振幅型空間光調(diào)制器的研究

付銳費鑫

（浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

液晶空間光調(diào)制器是現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域中最重要、最關(guān)鍵的器件，應(yīng)用在很多系統(tǒng)中，并引起人們廣泛的關(guān)注[1－2]。一般而言，液晶空間光調(diào)制器在信源信號的控制下，將信源信號所載的信息載入到光波之中，可對光波的振幅、相位等信息進(jìn)行實時調(diào)制。市面上液晶空間光調(diào)制器價格非常昂貴，且只有很少部分支持XGA顯示模式[3]。通過使用商用液晶屏來設(shè)計的液晶空間光調(diào)制器不僅能大幅度降低成本，而且支持XGA顯示模式，同時可以通過單片機(jī)芯片直接對驅(qū)動控制電路中的各芯片進(jìn)行寄存器的寫操作，硬件的可操作性強。因此，本設(shè)計功能的實現(xiàn)對空間光調(diào)制器的進(jìn)一步研究和制作具有較大的指導(dǎo)意義。

1 液晶空間光調(diào)制器的復(fù)振幅調(diào)制原理

液晶空間光調(diào)制器復(fù)振幅調(diào)制[4]主要包括振幅調(diào)制和相位調(diào)制。其調(diào)制特性主要是利用液晶的電光效應(yīng)，即通過在液晶盒上施加電壓，改變雙折射效應(yīng)，以此改變讀出光的相位或者振幅。液晶空間光調(diào)制器之所以能夠?qū)獾南辔患罢穹a(chǎn)生調(diào)制，主要是因為扭曲向列液晶在不加電壓時呈扭曲排列，液晶由于電場的作用發(fā)生傾斜。研究者N.Konforti對這種現(xiàn)象[5]做了如下解釋：當(dāng)施加在液晶盒上的電壓值處于Freedericksz轉(zhuǎn)變閥值、光學(xué)閥值之間時，液晶分子發(fā)生旋轉(zhuǎn)，雙折射作用減小，但液晶分子并沒有發(fā)生大幅度的扭曲，此時的液晶盒同光波導(dǎo)功能相似，主要對光相位進(jìn)行調(diào)制；當(dāng)施加在液晶盒上的電壓值大于光學(xué)閥值時，液晶分子沿電場方向排列，同時液晶分子的光波導(dǎo)與有效雙折射作用都變得很微弱，此時主要對光強度進(jìn)行調(diào)制。如圖1所示。

圖1 液晶分子電壓區(qū)域

2 液晶顯示屏的特點

液晶屏是液晶空間光調(diào)制器的核心部件，本文主要采用SONY公司的LCX029CNT來構(gòu)建空間光調(diào)制器系統(tǒng)。LCX029CNT是一款薄膜晶體管液晶顯示屏。材料是扭曲向列液晶，具有90°的扭曲角；它的對角線長度是2.3cm，具有 1024(H)×768(V)＝786,432的像素點數(shù)；其光透過率為16%；它可以支持XGA，SVGA，VGA等多種視頻信號；具有內(nèi)置的行驅(qū)動器和場驅(qū)動器；另外，還具有使得圖像顯示上/下、左/右反轉(zhuǎn)的功能。

液晶顯示屏的輸入端總共包括32個端口，這些端口主要分為四類，分別為電源信號類、行場同步信號類、視頻信號VSIG類、控制信號類。四類端口接收驅(qū)動電路的信號，最終將通過VGA接口輸出的視頻信號顯示在液晶屏上。

3 硬件驅(qū)動電路的設(shè)計

液晶空間光調(diào)制器的硬件電路通過采用模塊化的設(shè)計方法，將其分為兩個部分，包括了驅(qū)動電路部分與液晶屏顯示部分。驅(qū)動電路[7]部分包括視頻信號處理模塊、采樣/保持模塊、顯示控制模塊、鎖相環(huán)模塊、單片機(jī)電路模塊、電源模塊。其中，視頻信號處理模塊和采樣/保持模塊組成了驅(qū)動電路的模擬視頻處理部分，鎖相環(huán)模塊和時鐘信號發(fā)生器組成了驅(qū)動電路的數(shù)字同步信號處理部分。圖2是整個硬件電路的系統(tǒng)框圖。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

前置信號處理模塊采用CXA2111R芯片，主要實現(xiàn)對RGB信號的伽馬校正，同時可以對增益和偏置進(jìn)行調(diào)整。由于傳輸?shù)碾娦盘柺怯晒鈱W(xué)圖像轉(zhuǎn)換過來的，并要求在LCD液晶屏顯示出沒有失真的原光學(xué)圖像，那么就需要通過CXA211R對視頻信號進(jìn)行伽馬校正，使視頻信號傳輸特性變?yōu)榫€性關(guān)系。如圖3所示，CXA211R能夠進(jìn)行三點（白電平、黑電平1和黑電平2）增益和位置的伽馬校正，不同的灰度增益的大小及增益曲線的形狀都可以通過伽馬矯正來調(diào)整，進(jìn)而保證了顯示出的光學(xué)圖像不失真。

圖3 CXA211R伽馬校正圖

采樣/保持模塊采用CXA3512R芯片，將接收到的經(jīng)過CXA2111R芯片處理的信號進(jìn)行采樣。CXA3512R是液晶屏的驅(qū)動芯片，內(nèi)含線性反轉(zhuǎn)放大器及模擬多路分離器，同時也含有定時發(fā)生器和輸出緩沖器；能夠直接驅(qū)動液晶顯示屏，控制像素點，對視頻信號進(jìn)行相應(yīng)的處理。

鎖相環(huán)模塊采用CXA3106AQ芯片，其是一款專用的鎖相環(huán)芯片，內(nèi)置有振蕩器、充電泵、相位檢測器和計數(shù)器，通過寄存器設(shè)置值可以給計數(shù)器設(shè)置倍率。將行同步信號輸入到CXA3106AQ，經(jīng)過倍頻可以產(chǎn)生系統(tǒng)所需的基準(zhǔn)時鐘；同時該芯片還具有功耗低，支持多種顯示模式，支持輸入場同步信號的頻率范圍為10～100KHz，時鐘信號輸出頻率為10～160MHz，能夠通過SPI接口與控制器進(jìn)行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換等多種功能。

時鐘信號發(fā)生模塊采用CXD3500R芯片，主要用于產(chǎn)生整個系統(tǒng)所需要的時鐘信號，芯片具有一個內(nèi)置的串行接口，通過單片機(jī)等外部控制可以支持各種分辨率不同的信號；還支持上/下，左/右反轉(zhuǎn)，同時還支持線反轉(zhuǎn)和場反轉(zhuǎn)；可以通過SPI接口與單片機(jī)相連通信，選擇工作模式。

本系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為處理器，它是一種功耗較低、性能較高的8位CMOS微控制器，而且具有8K Flash存儲器，這種存儲器具有在系統(tǒng)可編程特點。這里采用AT89S52單片機(jī)作為核心控制單元來對驅(qū)動控制電路中的各芯片進(jìn)行寄存器的寫操作來實現(xiàn)空間光調(diào)制器實現(xiàn)初始化及控制功能。

電源管理模塊為其他各模塊提供了合適的工作電壓，使各個模塊能夠正常運行。這里主要采用了鴻?？萍奸_關(guān)電源為整個系統(tǒng)供電。該開關(guān)電源提供了15V和5V的供電電壓，其中，15V的供電電壓可以通過線性電源管理芯片LM317M轉(zhuǎn)換成13.5V為液晶屏供電。

這里選取的LM317M是一款三端可調(diào)的正電壓穩(wěn)壓器，共有3個引腳，包括電壓輸入引腳、電壓輸出引腳及電壓調(diào)節(jié)引腳；其輸出電壓范圍為1.2～37V，負(fù)載電流最大為1.5A；內(nèi)置安全區(qū)保護(hù)、過載保護(hù)等保護(hù)電路。

液晶空間光調(diào)制器的驅(qū)動電路的設(shè)計最終要在PCB板上實現(xiàn)。電路板采用的是雙層PCB板。設(shè)計PCB時，為了增強PCB板的穩(wěn)定性及抑制噪聲干擾的能力，采取了將模擬部分和數(shù)字部分區(qū)分開來；各個芯片引腳周圍放置有大量的電容；頻率高的信號線走線要盡量的短等措施。

4 實驗驗證

將設(shè)計的液晶空間光調(diào)制器應(yīng)用到實際光路中，基于計算全息原理[8－10]，實驗產(chǎn)生了星形光束，驗證了所制作的液晶空間光調(diào)制器滿足需要。

星形光束是指波前相位具有ψ＝πsin(mφ)分布的光束，式中m是光束參數(shù)，φ是方位角。實驗結(jié)果下圖所示。圖4為拓?fù)鋽?shù)m1與m2取值相同時的各種計算全息圖，圖5為采用m1與m2取值相同時的各種計算全息圖產(chǎn)生的星形光束。

圖4 在m1與m2取值相同條件下的計算全息

圖5 采用在m1與m2取值相同條件下的計算全息產(chǎn)生的星形光束

5 結(jié)論

本文成功地完成了液晶空間光調(diào)制器的硬件驅(qū)動電路的設(shè)計、系統(tǒng)功能的驗證。結(jié)果表明，該液晶空間光調(diào)制器通過與PC機(jī)相連，能夠清晰、實時的顯示計算機(jī)VGA接口輸出的視頻信號；同時也可以通過單片機(jī)模塊對相應(yīng)芯片的參數(shù)進(jìn)行在線修改，滿足不同應(yīng)用方式的需求。液晶空間光調(diào)制器成本低、使用方法簡單、調(diào)試方便、性能好，可滿足實驗光學(xué)信息處理之用，具有重要的研究意義與應(yīng)用價值，在光信息處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

［1］呂國皎,吳非,楊艷.液晶空間光調(diào)制器的研究[J].現(xiàn)代顯示,2009,104(9):46－49.

［2］Min－Gyu Kim,Jung－Sik Koo,Eun－Soo Kim.Modification of Commercial LCD Video Projector for High－Resolution Spatial Light Modulator[J].SPIE,2003,5005:145－149.

［3］Kubono A，Kyokane Y，Kasajima Y,e t al.Electro－optical response of hybrid twisted nematic liquid crystal displays[J].Appl Phys,2001,89(7):3554.

［4］李萬鵬.振幅型空間光調(diào)制器設(shè)計與應(yīng)用研究[D].大連海事大學(xué),2011:15－20.

［5］N.Konforti,E.Marom,S.T.Wu.Phase－only modulation with twisted nematic liquid crystal spatial light modulation[J].OPtics Letters,1998,13(3):251－254.