劉振國，張 濤，王 健，

（1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.聚光科技（杭州）股份有限公司，浙江 杭州 310052）

引 言

空間光調(diào)制器是實(shí)時光學(xué)信息處理、自適應(yīng)光學(xué)和光計算等現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵器件，憑借它實(shí)時性和靈活性，廣泛應(yīng)用于模式識別、圖像處理、數(shù)字全息、空間濾波和二元光學(xué)等領(lǐng)域［1］。液晶空間光調(diào)制器是一種對光相位進(jìn)行調(diào)制的光學(xué)器件，以液晶的電控向列扭曲效應(yīng)和電控雙折射效應(yīng)為主要工作原理［2］，采用電尋址方式，響應(yīng)速度快，驅(qū)動電壓低，功耗小，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，因而受到普遍重視。研究其工作原理和設(shè)計方法對理解光學(xué)信息處理具有重要意義。

空間光調(diào)制器系統(tǒng)的工作過程是接收來自計算機(jī)的顯卡輸出，對信號進(jìn)行處理，將視頻信號顯示在0.9英寸薄膜晶體管液晶屏（thin film transistor liquid crystal display，TFT－LCD）上。整機(jī)系統(tǒng)有硬件部分和軟件部分組成，使用Altium Designer 6.9設(shè)計原理圖和印制電路板（printed circuit board，PCB），使用Keil C51進(jìn)行匯編程序設(shè)計。最后進(jìn)行軟硬件調(diào)試，并將系統(tǒng)安裝到實(shí)驗(yàn)光路中，對系統(tǒng)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。對硬件電路的設(shè)計方法、軟件的工作流程和空間光調(diào)制器的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行介紹。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 視頻信號分析

空間光調(diào)制器的輸入信號，來自于計算機(jī)的顯卡。計算機(jī)顯卡（video graphics array，VGA）接口輸出的信號，包含R、G、B、行同步信號Hsync和場同步信號Vsync。取顯卡接口輸出信號的R信號送入CXA2111R，對信號進(jìn)行箝位、Gamma校正［3］、放大和驅(qū)動后輸出，送入CXA3512R芯片，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)、放大和采樣，最后將采樣后的信號送入TFT－LCD液晶屏用于顯示［4］。

行同步信號Hsync送入鎖相環(huán)芯片CXA3106AQ，進(jìn)行倍頻。PC機(jī)顯卡輸出為XGA模式時，Hsync的頻率為48.36kHz，經(jīng)倍頻產(chǎn)生32.5MHz時鐘，然后送入CXA3512后在其內(nèi)部進(jìn)行2倍頻，產(chǎn)生65 MHz的像素時鐘，最后送入LCX029AMT7顯示屏，作為顯示時鐘。

Hsync、Vsync和32.5MHz鐘信號送入控制芯片CXD3500R，產(chǎn)生LCX029AMT7顯示屏的控制信號，用于控制液晶屏的顯示。控制芯片CXD3500R同時產(chǎn)生的信號還有行掃描信號、場掃描信號、預(yù)充電信號、翻轉(zhuǎn)信號等。

1.2 硬件系統(tǒng)組成

空間光調(diào)制器硬件部分主要由7部分組成，它們分別為視頻信號處理單元、鎖相環(huán)（phase locked loop，PLL）、采樣單元、顯示控制單元、顯示單元、控制單元和電源單元。各部分的關(guān)系如圖1所示，下面對各個單元的功能做簡要的介紹。

信號處理單元采用SONY公司的CXA2111R芯片，將計算機(jī)顯卡VGA接口輸出的視頻信號進(jìn)行鉗位、Gamma校正和增益控制，然后送入采樣保持芯片CXA3512R，進(jìn)行采樣。

鎖相環(huán)采用SONY公司的CXA3106AQ芯片，內(nèi)部的鎖相環(huán)將計算機(jī)顯卡VGA接口輸出的行同步信號Hsync進(jìn)行倍頻，產(chǎn)生32.5MHz時鐘，類型為PECL，并將行同步信號Hsync延時輸出。

采樣單元采用SONY公司的CXA3512R芯片，首先對鎖相環(huán)芯片輸出的32.5MHz的時鐘進(jìn)行2倍頻，生成65MHz的工作時鐘，并對CXA2111R輸出的視頻信號進(jìn)行放大、翻轉(zhuǎn)、去偏置和采樣等，最后由多路分支器輸出，送到TFT－LCD液晶屏，用于控制像素點(diǎn)的顯示。

顯示控制單元采用SONY公司的CXD3500R芯片，由行同比信號Hsync和場同步信號Vsync，生成TFT－LCD工作需要的時序控制信號。

顯示單元采用SONY公司的LCX029AMT7液晶屏，顯示模式為XGA，分辨力為1024×768，支持刷新頻率60Hz及以上。

控制單元采用ATMEL公司AT89S52單片機(jī)作為控制器，這款單片機(jī)支持在系統(tǒng)編程（in system program，ISP），方便程序下載和調(diào)試，并且資源相對豐富，在產(chǎn)品上應(yīng)用較廣泛。單片機(jī)完成對CXA2111R、CXA3106AQ和CXD3500R的初始化和工作模式設(shè)定，同時實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的串口通信，可以根據(jù)用戶的需求更改相應(yīng)芯片的工作模式。

電源部分采用15V開關(guān)電源供電，再由線性電源管理芯片LM317M產(chǎn)生13.5V和5V直流電壓，對系統(tǒng)其他芯片進(jìn)行供電。對電源進(jìn)行濾波設(shè)計，在PCB布局上將模擬地和數(shù)字地分開，用0Ω電阻連接，減少視頻信號的干擾。

2 軟件設(shè)計

使用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)作為控制單元，完成對系統(tǒng)的初始化和控制功能。系統(tǒng)上電后，需要設(shè)定CXD3500R、CXA3106AQ和CXA2111R芯片的工作模式，使整個系統(tǒng)按照設(shè)定的模式工作，完成對視頻信號的處理和顯示。為使系統(tǒng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求執(zhí)行，使用匯編語言進(jìn)行編程，注意芯片的初始化順序的要求，程序執(zhí)行流程如圖2所示。

CXD3500R通信方式為3線SPI通信，通過對內(nèi)部寄存器的設(shè)置，可以設(shè)定芯片的工作模式。芯片內(nèi)部有31個8位的控制寄存器，通過對相應(yīng)的控制寄存器寫入控制指令，可以改變其工作方式。初始化這個芯片的特點(diǎn)是，首先將XCLR引腳設(shè)為低電平，將芯片數(shù)據(jù)手冊提供的初始化數(shù)據(jù)寫入芯片內(nèi)部的寄存器；然后將芯片XCLR引腳拉高，將設(shè)定工作模式的數(shù)據(jù)寫入芯片內(nèi)部的寄存器，完成工作模式的設(shè)定。

CXA3106AQ通信方式為3線的SPI通信，芯片內(nèi)部有7個8位的控制寄存器。通過對芯片內(nèi)部寄存器的設(shè)置，可以設(shè)定其輸出頻率和輸出時鐘信號的類型等。其內(nèi)部寄存器的初始化有一定的順序要求，必須按照要求的順序?qū)懭胂鄳?yīng)初始化數(shù)據(jù)，才能完成對芯片的初始化?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)工作需要，通過寫入不同的數(shù)據(jù)輸出不同的時鐘頻率，實(shí)現(xiàn)PLL的功能。

CXA2111R通信方式為IIC通信，按照IIC的通信協(xié)議，寫入起始地址，然后初始化的數(shù)據(jù)依次寫入芯片內(nèi)部有19個8位的控制寄存器，即可完成芯片的初始化。

初始化完成之后，芯片開始正常工作，MCU進(jìn)入空閑模式。當(dāng)PC機(jī)通過串口發(fā)送控制指令后，MCU進(jìn)入中斷服務(wù)程序，接受PC機(jī)的指令，接收完成后MCU對指令進(jìn)行解析，執(zhí)行相應(yīng)的控制功能，如可以進(jìn)行顏色深度調(diào)節(jié)，圖像顯示位置調(diào)節(jié)，圖像翻轉(zhuǎn)與鏡像等。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)利用所設(shè)計的空間光調(diào)制器，進(jìn)行漩渦光束［5］產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)。漩渦光束是指波前相位具有ψ＝mφ分布的光束，式中m為光旋渦拓?fù)鋽?shù)，φ為方位角。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為m＝5的計算全息圖，圖3（b）為采用m＝5的計算全息圖產(chǎn)生的漩渦光束，圖3（c）為m＝5.5的計算全息圖，圖3（d）為采用m＝5.5的計算全息圖產(chǎn)生的漩渦光束。

圖3 實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的漩渦光束Fig.3 Ripple laser beam generated by experiments

4 結(jié) 論

設(shè)計空間光調(diào)制器的硬件電路和軟件程序，并進(jìn)行硬件電路制板、焊接、組裝和軟硬件調(diào)試，最后進(jìn)行系統(tǒng)功能驗(yàn)證，完成要求的設(shè)計功能。設(shè)計的空間光調(diào)制器能夠清晰、實(shí)時地顯示計算機(jī)VGA接口輸出的圖像，工作模式為XGA模式，分辨力1024×768，刷新頻率為60Hz。

實(shí)驗(yàn)研究表明：當(dāng)設(shè)計的空間光調(diào)制器應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)的光路時，可以根據(jù)液晶分子的空間分布特性，采用計算全息方法［6，7］生成的圖片，實(shí)現(xiàn)對入射光束的相位調(diào)制。并可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，將空間光調(diào)制器與PC機(jī)連接，對空間光調(diào)制器的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改，滿足不同的應(yīng)用方式需求。

［1］李 冰.純相位空間光調(diào)制器的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007：1－2.

［2］駱海軍.相位型液晶空間光調(diào)制器的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008：10－12.

［3］劉 靜.扭曲向列型液晶純相位空間光調(diào)制器［D］.大連：大連理工大學(xué)，2007：27－28.

［4］余 莉.高分辨液晶投影顯示的驅(qū)動電路設(shè)計［J］.液晶與顯示，2005，12（6）：576－580.

［5］程 欣.液晶空間光調(diào)制器的相干光學(xué)特性及其在數(shù)字衍射光學(xué)中的應(yīng)用［D］.濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2006：42－43.

［6］胡文華，李修建，楊建坤，等.光尋址空間光調(diào)制器控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.光學(xué)與光電技術(shù)，2007，5（2）：62－64.

［7］任秀云.扭曲向列液晶液晶空間光調(diào)制器波面變換特性及應(yīng)用［D］.濟(jì)南：山東師范大學(xué)，2005：41－44.