基于平面波導(dǎo)傳感器的強約束型微納光子結(jié)構(gòu)成像教學(xué)系統(tǒng)

劉冬冬 王繼成

摘要：為解決基于電學(xué)圖像傳感器的成像教學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號傳輸速率較低，影響成像速度的問題，設(shè)計基于平面波導(dǎo)傳感器的強約束型微納光子結(jié)構(gòu)成像教學(xué)系統(tǒng)。通過光學(xué)鏡頭和平面波導(dǎo)傳感器采集、轉(zhuǎn)換光信號，平面波導(dǎo)傳感器采用衰逝波實現(xiàn)光纖傳感，提升數(shù)據(jù)傳輸速度。將數(shù)據(jù)流傳輸?shù)紽PGA開發(fā)平臺中實施轉(zhuǎn)換。經(jīng)過實驗分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)圖像分辨率和圖像清晰度平均值分別是251.80 PPI和99.81%，最長成像時間為5.92 ms，均顯著優(yōu)于對比系統(tǒng)，說明該系統(tǒng)成像清晰度高、抗干擾性能優(yōu)。

關(guān)鍵詞：強約束型;成像教學(xué)系統(tǒng);光信號采集;平面波導(dǎo)傳感器;系統(tǒng)設(shè)計;實驗分析

中圖分類號：TN212-34

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0063 -04

0 引言

當(dāng)前深化教育改革、推進素質(zhì)教育的有效手段是信息化建設(shè)，長期保存和檢索資料的有效手段是數(shù)字化圖像[1]。當(dāng)前人們對教學(xué)系統(tǒng)的要求越來越高，學(xué)校教學(xué)環(huán)節(jié)的難點主要是數(shù)字化成像，教育技術(shù)領(lǐng)域的研究重點是如何設(shè)計成像效果高、具有個性化教學(xué)特點的教學(xué)系統(tǒng)[2]。目前數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)男律α渴枪鈱W(xué)傳感器，該傳感器根據(jù)光對介質(zhì)折射率的反應(yīng)獲取數(shù)據(jù)信號。光學(xué)傳感器具有較強的抗電磁干擾能力，傳輸數(shù)據(jù)信號精度高容量大[3]，在光學(xué)傳感器中當(dāng)前使用較多的是平面波導(dǎo)傳感器。平面波導(dǎo)傳感器靈敏度較高、便于集成，且在光波導(dǎo)中可實現(xiàn)納米尺度下對光能的強約束，提升傳感器的抗干擾能力。

在集成光學(xué)中，將光波導(dǎo)作為基礎(chǔ)約束光能，該傳感器相當(dāng)于一個集成模塊，在傳感器中可實現(xiàn)獲取和預(yù)處理數(shù)據(jù)信號[4]。因此設(shè)計基于平面波導(dǎo)傳感器的強約束型微納光子結(jié)構(gòu)成像教學(xué)系統(tǒng)，以期實現(xiàn)高質(zhì)量的教學(xué)。

1 成像教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 成像教學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計

依照功能劃分總體成像教學(xué)系統(tǒng)，主要單元有數(shù)據(jù)傳輸單元、成像單元、驅(qū)動控制單元等[5]?；谄矫娌▽?dǎo)傳感器的強約束型微納光子結(jié)構(gòu)成像教學(xué)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

從圖1中看出，成像單元主要由光學(xué)鏡頭和平面波導(dǎo)傳感器構(gòu)成，成像單元可實現(xiàn)光電間的轉(zhuǎn)換、處理和輸出電信號[6-7]。驅(qū)動控制單元就是驅(qū)動時序產(chǎn)生單元，主要任務(wù)是控制傳感器復(fù)位和積分時間，生成時序指令。數(shù)據(jù)處理單元中涵蓋多個功能模塊，包括順序調(diào)整、串并轉(zhuǎn)換等模塊，通過數(shù)據(jù)處理單元將亂序數(shù)據(jù)變得有序。數(shù)據(jù)傳輸單元主要由兩部分構(gòu)成，在該單元中根據(jù)既定的傳輸協(xié)議將有序的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，達到實時傳輸數(shù)據(jù)的目的。通過FPGA開發(fā)平臺設(shè)計數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)傳輸單元等多個單元，通過RS 422接口和異步串行單元，實現(xiàn)計算機和FPGA開發(fā)平臺之間的通信。

1.2 平面波導(dǎo)傳感器

在成像教學(xué)系統(tǒng)中最重要的是平面波導(dǎo)傳感器，該傳感器采用衰逝波實現(xiàn)光纖傳感，提升數(shù)據(jù)傳輸速度，其中衰逝波是由光纖和平面波導(dǎo)界面表現(xiàn)出來的[8-9]。其特性是當(dāng)衰逝波透出波導(dǎo)表面，接收到傳輸信號后，會返回到波導(dǎo)中。平面波導(dǎo)傳感器基本原理如2所示。

在成像教學(xué)系統(tǒng)中，需采用靈敏度較高的平面波導(dǎo)傳感器，因此本文采用衰減全反射的平面波導(dǎo)傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

通過比爾定律獲取平面波導(dǎo)傳感器出射光強Gc和入射光強Gr之間關(guān)系，如下：

Gc=Grexp（-deM）式中：d表示敏感膜吸收系數(shù);e表示敏感膜厚度;M表示在敏感膜界面和導(dǎo)光層之間光波全反射次數(shù)。在敏感膜上的吸附物會導(dǎo)致膜厚度發(fā)生改變，從而改變射出的光強[10]。

2 實驗分析

2.1 分析成像清晰度

為研究本文系統(tǒng)的成像清晰度，需對比本文系統(tǒng)、基于網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境的成像教學(xué)系統(tǒng)、基于Web的成像教學(xué)系統(tǒng)的成像時間，為確保實驗分析的精準(zhǔn)性，需進行多次實驗。將實驗次數(shù)定為10次，選取10次實驗的平均值，以期提升實驗的精準(zhǔn)度，三個系統(tǒng)成像清晰度分別如表1～表3所示。

從表1可得，在10次實驗中，本文系統(tǒng)成像的圖像分辨率平均值為251.80 PPI，圖像清晰度的平均值為99.81%。從表2中可得，基于網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境的成像教學(xué)系統(tǒng)圖像分辨率和圖像清晰度平均值分別是170.60 PPI和86.29%，對比本文系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境的成像教學(xué)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，本文系統(tǒng)成像的清晰度和分辨率更高。從表3中可看出，基于Web的成像教學(xué)系統(tǒng)圖像分辨率和圖像清晰度平均值分別是95.60 PPI和67.18%，即本文系統(tǒng)成像分辨率和清晰度顯著高于基于Web的成像教學(xué)系統(tǒng)。綜上所述，本文系統(tǒng)成像的清晰度最高，成像效果最好。

2.2 分析成像穩(wěn)定性

為研究本文系統(tǒng)的成像穩(wěn)定性，需對比三個教學(xué)系統(tǒng)成像穩(wěn)定性，對比結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，本文系統(tǒng)成像的穩(wěn)定性顯著優(yōu)于兩個對比系統(tǒng)，本文系統(tǒng)成像的穩(wěn)定性最高可達98.7%，說明本文系統(tǒng)成像穩(wěn)定性較好，更適合應(yīng)用到實際的教學(xué)過程中。

2.3 成像教學(xué)系統(tǒng)抗噪性能分析

為研究本文系統(tǒng)的抗噪性能，需對比三個成像教學(xué)系統(tǒng)成像時間，為提升實驗精準(zhǔn)度，需進行多次實驗，對比結(jié)果如表4所示。

從表4中可以看出，隨著干擾信噪比的提升，不同成像教學(xué)系統(tǒng)的成像時間也逐漸提升。在干擾信噪比為13 dB時，本文教學(xué)系統(tǒng)成像時間最短為5.37 ms;在干擾信噪比為120 dB時，本文教學(xué)系統(tǒng)成像時間最長為5.92 ms;基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的成像教學(xué)系統(tǒng)成像時間最短為30.01 ms，基于Web的成像教學(xué)系統(tǒng)成像時間最短為17.63 ms，對比三個成像教學(xué)系統(tǒng)成像所用時間可知，本文系統(tǒng)成像所用時間最短，成像速率最快。

3 結(jié)論

本文設(shè)計基于平面波導(dǎo)傳感器的強約束型微納光子結(jié)構(gòu)成像教學(xué)系統(tǒng)，在成像教學(xué)系統(tǒng)中充分利用平面波導(dǎo)傳感器，實現(xiàn)成像教學(xué)系統(tǒng)中教學(xué)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)和快速傳輸，提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`敏度。用戶能通過本文系統(tǒng)實現(xiàn)對系統(tǒng)中采用強約束型微納光子結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)字化圖文數(shù)據(jù)庫的更改，在圖文數(shù)據(jù)庫中添加圖文、刪除或者修改圖文。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的成像教學(xué)系統(tǒng)成像效果好、抗噪性能優(yōu)，可在實際的教學(xué)過程中采用本文系統(tǒng)進行成像教學(xué)。

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作者簡介：劉冬冬（1981-），男，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向為高等教育研究、表面等離子體光子學(xué)、微納光子學(xué)。

王繼成（1980-），男，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向為高等教育研究、微納光子學(xué)。