振幅型空间光调制器的研究

付锐费鑫

（浙江经济职业技术学院，浙江 杭州 310018）

0 引言

液晶空间光调制器是现代光学领域中最重要、最关键的器件，应用在很多系统中，并引起人们广泛的关注[1－2]。一般而言，液晶空间光调制器在信源信号的控制下，将信源信号所载的信息载入到光波之中，可对光波的振幅、相位等信息进行实时调制。市面上液晶空间光调制器价格非常昂贵，且只有很少部分支持XGA显示模式[3]。通过使用商用液晶屏来设计的液晶空间光调制器不仅能大幅度降低成本，而且支持XGA显示模式，同时可以通过单片机芯片直接对驱动控制电路中的各芯片进行寄存器的写操作，硬件的可操作性强。因此，本设计功能的实现对空间光调制器的进一步研究和制作具有较大的指导意义。

1 液晶空间光调制器的复振幅调制原理

液晶空间光调制器复振幅调制[4]主要包括振幅调制和相位调制。其调制特性主要是利用液晶的电光效应，即通过在液晶盒上施加电压，改变双折射效应，以此改变读出光的相位或者振幅。液晶空间光调制器之所以能够对光的相位及振幅产生调制，主要是因为扭曲向列液晶在不加电压时呈扭曲排列，液晶由于电场的作用发生倾斜。研究者N.Konforti对这种现象[5]做了如下解释：当施加在液晶盒上的电压值处于Freedericksz转变阀值、光学阀值之间时，液晶分子发生旋转，双折射作用减小，但液晶分子并没有发生大幅度的扭曲，此时的液晶盒同光波导功能相似，主要对光相位进行调制；当施加在液晶盒上的电压值大于光学阀值时，液晶分子沿电场方向排列，同时液晶分子的光波导与有效双折射作用都变得很微弱，此时主要对光强度进行调制。如图1所示。

图1 液晶分子电压区域

2 液晶显示屏的特点

液晶屏是液晶空间光调制器的核心部件，本文主要采用SONY公司的LCX029CNT来构建空间光调制器系统。LCX029CNT是一款薄膜晶体管液晶显示屏。材料是扭曲向列液晶，具有90°的扭曲角；它的对角线长度是2.3cm，具有 1024(H)×768(V)＝786,432的像素点数；其光透过率为16%；它可以支持XGA，SVGA，VGA等多种视频信号；具有内置的行驱动器和场驱动器；另外，还具有使得图像显示上/下、左/右反转的功能。

液晶显示屏的输入端总共包括32个端口，这些端口主要分为四类，分别为电源信号类、行场同步信号类、视频信号VSIG类、控制信号类。四类端口接收驱动电路的信号，最终将通过VGA接口输出的视频信号显示在液晶屏上。

3 硬件驱动电路的设计

液晶空间光调制器的硬件电路通过采用模块化的设计方法，将其分为两个部分，包括了驱动电路部分与液晶屏显示部分。驱动电路[7]部分包括视频信号处理模块、采样/保持模块、显示控制模块、锁相环模块、单片机电路模块、电源模块。其中，视频信号处理模块和采样/保持模块组成了驱动电路的模拟视频处理部分，锁相环模块和时钟信号发生器组成了驱动电路的数字同步信号处理部分。图2是整个硬件电路的系统框图。

图2 硬件系统框图

前置信号处理模块采用CXA2111R芯片，主要实现对RGB信号的伽马校正，同时可以对增益和偏置进行调整。由于传输的电信号是由光学图像转换过来的，并要求在LCD液晶屏显示出没有失真的原光学图像，那么就需要通过CXA211R对视频信号进行伽马校正，使视频信号传输特性变为线性关系。如图3所示，CXA211R能够进行三点（白电平、黑电平1和黑电平2）增益和位置的伽马校正，不同的灰度增益的大小及增益曲线的形状都可以通过伽马矫正来调整，进而保证了显示出的光学图像不失真。

图3 CXA211R伽马校正图

采样/保持模块采用CXA3512R芯片，将接收到的经过CXA2111R芯片处理的信号进行采样。CXA3512R是液晶屏的驱动芯片，内含线性反转放大器及模拟多路分离器，同时也含有定时发生器和输出缓冲器；能够直接驱动液晶显示屏，控制像素点，对视频信号进行相应的处理。

锁相环模块采用CXA3106AQ芯片，其是一款专用的锁相环芯片，内置有振荡器、充电泵、相位检测器和计数器，通过寄存器设置值可以给计数器设置倍率。将行同步信号输入到CXA3106AQ，经过倍频可以产生系统所需的基准时钟；同时该芯片还具有功耗低，支持多种显示模式，支持输入场同步信号的频率范围为10～100KHz，时钟信号输出频率为10～160MHz，能够通过SPI接口与控制器进行通信，实现数据交换等多种功能。

时钟信号发生模块采用CXD3500R芯片，主要用于产生整个系统所需要的时钟信号，芯片具有一个内置的串行接口，通过单片机等外部控制可以支持各种分辨率不同的信号；还支持上/下，左/右反转，同时还支持线反转和场反转；可以通过SPI接口与单片机相连通信，选择工作模式。

本系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机作为处理器，它是一种功耗较低、性能较高的8位CMOS微控制器，而且具有8K Flash存储器，这种存储器具有在系统可编程特点。这里采用AT89S52单片机作为核心控制单元来对驱动控制电路中的各芯片进行寄存器的写操作来实现空间光调制器实现初始化及控制功能。

电源管理模块为其他各模块提供了合适的工作电压，使各个模块能够正常运行。这里主要采用了鸿海科技开关电源为整个系统供电。该开关电源提供了15V和5V的供电电压，其中，15V的供电电压可以通过线性电源管理芯片LM317M转换成13.5V为液晶屏供电。

这里选取的LM317M是一款三端可调的正电压稳压器，共有3个引脚，包括电压输入引脚、电压输出引脚及电压调节引脚；其输出电压范围为1.2～37V，负载电流最大为1.5A；内置安全区保护、过载保护等保护电路。

液晶空间光调制器的驱动电路的设计最终要在PCB板上实现。电路板采用的是双层PCB板。设计PCB时，为了增强PCB板的稳定性及抑制噪声干扰的能力，采取了将模拟部分和数字部分区分开来；各个芯片引脚周围放置有大量的电容；频率高的信号线走线要尽量的短等措施。

4 实验验证

将设计的液晶空间光调制器应用到实际光路中，基于计算全息原理[8－10]，实验产生了星形光束，验证了所制作的液晶空间光调制器满足需要。

星形光束是指波前相位具有ψ＝πsin(mφ)分布的光束，式中m是光束参数，φ是方位角。实验结果下图所示。图4为拓扑数m1与m2取值相同时的各种计算全息图，图5为采用m1与m2取值相同时的各种计算全息图产生的星形光束。

图4 在m1与m2取值相同条件下的计算全息

图5 采用在m1与m2取值相同条件下的计算全息产生的星形光束

5 结论

本文成功地完成了液晶空间光调制器的硬件驱动电路的设计、系统功能的验证。结果表明，该液晶空间光调制器通过与PC机相连，能够清晰、实时的显示计算机VGA接口输出的视频信号；同时也可以通过单片机模块对相应芯片的参数进行在线修改，满足不同应用方式的需求。液晶空间光调制器成本低、使用方法简单、调试方便、性能好，可满足实验光学信息处理之用，具有重要的研究意义与应用价值，在光信息处理方面有着广阔的应用前景。

［1］吕国皎,吴非,杨艳.液晶空间光调制器的研究[J].现代显示,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］李万鹏.振幅型空间光调制器设计与应用研究[D].大连海事大学,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.