振幅型空间光调制器的设计与实现＊

刘振国，张 涛，王 健，

（1.杭州电子科技大学 电子信息学院，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，TFT－LCD）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TFT－LCD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48.36kHz，经倍频产生32.5MHz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32.5MHz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。

信号处理单元采用SONY公司的CXA2111R芯片，将计算机显卡VGA接口输出的视频信号进行钳位、Gamma校正和增益控制，然后送入采样保持芯片CXA3512R，进行采样。

锁相环采用SONY公司的CXA3106AQ芯片，内部的锁相环将计算机显卡VGA接口输出的行同步信号Hsync进行倍频，产生32.5MHz时钟，类型为PECL，并将行同步信号Hsync延时输出。

采样单元采用SONY公司的CXA3512R芯片，首先对锁相环芯片输出的32.5MHz的时钟进行2倍频，生成65MHz的工作时钟，并对CXA2111R输出的视频信号进行放大、翻转、去偏置和采样等，最后由多路分支器输出，送到TFT－LCD液晶屏，用于控制像素点的显示。

显示控制单元采用SONY公司的CXD3500R芯片，由行同比信号Hsync和场同步信号Vsync，生成TFT－LCD工作需要的时序控制信号。

显示单元采用SONY公司的LCX029AMT7液晶屏，显示模式为XGA，分辨力为1024×768，支持刷新频率60Hz及以上。

控制单元采用ATMEL公司AT89S52单片机作为控制器，这款单片机支持在系统编程（in system program，ISP），方便程序下载和调试，并且资源相对丰富，在产品上应用较广泛。单片机完成对CXA2111R、CXA3106AQ和CXD3500R的初始化和工作模式设定，同时实现与PC机的串口通信，可以根据用户的需求更改相应芯片的工作模式。

电源部分采用15V开关电源供电，再由线性电源管理芯片LM317M产生13.5V和5V直流电压，对系统其他芯片进行供电。对电源进行滤波设计，在PCB布局上将模拟地和数字地分开，用0Ω电阻连接，减少视频信号的干扰。

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。

初始化完成之后，芯片开始正常工作，MCU进入空闲模式。当PC机通过串口发送控制指令后，MCU进入中断服务程序，接受PC机的指令，接收完成后MCU对指令进行解析，执行相应的控制功能，如可以进行颜色深度调节，图像显示位置调节，图像翻转与镜像等。

3 实验验证

实验利用所设计的空间光调制器，进行漩涡光束［5］产生实验。漩涡光束是指波前相位具有ψ＝mφ分布的光束，式中m为光旋涡拓扑数，φ为方位角。实验结果如图3所示。图3（a）为m＝5的计算全息图，图3（b）为采用m＝5的计算全息图产生的漩涡光束，图3（c）为m＝5.5的计算全息图，图3（d）为采用m＝5.5的计算全息图产生的漩涡光束。

图3 实验产生的漩涡光束Fig.3 Ripple laser beam generated by experiments

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1024×768，刷新频率为60Hz。

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。

［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.