基于平面波導傳感器的強約束型微納光子結構成像教學系統

劉冬冬 王繼成

摘要：為解決基于電學圖像傳感器的成像教學系統數據信號傳輸速率較低，影響成像速度的問題，設計基于平面波導傳感器的強約束型微納光子結構成像教學系統。通過光學鏡頭和平面波導傳感器采集、轉換光信號，平面波導傳感器采用衰逝波實現光纖傳感，提升數據傳輸速度。將數據流傳輸到FPGA開發平臺中實施轉換。經過實驗分析發現，該系統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，均顯著優于對比系統，說明該系統成像清晰度高、抗干擾性能優。

關鍵詞：強約束型;成像教學系統;光信號采集;平面波導傳感器;系統設計;實驗分析

中圖分類號：TN212-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X（ 2019） 24-0063 -04

0 引言

當前深化教育改革、推進素質教育的有效手段是信息化建設，長期保存和檢索資料的有效手段是數字化圖像[1]。當前人們對教學系統的要求越來越高，學校教學環節的難點主要是數字化成像，教育技術領域的研究重點是如何設計成像效果高、具有個性化教學特點的教學系統[2]。目前數據信號傳輸的新生力量是光學傳感器，該傳感器根據光對介質折射率的反應獲取數據信號。光學傳感器具有較強的抗電磁干擾能力，傳輸數據信號精度高容量大[3]，在光學傳感器中當前使用較多的是平面波導傳感器。平面波導傳感器靈敏度較高、便于集成，且在光波導中可實現納米尺度下對光能的強約束，提升傳感器的抗干擾能力。

在集成光學中，將光波導作為基礎約束光能，該傳感器相當于一個集成模塊，在傳感器中可實現獲取和預處理數據信號[4]。因此設計基于平面波導傳感器的強約束型微納光子結構成像教學系統，以期實現高質量的教學。

1 成像教學系統設計

1.1 成像教學系統總體設計

依照功能劃分總體成像教學系統，主要單元有數據傳輸單元、成像單元、驅動控制單元等[5]。基于平面波導傳感器的強約束型微納光子結構成像教學系統總體結構圖如圖1所示。

從圖1中看出，成像單元主要由光學鏡頭和平面波導傳感器構成，成像單元可實現光電間的轉換、處理和輸出電信號[6-7]。驅動控制單元就是驅動時序產生單元，主要任務是控制傳感器復位和積分時間，生成時序指令。數據處理單元中涵蓋多個功能模塊，包括順序調整、串并轉換等模塊，通過數據處理單元將亂序數據變得有序。數據傳輸單元主要由兩部分構成，在該單元中根據既定的傳輸協議將有序的數據發送出去，達到實時傳輸數據的目的。通過FPGA開發平臺設計數據處理單元和數據傳輸單元等多個單元，通過RS 422接口和異步串行單元，實現計算機和FPGA開發平臺之間的通信。

1.2 平面波導傳感器

在成像教學系統中最重要的是平面波導傳感器，該傳感器采用衰逝波實現光纖傳感，提升數據傳輸速度，其中衰逝波是由光纖和平面波導界面表現出來的[8-9]。其特性是當衰逝波透出波導表面，接收到傳輸信號后，會返回到波導中。平面波導傳感器基本原理如2所示。

在成像教學系統中，需采用靈敏度較高的平面波導傳感器，因此本文采用衰減全反射的平面波導傳感器，該傳感器結構圖如圖3所示。

通過比爾定律獲取平面波導傳感器出射光強Gc和入射光強Gr之間關系，如下：

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

2 實驗分析

2.1 分析成像清晰度

為研究本文系統的成像清晰度，需對比本文系統、基于網絡化環境的成像教學系統、基于Web的成像教學系統的成像時間，為確保實驗分析的精準性，需進行多次實驗。將實驗次數定為10次，選取10次實驗的平均值，以期提升實驗的精準度，三個系統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，基于網絡化環境的成像教學系統圖像分辨率和圖像清晰度平均值分別是170.60 PPI和86.29%，對比本文系統和基于網絡化環境的成像教學系統發現，本文系統成像的清晰度和分辨率更高。從表3中可看出，基于Web的成像教學系統圖像分辨率和圖像清晰度平均值分別是95.60 PPI和67.18%，即本文系統成像分辨率和清晰度顯著高于基于Web的成像教學系統。綜上所述，本文系統成像的清晰度最高，成像效果最好。

2.2 分析成像穩定性

為研究本文系統的成像穩定性，需對比三個教學系統成像穩定性，對比結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，本文系統成像的穩定性顯著優于兩個對比系統，本文系統成像的穩定性最高可達98.7%，說明本文系統成像穩定性較好，更適合應用到實際的教學過程中。

2.3 成像教學系統抗噪性能分析

為研究本文系統的抗噪性能，需對比三個成像教學系統成像時間，為提升實驗精準度，需進行多次實驗，對比結果如表4所示。

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

3 結論

本文設計基于平面波導傳感器的強約束型微納光子結構成像教學系統，在成像教學系統中充分利用平面波導傳感器，實現成像教學系統中教學數據精準和快速傳輸，提升數據傳輸的靈敏度。用戶能通過本文系統實現對系統中采用強約束型微納光子結構設計的數字化圖文數據庫的更改，在圖文數據庫中添加圖文、刪除或者修改圖文。實驗結果表明，本文設計的成像教學系統成像效果好、抗噪性能優，可在實際的教學過程中采用本文系統進行成像教學。

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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、微納光子學。

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。