振幅型空间光调制器的设计与实现

　　摘要： 阐述液晶空间光调制器的设计原理、工作流程和设计方法。对视频信号做简要分析，对视频信号处理过程进行详细阐述，给出了硬件的设计方法和软件的处理流程，对使用的芯片的功能进行详细解释，对系统功能进行验证。液晶空间光调制器是一种对光相位进行调制的光学器件，该设计成果对空间光调制器的研究和制作具有较大的指导意义。 　　关键词： 相位调制； Gamma校正； 锁相环 　　中图分类号： TH 741.4文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.016 　　引言 　　空间光调制器是实时光学信息处理、自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，凭借它实时性和灵活性，广泛应用于模式识别、图像处理、数字全息、空间滤波和二元光学等领域[1]。液晶空间光调制器是一种对光相位进行调制的光学器件，以液晶的电控向列扭曲效应和电控双折射效应为主要工作原理[2]，采用电寻址方式，响应速度快，驱动电压低，功耗小，抗干扰能力强，体积小，因而受到普遍重视。研究其工作原理和设计方法对理解光学信息处理具有重要意义。 　　空间光调制器系统的工作过程是接收来自计算机的显卡输出，对信号进行处理，将视频信号显示在0.9英寸薄膜晶体管液晶屏（thin film transistor liquid crystal display，TFTLCD）上。整机系统有硬件部分和软件部分组成，使用Altium Designer 6.9设计原理图和印制电路板（printed circuit board，PCB），使用Keil C51进行汇编程序设计。最后进行软硬件调试，并将系统安装到实验光路中，对系统的功能进行验证。对硬件电路的设计方法、软件的工作流程和空间光调制器的试验结果进行介绍。 　　1硬件电路设计 　　1.1视频信号分析 　　空间光调制器的输入信号，来自于计算机的显卡。计算机显卡（video graphics array，VGA）接口输出的信号，包含R、G、B、行同步信号Hsync和场同步信号Vsync。取显卡接口输出信号的R信号送入CXA2111R，对信号进行箝位、Gamma校正[3]、放大和驱动后输出，送入CXA3512R芯片，进行翻转、放大和采样，最后将采样后的信号送入TFTLCD液晶屏用于显示[4]。 　　行同步信号Hsync送入锁相环芯片CXA3106AQ，进行倍频。PC机显卡输出为XGA模式时，Hsync的频率为48.36 kHz，经倍频产生32.5 MHz时钟，然后送入CXA3512后在其内部进行2倍频，产生65 MHz的像素时钟，最后送入LCX029AMT7显示屏，作为显示时钟。 　　Hsync、Vsync和32.5 MHz钟信号送入控制芯片CXD3500R，产生LCX029AMT7显示屏的控制信号，用于控制液晶屏的显示。控制芯片CXD3500R同时产生的信号还有行扫描信号、场扫描信号、预充电信号、翻转信号等。 　　1.2硬件系统组成 　　空间光调制器硬件部分主要由7部分组成，它们分别为视频信号处理单元、锁相环（phase locked loop，PLL）、采样单元、显示控制单元、显示单元、控制单元和电源单元。各部分的关系如图1所示，下面对各个单元的功能做简要的介绍。 　　2软件设计 　　使用ATMEL公司的AT89S52单片机作为控制单元，完成对系统的初始化和控制功能。系统上电后，需要设定CXD3500R、CXA3106AQ和CXA2111R芯片的工作模式，使整个系统按照设定的模式工作，完成对视频信号的处理和显示。为使系统严格按照设计要求执行，使用汇编语言进行编程，注意芯片的初始化顺序的要求，程序执行流程如图2所示。 　　CXD3500R通信方式为3线SPI通信，通过对内部寄存器的设置，可以设定芯片的工作模式。芯片内部有31个8位的控制寄存器，通过对相应的控制寄存器写入控制指令，可以改变其工作方式。初始化这个芯片的特点是，首先将XCLR引脚设为低电平，将芯片数据手册提供的初始化数据写入芯片内部的寄存器；然后将芯片XCLR引脚拉高，将设定工作模式的数据写入芯片内部的寄存器，完成工作模式的设定。 　　CXA3106AQ通信方式为3线的SPI通信，芯片内部有7个8位的控制寄存器。通过对芯片内部寄存器的设置，可以设定其输出频率和输出时钟信号的类型等。其内部寄存器的初始化有一定的顺序要求，必须按照要求的顺序写入相应初始化数据，才能完成对芯片的初始化。可以根据系统工作需要，通过写入不同的数据输出不同的时钟频率，实现PLL的功能。 　　CXA2111R通信方式为IIC通信，按照IIC的通信协议，写入起始地址，然后初始化的数据依次写入芯片内部有19个8位的控制寄存器，即可完成芯片的初始化。 　　3实验验证 　　4结论 　　设计空间光调制器的硬件电路和软件程序，并进行硬件电路制板、焊接、组装和软硬件调试，最后进行系统功能验证，完成要求的设计功能。设计的空间光调制器能够清晰、实时地显示计算机VGA接口输出的图像，工作模式为XGA模式，分辨力1 024×768，刷新频率为60 Hz。 　　实验研究表明：当设计的空间光调制器应用于光学系统的光路时，可以根据液晶分子的空间分布特性，采用计算全息方法[6，7]生成的图片，实现对入射光束的相位调制。并可以根据实验需求，将空间光调制器与PC机连接，对空间光调制器的相应参数进行修改，满足不同的应用方式需求。 　　参考文献： 　　[1]李冰.纯相位空间光调制器的研究[D].大连：大连理工大学，2007：1-2. 　　[2]骆海军.相位型液晶空间光调制器的研究[D].大连：大连理工大学，2008：10-12. 　　[3]刘静.扭曲向列型液晶纯相位空间光调制器[D].大连：大连理工大学，2007：27-28. 　　[4]余莉.高分辨液晶投影显示的驱动电路设计[J].液晶与显示，2005，12（6）：576-580. 　　[5]程欣.液晶空间光调制器的相干光学特性及其在数字衍射光学中的应用[D].济南：山东师范大学，2006：42-43. 　　[6]胡文华，李修建，杨建坤，等.光寻址空间光调制器控制系统的设计与实现[J].光学与光电技术，2007，5（2）：62-64. 　　[7]任秀云.扭曲向列液晶液晶空间光调制器波面变换特性及应用[D].济南：山东师范大学，2005：41-44.