高精度光电测量仪器的性能评估与提升技术研究

高精度光电测量仪器的性能评估与提升技术研究

王健

杭州志达光电有限公司

摘要：随着科技的飞速发展，高精度光电测量仪器在众多领域，如自动化生产、机器人导航、三维成像等方面，发挥着越来越重要的作用。我国在高精度光电测量仪器的研发和制造上仍存在一定的差距，本文旨在探讨高精度光电测量仪器的性能评估方法以及提升其性能的关键技术。

关键词：高精度、光电、测量仪器、性能、技术

一、引言

高精度光电测量仪器是工业制造与科学探索领域不可或缺的得力助手，其精湛的性能，直接关系到我们获取的测量数据精准和是否值得信赖。在当今这个信息化、智能化的时代，数据的准确性是科学决策、精准操作的前提和基础[1]。无论是在精密机械的制造过程中，还是在微观世界的科学探索里，它们都扮演着举足轻重的角色。如果仪器的性能出现偏差，哪怕是微小的失误，都会引发连锁反应，导致整个研究或生产流程的失败。我们不能只满足于仪器现有的性能水平，而应该秉持着精益求精的态度，对其性能进行全面的评估，这是对仪器各项技术指标的简单考核，更是对仪器潜能的深入挖掘，我们如果能够及时发现仪器存在的问题和不足，就能够为后续的性能提升指明方向。

二、高精度光电测量仪器性能评估

2.1电性能测试

电性能测试的重要性深植于电学参数与仪器工作状态，及其整体性能之间错综复杂的关联之中。深入的剖析电性能测试中的三大核心参数，输出电流、输出电压以及响应时间，并且详细的探讨它们是如何直观的映射出仪器的工作状态与性能。输出电流是在光电转换过程中诞生的关键参数，其大小与稳定性直接映照出光敏元件，对光信号的响应能力以及仪器的整体运行状况。在测试的纷繁过程中，我们聚焦于输出电流在不同光照条件下的起伏变化，从而深刻洞察其线性度、动态范围以及稳定性等关键特质。输出电压与输出电流如影随形，同样是我们探寻光电测量仪器性能的重要窗口，它精准的反映了仪器的光电转换效率与性能状态,而响应时间是从仪器接收到光信号到产生稳定输出所需的时间参数，更是仪器反应速度与灵敏度的直接体现[2]。

2.2光性能测试

光性能测试是全面评估仪器在接收光信号后的输出表现，测试关注仪器的基本功能，更深入到仪器的每一个关键性能参数，保证仪器在实际应用中能够达到预期的效果。量子效率是光性能测试中的一项重要指标，它描述了光电转换器件将入射光子转换为电子的效率。简单来说就是衡量仪器捕捉到多少光信号，并将其有效转换为电信号的能力。一个量子效率很高的仪器意味着，在弱光环境下，它可以提供可靠的测量数据，从而可以更高效地利用光信号[3]。仪器的灵敏度和信噪比直接受到量子效率的影响。对于弱光信号的侦测至关重要，高量子效率意味着更高的灵敏度和更低的噪音水平。量子效率是在光性能测试中被严格监测和优化的一个关键参数。光谱响应是描述仪器对不同波长光信号响应能力的又一重要光性能测试参数。不同波长的光信号会在不同程度上被吸收、反射或透过光电转换装置而造成输出讯号的改变。光谱响应曲线可以在每个波长下对仪器的响应情况进行直观的显示。能够在较宽的光谱范围内提供一致的测量性能的一种具有平坦广阔光谱响应的仪器。这一点对于应用多种波长光信号的同时检测显得尤为重要。仪器的光谱响应特性将在光性能测试中得到详细的测试，以确保满足特定的应用需要。共同决定仪器测量精度和测量范围的是光性能测试中的量子效率和光谱响应等参数。测量精度是指在对同一光信号进行多次测量时，仪器仪表的一致性和输出结果的精确性。

2.3环境适应性测试

由于光电测量仪器常需要在各种环境条件下工作，温度、湿度、震动等因素对仪器性能的影响。光电测量仪器在各种环境条件下的工作稳定性至关重要，环境适应性测试成为了评估这类仪器性能的关键环节。环境适应性测试主要考察仪器在不同温度、湿度和震动等环境因素下的性能表现，来保证它在各种实际应用场景中都能提供可靠和准确的测量结果。温度是影响光电测量仪器性能的主要因素之一，随着温度的变化，仪器内部的电子元件和光学元件的物理特性可能会发生变化，导致测量精度和稳定性受到影响。例如，温度变化可能会引起二极管和晶体管的伏安特性改变，进而影响仪器的整体性能[4]。在环境适应性测试中，需要对仪器在不同温度条件下的性能进行全面评估，来确定其正常工作的温度范围。湿度是另一个重要的环境因素，对光电测量仪器的性能也有显著影响。过高的湿度可能导致仪器内部结露，引发电路故障或腐蚀，而过低的湿度则可能导致静电增加，对电子设备造成损害。在环境适应性测试中，需要对仪器在不同湿度条件下的性能进行考察，以确保其能够在各种湿度环境下正常工作。震动也会导致仪器内部零部件发生位移或变形，从而增大测量偏差，降低测量精度。

三、高精度光电测量仪器性能提升技术

3.1光源优化

为了保证光源持续稳定地工作，需要进一步重视其驱动电路和散热系统的优化，选择稳定且强度均匀的光源是提高光电测量仪器性能的关键。在驱动电路方面，确保电流输出精确性和稳定性的高精度电压参考源和电流电路的采用是必不可少的。优质的电解电容以及冶金膜电容的导入，能够有效的加强电压的滤波效果，从而更加平滑稳定的输出电流。同样可以明显降低温度对电流漂移的影响，进而提升LED灯具的发光稳定性的，还有利用双极性晶体管或场效管构建的电流调整器

[5]。高效的PWM调制技术也可以应用在进一步提高驱动电路效率上，在提高转换效率的同时，还可以实现流畅的输出电流。将输出端所需的限流电阻尽可能地减小，就能减少不必要的耗电量，使整个驱动电路的工作效率得到提高。在保证输出电流上升和下降时间相等的情况下，合理地选择输出端电感，减少高频振荡和电磁干扰的产生，也是十分重要的。在散热系统上，需要优先选用铜、铝等金属等具有优良导热性能的材料，这样才能使散热效率更高。

3.2光学器件精选

光学器件的性能直接影响到光电测量仪器的测量精度。选用高精度、低畸变的光学器件，如优质透镜、棱镜等，是提高仪器性能的有效途径。在选用光学器件之前，先需要了解其基本性能参数，如透镜的焦距、分辨率、畸变系数等，以及棱镜的折射率、色散率等，这些参数直接关系到光学器件的成像质量和光信号传输的准确性。市场上存在众多光学器件品牌，但质量良莠不齐[6]。为了保证选用到高精度、低畸变的光学器件，应优先选择知名品牌的高质量产品，这些品牌通常拥有能够确保产品性能稳定可靠的严格生产流程和质量控制体系。在选择光学器件时，为了考核其性能，可以进行实际的检验和比较。例如，通过观察透镜成像的清晰度、畸变程度等指标来判断其质量优劣的标准光源和测试图案，以及通过测量其折射角和色散状况对棱镜性能的评估，都可以使用标准的光源和测试图案。光学器件在光电测量仪器中常需互相协作使用。它们之间的匹配性和兼容性也是在选择时需要考虑的，比如在特定环境下，不同材质的镜片和棱镜，其性能表现可能会有所不同，因此选择最适合的组合还需要结合实际的应用场景。

3.3检测器技术改进

检测器是光电测量仪器的主要部件，对仪器的测量精度和速度具有决定性影响。为了提升这些关键性能指标，可以采取多种策略，包括引入新型检测器材料和改进检测器结构。新型材料的运用能够明显的提升检测器的性能，例如石墨烯凭借其高导电性、高透明性以及可调的能带结构，成为了制备光电检测器的理想选择。利用石墨烯制作的检测器展现出高灵敏度、快速响应以及低噪声特性[7]。量子点材料它的卓越的发光性能和可调的发光波长，使光电检测器在响应特定波长光线时能力大幅增强，提高了检测器的灵敏度和选择性。可以通过改进检测器的结构，来进一步优化检测器的性能，包括调整光电转换层的结构和组成，来提高对入射光子的吸收和转换效率。采用多层结构或者是引入掺杂元素，都是优化光电转换层的高效方法，除此之外减小检测器的尺寸也是一个重要的方向，能够缩短载流子在器件内的传输距离，加快响应速度，而且小尺寸器件通常具有更低的暗电流和噪声水平，有利于信噪比的提升。还需要优化电极结构，降低接触电阻和串联电阻，来增强检测器的电流输出和响应速度，例如叉指电极或梳状电极等高效电极结构的设计就能够实现这个目标。也可以通过引入一些辅助措施，如前置放大器和冷却装置，来进一步提高检测器的性能。前置放大器能够放大微弱信号，提高信噪比和测量精度，同时还能降低检测器的输出阻抗，增强其抗干扰能力。

3.4信号处理技术优化

提高仪器测量的精确度稳定性对信号处理技术具有十分关键的作用，提高信噪比抗干扰能力可以通过先进的数字信号处理方式得到显著改善。数字信号处理技术的应用能够对采集到的信号进行实时处理。数字滤波器是消除噪声干扰信号的关键手段，在光电测量仪器中应用能够提高信噪比。数字滤波器以其灵活性和精确性著称，可根据信号和噪声的特性进行精确滤波，在精心选择滤波器类型和参数设置的情况下。既能在保留有用信号的同时，又能有效地抑制噪声和干扰信号，从而在提高信号质量的同时。使仪器测量的精确性和稳定性得到更好的发挥。放大技术在信号处理中占有举足轻重的地位，它能使有用信号的幅度得以增强，进而提高信号的抗干扰能力，在光电测量仪器中是采用高性能放大器对微弱信号进行放大处理的一种常用手段。必须根据信号的特点及放大的需要，选择适当的放大器。这样可以保证放大后的信号具有足够的信噪比和动态范围，才能满足应用的需要。

四、结论

总而言之，本文通过对高精度光电测量仪器的性能评估和提升技术进行深入探讨，揭示了提高仪器性能的关键途径。未来，随着新材料、新技术的不断涌现，相信高精度光电测量仪器的性能将得到进一步提升，为现代工业生产和科学研究提供更为强大的支持。

参考文献：

[1]高精度三维轮廓测量系统.陕西省,西安交通大学,2002-01-01.

[2]张永,庄益夫,刘宏杰.基于浮标平台的出水高速目标初段轨迹近距离光电测量方法[J].电光与控制,2022,29(11):102-105.

[3]吕佳昊.军用线缆偏心壁厚光电测量技术研究[D].沈阳理工大学,2022.DOI:10.27323/d.cnki.gsgyc.2022.000316.

[4]常景娜.光电测量仪器测速误差分析及提高精度方法研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2015.

[5]郑文刚,孙刚,申长军,等.可见-近红外作物氮素光电测量仪开发[J].农业工程学报,2010,26(03):178-182.

[6]李倩,刘阳,宋立,等.LED照明产品光电测量的最新国际标准进展[C]//中国照明学会.2019年中国照明论坛——半导体照明创新应用暨智慧照明发展论坛论文集.杭州远方光电信息股份有限公司;,2019:10.

[7]胡庆磊,李忠.潜望式光电仪器轴系误差的精确数学模型及计算[J].光学与光电技术,2013,11(01):60-62.