计算机—光电系统在光学实验中的应用

摘要：光学属于物理研究重要内容，通过光学实验方便于深入研究物理相关理论，促进物理学的全面发展，因此确保光学实验质量对于促进物理理论进一步研究与发展具有重要意义。本文从计算机—光电系统在光学实验中的应用分析，希望可以起到一定借鉴意义。

关键词：光学;计算机;光电;系统;实验

光电系统主要指对光学信息进行控制与处理系统，是一种接受、分析、变换、处理所获光电信息由众多光电装置组成的处理系统。光电系统可以将接收到光辐射转化为电信号，以实现某种实际应用目的。将光电系统与计算机联合，可以通过相应计算机技术实现光电系统智能化控制，为智能化控制系统应用提供便利。实际光学实验中计算机—光电系统应用主要包括智能化控制系统应用与光电检测装置应用两种形式，不同光电系统应用存在一定不同。下文笔者会结合两种不同应用方式进行详细分析。

1.光电检测装置在光学实验中的应用

1.1光学实验中光电检测装置应用及选择原则

光电检测装置顾名思义主要指可以检测光电装置仪器，可以为实验提供必要设备，属于光学实验过程中必不可少实验器材之一。随着光学实验要求不断提升，传统光电仪器逐渐无法满足实际实验需要，因此根据光学实验需要选择相适宜光电检测仪器十分重要[1]。相关光学实验人员为了确保自己所选择光电检测装置符合实际实验需要，一般会参照以下原则对光电检测装置进行选择。首先，考量光电检测装置是否可以保障实验完整。整个光学实验中，光电接收器件既是实验光学系统前级光信息转换和输出设备，又是电子检测系统后边的设备，对于整个光学实验完整度影响很大。在光电检测装置完整度考量上，主要考量装置信息记录（光学能量）是否限制入射光线能谱与信息记录（光学能量）是否符合光学实验中频谱（光线）要求两方面。其次，对光电检测装置电路进行检测。相关光学实验在光电检测装置选择上会对光电检测装置电路进行检测，以确保电路正常可以满足光学实验需要。一般光电检测电路光输入电路、前置放大器、电检测器件组成。电信号放大器与光电器件中间主要依靠输入电路连接，输入电路还可以完成放大器电路匹配前置功能。

1.2光学实验中光电检测装置选择方案

相关光学实验人员会根据实际光学实验需要，按照相关实验装置选择原则选择相应光电检测设备。（1）光能量匹配与光电转换特性选择。光学实验人员会根据光电检测器件入射光能量匹配与光电转换特性进行实验器件选择，确保器件相关性能可以满足实验需要，提升光学实验质量。根据实验不同需求选择相应性能的光电装置，光学实验人员为了确保信噪比裕度符合光学实验需要，会对光电检测器件探测率进行考量;为了保障实验过程中电信号输出足够，需要对光电检测器件灵敏度进行考量;为了获得不错线性检测结果，需要确保电检测器件线性范围涵盖入射通量变化中心;为了确保频率无失真，需要保障电检测器件调制形式良好与光学实验匹配等。（2）光谱特性选择。光学实验测试人员需要根据实验需求选择光谱特性符合实验光电检测器件。实验人员根据光学实验前级与后期对光电检测装置需求不同，分别进行分析。由于光学系统前级包含各种光源和光学介质，出于提升光学信号能量利用率，要求相应光电检测装置具备辐射源辐射度（光谱）分布、透过率（光谱）分布、灵敏度（光谱）分布相覆盖特征，故光学实验相关人员假定实验中在众多复合光通量（光谱分量）Φ（λ）作用下，复合输出（探测器）I（λ），则对电检测器件光谱分布范围要求可以按照如下公式进行核算。

式中光电探测器灵敏度（波长）用S1（λ）表示。

在此基础上出于对光学系统前级与光电檢测器件之间可能出现滤波片增加等情况，对相应光谱性能选择范围进一步优化，以便于真正选择适合光学实验需要光电检测器件。优化后光电检测器件选择光谱性能范围计算公式如下：

式中滤波片等器件衰减特性用Tx表示。

光学实验中，除了通过利用公式对光电检测器光谱范围进行判断之外，还会根据常用光电接受器件提供的光谱特性参考数据进行快速选择。

2.光学实验中计算机—光电智能化控制系统应用

2.1计算机—光电智能化控制系统设计

光学实验人员可以根据多种光学实验需要设计相应计算机—光电智能化控制系统，提升光学实验全程自动化水平，促进光学实验有序推进。光学实验人员以计算机为核心仪器，利用自动化程序对光学实验进行控制，提升光学实验效率与质量。计算机—光电智能化控制系统设计中实验人员可以将计算机与光学实验所需要相关设备与仪器通过USB口、串口、标准接口等数据采集口与线路进行相连，并借助计算机LabWindows或LabView等软件编写好相应光学实验仪器控制软件与界面，实现对软件控制[2]。光学实验人员还可以根据光学实验需要，设计相应集成化比较高、成本比较低的嵌入式光学实验控制系统，实现对NEWPORT 运动平台、NEWPORT功率、快门等集成化控制，全面提升光学实验控制水平与质量。

2.2计算机—光电智能化控制系统应用——以LED色光实验系统为例

LED色光实验系统主要由VI模块、计算机、USB接口等器件组成，采用LED驱动电路及AT89C52单片机。单片机参数为22.1184MHz晶振频率，使用PDIUSBDl2通用USB接口，实现对计算机与单片机之间连接。用户可以在计算机相应软件界面输入RGB颜色三分量值，之后通过单片机对接受到信息进行处理，并输出相应占空比可调的方波，以PWM方式控制输出电压有效值，使得LED发出不同亮度红绿蓝光，同时在混色屏上是三种分量值形成色光。待混色屏颜色显示后，彩色CCD摄像头通过对混合屏进行抓拍获得相应RGB值，并计算出当前光环境下混色照片的分量差值。该系统可以实现主观颜色、频闪光源（变色）周期图案、颜色匹配等光学实验。以主观颜色光学实验为例，实验人员在进行主观颜色实验时，以本哈姆圆盘为例，在8 r/s低速旋转非频闪环境光照射下，人可以看到彩色线条，推测产生该现象主要原因是无外界颜色对人进行刺激时，人眼感受机制（视觉系统）被激活，产生一定颜色感觉，而这种颜色并非真实存在而是主观颜色的弱彩色现象。关于产生这一现象产生原因众说纷纭，实验人员便可以利用LED色光实验系统通过调整转速，利用CCD彩色拍摄转盘快照，与通过肉眼观察结果进行比对分析，为主观颜色研究提供大量信息数据支持[3]。

结语

综上所述，计算机-光电系统在光学实验中的应用可以为推动光学实验发展提供必要支持，通过多种计算机-光电系统还可以提升光学实验效率，提升光学实验质量。实验人员可以根据实验具体情况适当选择光电检测装置或者计算机—光电智能化控制系统方式，全面推动光学研究顺利开展。

参考文献

[1]林贻翔. 神经网络非线性智能控制在光电跟踪系统中的应用[J]. 光学精密工程， 2018， 26（12）：82-88.

[2]张晓， 耿滔. 基于计算全息的圆对称艾里光束的产生[J]. 光学仪器， 2018， 40（05）：26-30.

[3]朱天赟， 郑继红， 孙刘杰. 基于图像拼接的高通量数字PCR荧光基因芯片读取系统的设计[J]. 光学技术， 2019， 045（001）：107-111.

作者简介：陈朝阳（1996-）男，汉族，本科，籍贯：福建，研究方向：光电科学与技术。