基于表面等离子体共振效应的信息获取和显示

论文题目: 基于表面等离子体共振效应的信息获取和显示

论文类型: 博士论文

论文专业: 信号与信息处理

作者: 曹振新

导师: 吴乐南

关键词: 感觉媒体,显示媒体,表面等离子体共振效应,光纤传感器,显示器,数据处理

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 感觉媒体和显示媒体是多媒体技术的重要分支,尽管目前的视听技术和显示技术发展迅速,然而感觉媒体中嗅觉、味觉等媒体的发展却相当滞后;同样,虽然目前存在多种显示技术,然而真高清晰、真彩色的显示技术发展也不尽人意。为此,本论文基于表面等离子体共振(SPR:Surface Plasmon Resonance)效应,主要研究了可以用于嗅觉、味觉的检测技术和高清晰、真彩色的显示技术。SPR效应是一种物理光学现象,利用该效应可以设计SPR传感器和SPR显示器:当调制层材料折射率一定,改变被测对象的折射率会导致共振波长或者共振强度变化,利用这一效应可以设计SPR传感器,借此可望扩充对于味觉、嗅觉等感觉媒体的自动化感知手段;而当被测对象折射率一定,改变调制层材料折射率会导致共振波长或者共振强度发生变化,利用这一效应可以设计高清晰、真彩色的新型显示器件,借此可望丰富对于显示媒体的表现形式。本论文首先讨论SPR机理,进而设计光纤SPR传感器和检测系统,研究数据处理方法,最后引入SPR显示技术,具体包括:从理论角度详细描述了SPR机理,导出了发生SPR现象的条件,给出了理论计算公式和相关参数的计算方法。详细研究了光纤SPR传感器的机理,推导了理论计算公式,并用实验表明该理论推导是合理的。根据建立的理论计算公式和实际检测的金膜光纤SPR传感器数据,对金膜参数进行了修正。为了设计出性能优异的光纤SPR传感器,从抗干扰、检测灵敏度、检测范围等多方面详细研究了传感器各设计参数对其性能的影响,给出了各项参数的选择范围。同时根据调制层对传感器参数的作用,提出了分布式光纤SPR传感器的设计方法,并提供了设计实例。详细研究了光纤SPR检测系统,对比了早期的检测系统、改进的检测系统和最优检测系统,详细设计了改进的检测系统,分析了该系统各组成部件的性能及其对系统性能的影响。进一步详细讨论了系统检测结果的数据处理问题,给出了共振波长的估计方法,并实用于准非时变信号和时变信号的检测,结果表明所用数据处理方法是合适和有效的。此外,详细研究了光纤SPR检测系统的标定、温度漂移和自漂移问题,同时详细研究了分布式光纤SPR检测系统的检测问题。详细研究了SPR显示的机理,建立了调制层参数和显示颜色、显示亮度的数学关系,据此设计了单像素和多像素的SPR显示器件,并且进行了理论仿真,结合前人的工作表明设计宽范围、真彩色的SPR显示器件是完全可行的。最后给出了本研究领域存在的问题和进一步研究的方向。总之,本论文主要对基于SPR效应的感觉(味觉、嗅觉)媒体和显示媒体,做了较为深入的理论和实验研究,为该领域的进一步深入和发展奠定了基础。

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究目的、意义

1.1.1 多媒体的信息获取需求

1.1.2 SPR 效应可能大有作为

1.2 研究背景、现状

1.2.1 SPR 传感检测系统的研究

1.2.1.1 SPR 传感器及其检测方式研究

1.2.1.2 SPR 检测系统中的信号处理研究

1.2.1.3 SPR 检测系统的应用研究

1.2.2 SPR 显示技术研究

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文组织结构

第二章 表面等离子体共振原理

2.1 引言

2.2 光在多层介质中的传播

2.2.1 光的传播

2.2.2 全反射

2.3 表面等离子体振荡

2.3.1 自由电子模型

2.3.2 等离子体

2.3.3 金属中等离子体的自发无衰减振荡

2.3.4 金属中等离子体的衰减振荡

2.3.5 表面等离子体

2.4 光与表面等离子体的相互作用

2.4.1 Krestchmann模型

2.4.2 Krestchmann模型中反射系数的计算

2.4.3 7 层Krestchmann模型中反射系数的计算

2.5 小结

第三章 光纤SPR 传感器

3.1 引言

3.2 SPR传感原理

3.2.1 基本SPR 传感原理

3.2.2 光纤SPR传感原理

3.3 理论计算

3.3.1 理论公式推导

3.3.2 算例1：银层光纤SPR传感器

3.3.3 算例2：金层光纤SPR传感器

3.3.4 金层光纤SPR 传感器的理论与实测差异性分析

3.4 光纤 SPR 传感器性能指标

3.4.1 光学性能

3.4.2 机械性能

3.5 设计

3.5.1 光纤纤芯折射率

3.5.2 光纤数值孔径

3.5.3 光纤纤芯直径

3.5.4 探头长度

3.5.5 黏结层

3.5.6 金属层

3.5.7 调制层：厚度的影响

3.5.8 调制层：折射率的影响

3.5.9 环境介质

3.6 镀膜工艺

3.7 单探头光纤SPR 传感器

3.8 分布式光纤SPR传感器

3.8.1 基本描述

3.8.2 设计方法

3.8.3 设计实例

3.8.4 分布式光纤 SPR 传感器中最大传感器数量的理论推导

3.9 本章小结

第四章 光纤SPR 检测系统

4.1 引言

4.2 光纤 SPR 检测系统方案

4.2.1 早期Jorgenson 设计的光纤SPR 检测系统

4.2.2 改进的光纤 SPR 检测系统

4.2.3 最优光纤SPR 检测系统

4.3 光源

4.3.1 模型

4.3.2 卤钨灯光源

4.3.3 相对光强检测模式

4.4 光纤光谱分析仪

4.5 光纤耦合器

4.6 分析程序

4.7 小结

第五章 光纤SPR 检测系统中的数据分析

5.1 引言

5.2 信号模型

5.3 噪声分析

5.3.1 噪声的统计特性

5.3.2 线性模型估计

5.3.3 共振波长和共振强度的估计

5.3.4 数据处理中的优化

5.4 系统的标定与补偿

5.4.1 光纤SPR 检测系统的标定

5.4.2 光纤SPR 检测系统的温度补偿

5.4.3 光纤SPR 检测系统的漂移问题

5.5 系统应用中的参数检测与估计

5.5.1 准非时变参数

5.5.2 时变参数

5.6 分布式光纤SPR 检测系统的应用考虑

5.6.1 数据处理

5.6.2 自差处理

5.7 小结

第六章 SPR 显示技术

6.1 引言

6.2 原理

6.2.1 概述

6.2.2 调制层折射率实部对共振波长的作用

6.2.3 调制层折射率虚部对共振峰值的作用

6.2.4 调制层折射率实部和虚部联合对共振波长和共振峰值的作用

6.3 透射式 SPR 显示器的设计

6.3.1 显示器结构

6.3.2 控制电路

6.3.3 显示器的仿真显示

6.4 潜在应用和优势

6.5 存在的问题

6.6 小结

第七章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 研究展望

7.3 应用构想

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间完成的专利和论文

发布时间: 2007-06-11

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