計算機—光電系統(tǒng)在光學實驗中的應(yīng)用

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

關(guān)鍵詞：光學;計算機;光電;系統(tǒng);實驗

光電系統(tǒng)主要指對光學信息進行控制與處理系統(tǒng)，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(tǒng)。光電系統(tǒng)可以將接收到光輻射轉(zhuǎn)化為電信號，以實現(xiàn)某種實際應(yīng)用目的。將光電系統(tǒng)與計算機聯(lián)合，可以通過相應(yīng)計算機技術(shù)實現(xiàn)光電系統(tǒng)智能化控制，為智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用提供便利。實際光學實驗中計算機—光電系統(tǒng)應(yīng)用主要包括智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用與光電檢測裝置應(yīng)用兩種形式，不同光電系統(tǒng)應(yīng)用存在一定不同。下文筆者會結(jié)合兩種不同應(yīng)用方式進行詳細分析。

1.光電檢測裝置在光學實驗中的應(yīng)用

1.1光學實驗中光電檢測裝置應(yīng)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(shè)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(tǒng)光電儀器逐漸無法滿足實際實驗需要，因此根據(jù)光學實驗需要選擇相適宜光電檢測儀器十分重要[1]。相關(guān)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(tǒng)前級光信息轉(zhuǎn)換和輸出設(shè)備，又是電子檢測系統(tǒng)后邊的設(shè)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(guān)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(guān)光學實驗人員會根據(jù)實際光學實驗需要，按照相關(guān)實驗裝置選擇原則選擇相應(yīng)光電檢測設(shè)備。（1）光能量匹配與光電轉(zhuǎn)換特性選擇。光學實驗人員會根據(jù)光電檢測器件入射光能量匹配與光電轉(zhuǎn)換特性進行實驗器件選擇，確保器件相關(guān)性能可以滿足實驗需要，提升光學實驗質(zhì)量。根據(jù)實驗不同需求選擇相應(yīng)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(jié)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(diào)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(jù)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(jù)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(tǒng)前級包含各種光源和光學介質(zhì)，出于提升光學信號能量利用率，要求相應(yīng)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(guān)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(chǔ)上出于對光學系統(tǒng)前級與光電檢測器件之間可能出現(xiàn)濾波片增加等情況，對相應(yīng)光譜性能選擇范圍進一步優(yōu)化，以便于真正選擇適合光學實驗需要光電檢測器件。優(yōu)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(jù)常用光電接受器件提供的光譜特性參考數(shù)據(jù)進行快速選擇。

2.光學實驗中計算機—光電智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用

2.1計算機—光電智能化控制系統(tǒng)設(shè)計

光學實驗人員可以根據(jù)多種光學實驗需要設(shè)計相應(yīng)計算機—光電智能化控制系統(tǒng)，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?qū)鈱W實驗進行控制，提升光學實驗效率與質(zhì)量。計算機—光電智能化控制系統(tǒng)設(shè)計中實驗人員可以將計算機與光學實驗所需要相關(guān)設(shè)備與儀器通過USB口、串口、標準接口等數(shù)據(jù)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(yīng)光學實驗儀器控制軟件與界面，實現(xiàn)對軟件控制[2]。光學實驗人員還可以根據(jù)光學實驗需要，設(shè)計相應(yīng)集成化比較高、成本比較低的嵌入式光學實驗控制系統(tǒng)，實現(xiàn)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(zhì)量。

2.2計算機—光電智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用——以LED色光實驗系統(tǒng)為例

LED色光實驗系統(tǒng)主要由VI模塊、計算機、USB接口等器件組成，采用LED驅(qū)動電路及AT89C52單片機。單片機參數(shù)為22.1184MHz晶振頻率，使用PDIUSBDl2通用USB接口，實現(xiàn)對計算機與單片機之間連接。用戶可以在計算機相應(yīng)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(yīng)占空比可調(diào)的方波，以PWM方式控制輸出電壓有效值，使得LED發(fā)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(yīng)RGB值，并計算出當前光環(huán)境下混色照片的分量差值。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)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(zhuǎn)非頻閃環(huán)境光照射下，人可以看到彩色線條，推測產(chǎn)生該現(xiàn)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(tǒng)）被激活，產(chǎn)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(xiàn)象。關(guān)于產(chǎn)生這一現(xiàn)象產(chǎn)生原因眾說紛紜，實驗人員便可以利用LED色光實驗系統(tǒng)通過調(diào)整轉(zhuǎn)速，利用CCD彩色拍攝轉(zhuǎn)盤快照，與通過肉眼觀察結(jié)果進行比對分析，為主觀顏色研究提供大量信息數(shù)據(jù)支持[3]。

結(jié)語

綜上所述，計算機-光電系統(tǒng)在光學實驗中的應(yīng)用可以為推動光學實驗發(fā)展提供必要支持，通過多種計算機-光電系統(tǒng)還可以提升光學實驗效率，提升光學實驗質(zhì)量。實驗人員可以根據(jù)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(tǒng)方式，全面推動光學研究順利開展。

參考文獻

[1]林貽翔. 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性智能控制在光電跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)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(chǎn)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(shù)字PCR熒光基因芯片讀取系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 光學技術(shù)， 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(shù)。