產生該現象主要原因是無外界顏色對人進行刺激時，人眼感受機制（視覺系統）被激活，產生一定顏色感覺，而這種顏色并非真實存在而是主觀顏色的弱彩色現象。關于產生這一現象產生原因眾說紛紜，實驗人員便可以利用LED色光實驗系統通過調整轉速，利用CCD彩色拍攝轉盤快照，與通過肉眼觀察結果進行比對分析，為主觀顏色研究提供大量信息數據支持[3]。

結語

綜上所述，計算機-光電系統在光學實驗中的應用可以為推動光學實驗發展提供必要支持，通過多種計算機-光電系統還可以提升光學實驗效率，提升光學實驗質量。實驗人員可以根據實驗具體情況適當選擇光電檢測裝置或者計算機—光電智能化控制系統方式，全面推動光學研究順利開展。

參考文獻

[1]林貽翔. 神經網絡非線性智能控制在光電跟蹤系統中的應用[J]. 光學精密工程， 2018， 26（12）：82-88.

[2]張曉， 耿滔. 基于計算全息的圓對稱艾里光束的產生[J]. 光學儀器， 2018， 40（05）：26-30.

[3]朱天赟， 鄭繼紅， 孫劉杰. 基于圖像拼接的高通量數字PCR熒光基因芯片讀取系統的設計[J]. 光學技術， 2019， 045（001）：107-111.

作者簡介：陳朝陽（1996-）男，漢族，本科，籍貫：福建，研究方向：光電科學與技術。