【文章內(nèi)容簡介】 。通?！跋袼亍笔侵附M成空間光調(diào)制器的獨(dú)立小單元，“寫入光”是指控制像素的信號，照明整個(gè)期間并被調(diào)制的輸出光波被稱為“讀出光”， “輸出光”則是指經(jīng)過空間光調(diào)制器后岀射的光波；形象的說，空間光調(diào)制器可以看做是一塊能夠按照需要快速調(diào)節(jié)透射率或其它光學(xué)參數(shù)分布的透明片，顯然，寫入信號應(yīng)含有控制調(diào)制器各個(gè)像素的信息，把這些信息分別傳送到相應(yīng)像素位置上去的過程，即被稱為“尋址”[14]。最常見的空間光調(diào)制器是液晶光閥(LCLV)，其原理圖如圖25所示。圖25 液晶光閥原理圖 圖25中，A和F表示玻璃，在兩塊玻璃板內(nèi)側(cè)有透明電極，可以施加電壓；B層為液晶，左右兩側(cè)分別裝有經(jīng)過處理的隔絕層；C層是介質(zhì)鏡；D是光阻擋層；E是光導(dǎo)體，例如硫化鎘。在寫入光強(qiáng)度較低時(shí)，光導(dǎo)體的電阻很高，電壓幾乎都加在光導(dǎo)層上，液晶層上電壓降很小。當(dāng)寫入光的光強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，光導(dǎo)體電阻急劇下降，液晶層上電壓迅速增大，盒里的液晶分子在電場的作用下會(huì)逐漸沿電場方向排列，軸向與表面垂直的方向偏轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)程度與電場強(qiáng)度有關(guān)。空間光調(diào)制器一般按照讀出光的讀出方式不同，可以分為反射型和透射型，而按照輸入控制信號的方式不同又可分為光尋址和電尋址（ 圖26）。需要指出的是：(1) 光尋址時(shí)實(shí)際上是利用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)在空間光調(diào)制器的像素平面上將一個(gè)二維光強(qiáng)進(jìn)行分布成像，使調(diào)制器與寫入信號的像素在空間上一一對應(yīng)，以此來實(shí)現(xiàn)尋址。光尋址是一種并行的尋址方式，這種方式的特點(diǎn)是尋址速度最快，所有像素的尋址幾乎是同時(shí)完成的，并且理論上來說像素的大小只受尋址光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率的限制。但是要防止寫入光和讀出光之間的串?dāng)_，一般是在空間光調(diào)制器做成反射式的，并且在中間添加一個(gè)隔離層，也可以使用不同波長的光，利用濾光片消除它們之間的串?dāng)_。(2) 電尋址時(shí)像素是由一對相鄰的行電極和一對相鄰的列電極之間的區(qū)域構(gòu)成的。電尋址是一種串行尋址方式，如果在光信息處理鏈中有一個(gè)電尋址，一維串行處理將會(huì)代替二維并行串行處理，這樣一來處理速度會(huì)立即降下來。此外，由于縮小電極尺寸有一個(gè)限度，而電尋址傳遞信息是通過條狀電極來完成的，因此像素尺寸也有限度，即有一個(gè)分辨率極限。由于電極本身不透明，因此像素的有效通光面積與像素總面積之比即開口率較低，光能利用率不高[15]。SLM寫入（電）信號讀出光輸出光SLM寫入（電）信號讀出光輸出光(a)(b)SLM寫入光輸出光SLM (c)寫入光讀出光輸出光 (d) 圖26空間調(diào)制器示意圖 (a)透射型電尋址 (b)反射型電尋址(c)透射型光尋址 (d)反射型光尋址常見的電尋址液晶空間光調(diào)制器有兩種：一種是矩陣尋址式液晶光閥，另一種是電荷耦合器尋址式液晶光閥。CCD是一種陣列器件，內(nèi)部有許多MOS結(jié)構(gòu)單元。每個(gè)MOS單元中存儲(chǔ)著一定的可以作為信息的電荷。在時(shí)鐘脈沖的控制下MOS單元中的所有電荷可以整行轉(zhuǎn)移到相鄰單元中區(qū)，不斷重復(fù)就會(huì)形成電荷的面陣，簡單來說，CCD電路是一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，它可以實(shí)現(xiàn)串行輸入電壓信號到電荷面陣的轉(zhuǎn)變。CCD通過改變電荷分布來改變電極電壓，從而實(shí)現(xiàn)對光波的二維調(diào)制[16]。矩陣尋址液晶光閥的特點(diǎn)是液晶盒上的電極不是整個(gè)面分布的片狀電極而是柵狀電極，前后基片的柵條電極互相垂直，因而使得盒中的液晶呈矩陣排列結(jié)構(gòu)，通常將一個(gè)結(jié)構(gòu)單元看成一個(gè)像素。這樣一來將適當(dāng)?shù)碾娦盘柤釉趦山M柵條電極上，就可以分別控制每個(gè)像素的透過率，從而實(shí)現(xiàn)對光波的調(diào)制。除此之外還有采用性能較好的鐵電晶體制成的表面穩(wěn)定鐵電液晶光閥。這種液晶光閥對于一般的液晶光閥來說有一個(gè)很大的突破，那就是響應(yīng)速度提高了很多，在室溫下，其響應(yīng)時(shí)間可縮短至180ns，而且反差也有很大的改善，一般在室溫下可達(dá)到1500：1[17~19]。本章從液晶的材料出發(fā)，介紹了液晶的各種光學(xué)特性，主要介紹了液晶的電光效應(yīng)，包括電控雙折射效應(yīng)、扭曲效應(yīng)、賓主效應(yīng)、動(dòng)態(tài)散射效應(yīng)、混合場效應(yīng)等等。然后簡單介紹了液晶空間光調(diào)制器的原理和分類，對電尋址液晶空間光調(diào)制器的主要兩類也做了一個(gè)簡單的說明。兩種空間光調(diào)制器各有特點(diǎn)：光尋址空間調(diào)制器是并行尋址，電尋址空間光調(diào)制器則是串行尋址，就尋址速度而言，光尋址比電尋址的要快得多。然而光尋址空間光調(diào)制器的像素大小主要是受光學(xué)成像系統(tǒng)分辨率的限制，如果成像系統(tǒng)分辨率不高，那么制成的空間光調(diào)制器成像就會(huì)比較模糊。電尋址傳遞信息則是由電極完成，雖然像素會(huì)受到電極尺寸的影響，但是和成像系統(tǒng)本身的分辨率沒多大關(guān)系。本文中選用的是液晶來制作調(diào)制器，液晶的分辨率并不高，因而決定制作電尋址空間光調(diào)制器。電尋址空間光調(diào)制器的像素分辨率可以通過調(diào)節(jié)電極尺寸等方法進(jìn)行調(diào)整，在后文中，將會(huì)詳細(xì)介紹制作電尋址液晶空間光調(diào)制器的過程。 第三章 液晶空間光調(diào)制器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)空間光調(diào)制器系統(tǒng)的工作過程是接受來自計(jì)算機(jī)的顯卡輸出，對信號進(jìn)行處理，將視頻信號顯示在晶體管液晶屏上，這整個(gè)系統(tǒng)由硬件和軟件部分組成[20]。本章首先介紹液晶屏像素掃描及構(gòu)造原理。然后詳細(xì)介紹了空間光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電路的作用及各部分組成，根據(jù)選擇的液晶屏設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，對驅(qū)動(dòng)電路中的寄存器設(shè)置過程及軟件的編寫進(jìn)行了分析。最后制作出符合要求的印制電路板(PCB)板。 液晶屏顯示模塊介紹本文采用的是SONY公司生產(chǎn)的型號為LCX026BLT的多晶硅薄膜晶體管液晶屏來制作空間光調(diào)制器系統(tǒng)，如圖31所示為薄膜場效應(yīng)晶體管顯示器(TFT LCD)示意圖。選用的液晶屏分辨率為800600點(diǎn)，支持VGA，SVGA等視頻信號，還支持PAL以及NTSC等電視視頻信號格式。液晶屏內(nèi)置去串?dāng)_、行列驅(qū)動(dòng)器、鬼像電路以及圖像上/下、左/右反轉(zhuǎn)功能。 圖31 TFT LCD的結(jié)構(gòu)示意圖液晶屏的輸入端共有24個(gè)信號端子，可分為以下三類：(1)行場方向的同步信號：顯示屏顯示的控制信號，包括行和場方向的各種觸發(fā)信號及時(shí)鐘信號。(2)視頻信號：共6根信號線，顯示的內(nèi)容是通過信號線來輸送的。(3)電源信號：包括行場掃描所需要的兩個(gè)電源及公共的電極電壓信號。行移位寄存器、門電路和CMOS采樣保持電路構(gòu)成行方向驅(qū)動(dòng)器；行方向觸發(fā)信號到來時(shí)會(huì)依次選通該行的每個(gè)像素，每一行的視頻信號在掃描進(jìn)行位寄存器之后再將視頻信號添加到液晶像素上；而場移位寄存器、使能端和緩沖器則構(gòu)成場方向驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)場方向觸發(fā)信號到時(shí)，液晶屏上一行顯示像素的使能端將會(huì)被場方向驅(qū)動(dòng)器打開，這樣一來行移位寄存器中存儲(chǔ)的一行視頻信號就會(huì)被平行地送入該行的液晶分子上，逐行掃描，從而實(shí)現(xiàn)全畫幅的控制。 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路的作用SLM對光的折射率與驅(qū)動(dòng)電壓呈單調(diào)性關(guān)系，實(shí)際的應(yīng)用中，可以將調(diào)制器做成與LCD的像素陣列類似的結(jié)構(gòu)，一個(gè)電壓單獨(dú)地控制一個(gè)像素點(diǎn)，這樣一來就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)調(diào)制器控制一個(gè)光陣列的折射率，之后再將光信號傳輸?shù)秸{(diào)制器的表面，因?yàn)橄袼氐恼凵渎识疾幌嗤?，所以折射后的光線就相當(dāng)于完成了一次二維矩陣矢量運(yùn)算，這種運(yùn)算可以在一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換期間完成對數(shù)據(jù)的乘積、加權(quán)運(yùn)算，因此與普通的CPU相比，這種光信號處理器效率更高，功耗更低，更加適合應(yīng)用到今后的高速低功耗信號處理中。 整個(gè)SLM驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)主要有六個(gè)電路模塊，分別是輸入緩沖器、驅(qū)動(dòng)電路陣列、控制電路、偏置生成電路、DAC陣列以及DAC緩沖器。 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 針對所選用的液晶屏，本文設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成空間光調(diào)制器系統(tǒng)采用的是與該液晶屏配套的專用芯片，包括視頻信號前置放大芯片(CXA2lllR)，專用鎖相環(huán)芯片(CXA3106AQ)，視頻驅(qū)動(dòng)芯片(CXA2ll2R)以及時(shí)鐘信號發(fā)生芯片(CXD3500R)等。(a) (b)圖32 輸入的灰度及其對應(yīng)的信號波形 (a)輸入的灰度；(b)視頻信號波形圖如圖33所示是視頻信號進(jìn)入CXA2111R中的處理過程。利用液晶屏顯示光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化成電信號傳輸?shù)慕Y(jié)果。如果想要無失真的重現(xiàn)光學(xué)圖像，就必須讓液晶屏輸入灰度與輸出灰度成線性關(guān)系，也就是說視頻信號的傳輸特性曲線為線性，這由CXXA2111R的伽瑪校正來決定。該芯片提供了視頻信號曲線上的黑電平黑電平2與白電平三點(diǎn)的位置及增益的伽瑪校正。通過伽瑪校正可以調(diào)節(jié)不同灰度位置的增益大小、改變增益曲線，從而來保證圖像無失真。而實(shí)現(xiàn)伽瑪校正既能通過對內(nèi)部寄存器值的設(shè)置也可以通過芯片外部引腳電平來調(diào)整。鉗位伽瑪校正增益控制驅(qū)動(dòng)至下一級鉗位脈沖控制控制圖33 CXA2111R對信號的處理流程 ~，~，通過對以上兩個(gè)參數(shù)的合理設(shè)置，~，滿足輸入下一級電路的要求。液晶屏的直接驅(qū)動(dòng)芯片是CXA2111R，芯片作用包括視頻信號的采樣保持、反轉(zhuǎn)放大以及產(chǎn)生公共電極電壓。為防止液晶屏的老化，采用方向交替變化的交流電場作為驅(qū)動(dòng)方式，在CXA2111R芯片內(nèi)部建立反轉(zhuǎn)放大器，從而避免液晶分子的偏轉(zhuǎn)方向總是不變。本文采用的是行反轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式，其視頻信號運(yùn)算的關(guān)系為：反轉(zhuǎn)情況： ()不反轉(zhuǎn)情況： ()圖34 反轉(zhuǎn)放大器 (a)輸入 (b)輸出信號關(guān)系示意圖輸入到CXA2111的信號通過反轉(zhuǎn)放大器時(shí)是由反轉(zhuǎn)信號(FRP)來控其放大狀態(tài)，當(dāng)FRP信號為高電平時(shí)，反轉(zhuǎn)放大器處于反轉(zhuǎn)放大狀態(tài)，F(xiàn)RP信號為低電平時(shí)，反轉(zhuǎn)放大器處于不反轉(zhuǎn)狀態(tài)。反轉(zhuǎn)操作是圍繞著約為7V的中心電壓SIGCEN來進(jìn)行的，中心電壓也等于公共電極電壓VCOM，如圖34所示為其信號間的關(guān)系。利用一個(gè)高速視頻放大器AD811構(gòu)成的加減法電路來處理視頻信號。首先將整個(gè)INVOUT輸出的視頻信號抬升1V，可以將FRP信號的幅度調(diào)節(jié)成2V。由于FRP信號觸發(fā)視頻信號的反轉(zhuǎn)，此時(shí)可以將抬升1V后的視頻信號減去FRP信號，減去的部分正好就是直流偏置電壓的視頻信號SHIN。如圖35(a)所示是反轉(zhuǎn)前的視頻信號，圖35(b)是去掉了直流偏置電壓的反轉(zhuǎn)后的視頻信號。(a) (b)圖35 反轉(zhuǎn)前后視頻信號 (a)反轉(zhuǎn)前的視頻信號 (b)反轉(zhuǎn)后的視頻信號 數(shù)字同步信號處理 根據(jù)本文采用的液晶屏，場同步信號頻率為60Hz，則所需要產(chǎn)生的像素時(shí)鐘信號頻率應(yīng)該是40MHz。 CXA3160AQ是內(nèi)部有振蕩器和計(jì)數(shù)器的鎖相環(huán)控制器，如表31所示計(jì)數(shù)器設(shè)置倍率可以通過寄存器設(shè)置值來給出。所以系統(tǒng)所需要的基準(zhǔn)時(shí)鐘可以由輸入到CXA3106AQ的行同步信號經(jīng)過倍頻產(chǎn)生。表31 倍率與基準(zhǔn)時(shí)鐘模式分辨率FSYNC/kHZFCLK/MHZ計(jì)數(shù)器設(shè)置Cl/μFR1/ΩVGA80060010563300CXD3500R芯片產(chǎn)生SVGA、XGA等視頻信號和NTSC、PAL等電視信號所需的掃描控制時(shí)鐘信號，單片機(jī)通過外部SPI通信接口可以控制其工作模式。該芯片還支持反轉(zhuǎn)、場反轉(zhuǎn)兩種驅(qū)動(dòng)方式和顯示圖像的左/右/上/下反轉(zhuǎn)掃描時(shí)序。圖36 SVGA模式下的工作時(shí)序圖將CXA3106AQ產(chǎn)生的外部同步信號MCLK輸給CXA2111R作為像素采樣時(shí)鐘。CXA2111R具有調(diào)整像素時(shí)鐘相位的功能，因而能實(shí)現(xiàn)高精確且穩(wěn)定地控制像素采樣時(shí)鐘。時(shí)鐘信號發(fā)生器CXD3500R接收到行同步信號Dsync、基準(zhǔn)時(shí)鐘信號CLK及場同步信號Vsync之后，按照其內(nèi)部固定時(shí)序生成模式，會(huì)產(chǎn)生包括場開始信號VST、行開始信號HST以及場掃描時(shí)鐘信號VCK與行掃描時(shí)鐘差分信號HCKHCK2等掃描時(shí)鐘。此外液晶屏控制時(shí)鐘包括左右鏡像控制時(shí)鐘RGT、上下翻轉(zhuǎn)控制時(shí)鐘DWN、液晶屏的工作模式選擇信號MODE1門選通信號ENB以及翻轉(zhuǎn)時(shí)鐘控制信號FRP等等，SVGA工作模式下的時(shí)序圖如圖36所示。 數(shù)字同步信號處理AT89S52是一種具有8K系統(tǒng)可編程的Flash存儲(chǔ)器的8位CMOS微控制器，其優(yōu)點(diǎn)是高性能、低功耗，且與工業(yè)80C51產(chǎn)品引腳和指令能完全兼容，可在常規(guī)編程器中使用。AT89S52在單芯片上擁有8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使其為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供了高靈活、有效的解決方案。