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(hào)傳輸速率較低，影響成像速度的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于平面波導(dǎo)傳感器的強(qiáng)約束型微納光子結(jié)構(gòu)成像教學(xué)系統(tǒng)。通過(guò)光學(xué)鏡頭和平面波導(dǎo)傳感器采集、轉(zhuǎn)換光信號(hào)，平面波導(dǎo)傳感器采用衰逝波實(shí)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(tái)中實(shí)施轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)成像時(shí)間為5.92 ms，均顯著優(yōu)于對(duì)比系統(tǒng)，說(shuō)明該系統(tǒng)成像清晰度高、抗干擾性能優(yōu)。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)約束型;成像教學(xué)系統(tǒng);光信號(hào)采集;平面波導(dǎo)傳感器;系統(tǒng)設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類號(hào)：TN212-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X（ 2019） 24-0063 -04

0 引言

當(dāng)前深化教育改革、推進(jìn)素質(zhì)教育的有效手段是信息化建設(shè)，長(zhǎng)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(duì)教學(xué)系統(tǒng)的要求越來(lái)越高，學(xué)校教學(xué)環(huán)節(jié)的難點(diǎn)主要是數(shù)字化成像，教育技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)是如何設(shè)計(jì)成像效果高、具有個(gè)性化教學(xué)特點(diǎn)的教學(xué)系統(tǒng)[2]。目前數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)男律α渴枪鈱W(xué)傳感器，該傳感器根據(jù)光對(duì)介質(zhì)折射率的反應(yīng)獲取數(shù)據(jù)信號(hào)。光學(xué)傳感器具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)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(shí)現(xiàn)納米尺度下對(duì)光能的強(qiáng)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(gè)集成模塊，在傳感器中可實(shí)現(xiàn)獲取和預(yù)處理數(shù)據(jù)信號(hào)[4]。因此設(shè)計(jì)基于平面波導(dǎo)傳感器的強(qiáng)約束型微納光子結(jié)構(gòu)成像教學(xué)系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的教學(xué)。

1 成像教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 成像教學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(dòng)控制單元等[5]?；谄矫娌▽?dǎo)傳感器的強(qiáng)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(shí)現(xiàn)光電間的轉(zhuǎn)換、處理和輸出電信號(hào)[6-7]。驅(qū)動(dòng)控制單元就是驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生單元，主要任務(wù)是控制傳感器復(fù)位和積分時(shí)間，生成時(shí)序指令。數(shù)據(jù)處理單元中涵蓋多個(gè)功能模塊，包括順序調(diào)整、串并轉(zhuǎn)換等模塊，通過(guò)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(dá)到實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的目的。通過(guò)FPGA開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)傳輸單元等多個(gè)單元，通過(guò)RS 422接口和異步串行單元，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和FPGA開發(fā)平臺(tái)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(shí)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(lái)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(hào)后，會(huì)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(guò)比爾定律獲取平面波導(dǎo)傳感器出射光強(qiáng)Gc和入射光強(qiáng)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(huì)導(dǎo)致膜厚度發(fā)生改變，從而改變射出的光強(qiáng)[10]。

2 實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)間，為確保實(shí)驗(yàn)分析的精準(zhǔn)性，需進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)次數(shù)定為10次，選取10次實(shí)驗(yàn)的平均值，以期提升實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度，三個(gè)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)比三個(gè)教學(xué)系統(tǒng)成像穩(wěn)定性，對(duì)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(gè)對(duì)比系統(tǒng)，本文系統(tǒng)成像的穩(wěn)定性最高可達(dá)98.7%，說(shuō)明本文系統(tǒng)成像穩(wěn)定性較好，更適合應(yīng)用到實(shí)際的教學(xué)過(guò)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(duì)比三個(gè)成像教學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)間，為提升實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)度，需進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)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(shí)間也逐漸提升。在干擾信噪比為13 dB時(shí)，本文教學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)間最短為5.37 ms;在干擾信噪比為120 dB時(shí)，本文教學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)間最長(zhǎng)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(shí)間最短為30.01 ms，基于Web的成像教學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)間最短為17.63 ms，對(duì)比三個(gè)成像教學(xué)系統(tǒng)成像所用時(shí)間可知，本文系統(tǒng)成像所用時(shí)間最短，成像速率最快。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)基于平面波導(dǎo)傳感器的強(qiáng)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(shí)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(guò)本文系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中采用強(qiáng)約束型微納光子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)字化圖文數(shù)據(jù)庫(kù)的更改，在圖文數(shù)據(jù)庫(kù)中添加圖文、刪除或者修改圖文。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的成像教學(xué)系統(tǒng)成像效果好、抗噪性能優(yōu)，可在實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中采用本文系統(tǒng)進(jìn)行成像教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1]施礬，朱良富，邱冬，等.基于后焦面成像的聚合物平面波導(dǎo)光學(xué)參數(shù)測(cè)量?jī)x[J]量子電子學(xué)報(bào)，2017.34（3）：374-378.

SHI Fan. ZHU Liangfu， QIU Dong， et al.Polymer planarwaveguide parameter measuring instrument based on back focalplane imaging[J]. Chinese journal of quantum electronics，2017. 34（3）：374- 378.

[2]王賢旺，張巍，韓金濤，等.GeSbSe光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳輸特性研究[J]中國(guó)激光，2015，42（1）：170-176.

WANG Xianwang， ZHANG Wei， HAN Jintao， et al.Investiga-tion of structure design and transmission characteristic of gesb-se photonic crystal waveguides [J]. Chinese journal of lasers，2015. 42（1）：170-176.

[3]王繼成，蔣亞蘭，王躍科，等.基于MIM結(jié)構(gòu)等離子體波導(dǎo)定向耦合器[J]中國(guó)激光，2015 ，42（2）：320-326.

WANG Jicheng. JIANG Yalan， WANG Yueke. et al.Direc-tional couplers based on mim plasmonic waveguide stuctures[J]. Chinese journal of lasers， 2015， 42（2）：320-326.

[4]呂健滔，王春明，朱晟界，等.基于表面等離子體共振的雙芯光子晶體光纖橫向應(yīng)力傳感器[J]光學(xué)學(xué)報(bào)，2017， 37（8）：329- 335.

LU Jiantao. WANG Chunming， ZHU Shengli， et al.Dual-corephotonic crystal fiber transverse-stress sensor based on surfaceplasmon resonance [J]. Acta optica sinica. 2017. 37（8）： 329- 335.

[5]龐紹芳，屈世顯，張永元，等.基于L形諧振腔MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)濾波特性的研究[J]光學(xué)學(xué)報(bào)，2015.35（6）：272-277.

PANG Shaofang， QU Shixian. ZHANG Yongyuan， et al.Filter characteristic research of MIM waveguide based on L shapedresonator [J]. Acta optica sinica. 2015， 35（6）：272-277.

[6]王瀟楓，石巖，莊一，等.變焦結(jié)構(gòu)光成像系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)[J]應(yīng)用光學(xué)，2018 .39（1）：22-27.

WANG Xiaofeng， SHI Yan. ZHUANG Yi， et al.Optical de-sign of zoom structured light imaging system[J]. Journal of ap-plied optics， 2018. 39（1）： 22-27.

[7]閆立波，李建勝，黃忠義，等，天基系統(tǒng)空間目標(biāo)光學(xué)成像仿真方法研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2016，33（4）：120-124.

YAN Libo. LI Jiansheng， HUANG Zhongyi， et al.Space tar-get optical imaging simulation in space-based system [J]. Com-puter simulation. 2016. 33（4）： 120-124.

[8]趙永強(qiáng).需求視角的高校教學(xué)系統(tǒng)顧客滿意度改善研究[J]教育科學(xué)，2016. 32（4）：25-30.

ZHAO Yongqiang. Customer satisfaction improving of teachingsystem based on requirements [J]. Education science. 2016， 32（4）：25-30.

[9]查劍鋒，張豪杰，趙軍，等，基于MATLAB的開采沉陷預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)[J]，中國(guó)礦業(yè)，2016，25（6）：164-168.

ZHA Jianfeng， ZHANG Haojie， ZHAO Jun， et al.Experimenteaching system of mining subsidence prediction based on Mat-lah[J]. China mining magazine， 2016. 25（6）： 164-168.

[10]王霞，呂浩，趙秋玲，等，激光全息光刻技術(shù)在微納光子結(jié)構(gòu)制備中的應(yīng)用進(jìn)展[J]光譜學(xué)與光譜分析，2016，36 （11）：3461-3469.

WANG Xia. LU Hao， ZHAO Qiuling. et al.Applicationprogress of holographic lithgraphy in fabrication of micro-nanophotonic structures [J]. Spectroscopy and spectral analysis，2016， 36（ 11）： 3461-3469.

作者簡(jiǎn)介：劉冬冬（1981-），男，江蘇徐州人，博士，副教授，研究方向?yàn)楦叩冉逃芯?、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?yàn)楦叩冉逃芯?、微納光子學(xué)。