（电路与系统专业论文）数字全息之相移与显示技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 近年来，随着计算机技术、c c d 和c m o s 图像传感器技术以及空间光调制器 的发展，数字全息技术得到了迅速发展。传统全息技术需要对全息干板进行曝光、 显影，过程繁琐，数字全息技术，特别是基于空间光调制器的全息显示可以实现传 统全息干板难以实现的实时三维立体显示，成为人们的关注焦点。 本论文对数字全息的记录、处理，特别是基于液晶显示技术的实时三维立体显 示技术进行了详细实验研究。论文采用了平面参考光和5 3 2 n m 激光，利用c m o s 传感器搭建了一套数字全息记录实验系统，实现了同轴全息图的实时数字记录和处 理。论文同时以c p i 。d 为核心控制芯片，设计研制了液晶卒问光调制器的硬件驱动 电路，并以q u a r t u si i 为软件平台，用v e r i l o gh d l 硬件描述语言进行了相应的软件 丌发。迸一步论文利用液晶空问光调制器搭建了一套数字全息立体显示系统，实现 了小物体的实时三维立体显示。 本论文的实验研究进一步证明，采用c m o s 图像传感器技术和液晶空间光调制 器的数字全息技术在便捷性、实时性等方面远远优于传统基于全息干板的全息技 术，随着数字全息技术的发展，它必将得到越来越广泛的应用。 关键词：数字全息；液晶空间光调制器；三维实时立体显示 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i mc o m p u t e rt e c h n o l o g y 、c c da n dc m o si m a g es e n s o r t e c h n o l o g ya sw e l la st h es p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rd e v e l o p m e n t ，d i g i t a lh o l o g r a p h y t e c h n o l o g yh a sb e e nr a p i dd e v e l o p m e n t t r a d i t i o n a lh o l o g r a p h i ct e c h n o l o g yn e e dt ob e e x p o s e da n dd e v e l o p e dt ot h eh o l o g r a md r yp l a t e ，a n dt h ep r o c e s si sf u s s y b u tt h e h o l o g r a p h i cd i s p l a yb a s e do nt h es p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r i s b e c o m i n gt h ef o c u so f c o n c e r nb e c a u s ei th a sb e e na c h i e v e dt h er e a l - t i m et h r e e - - d i m e n s i o n a ld i s p l a yw h i c ht h e t r a d i t i o n a lh o lo g r a p h i ct e c h n o l o g yi sh a r dt oa c h i e v e 。 i nt h i sp a p e r , w eh a v ec a r r i e do u te x p e r i m e n t a ls t u d yi nd e t a i la tt h er e c o r d i n ga n d p r o c e s s i n go ft h ed i g i t a lh o l o g r a p h y , e s p e c i a l l y t h er e a l - t i m et h r e e - - d i m e n s i o n a l h o l o g r a p h i cd i s p l a yb a s e do nt h es p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r u s i n gt h ep l a n er e f e r e n c el i g h t a n d5 3 2 n ml a s e ri n t h i sp a p e r , w ea c h i e v e dr e a l t i m er e c o r d i n ga n dp r o c e s s i n go f c o a x i a ld i g i t a lh o l o g r a mb ys e r i n gu pad i g i t a lh o l o g r a p h i cr e c o r d i n gs y s t e m 、析t l lt h e c m o si m a g es e n s o r w eh a v ed e s i g n e dt h eh a r d w a r e d r i v e rc i r c u i to ft h el i q u i dc r y s t a l s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rw h i c hc o n t a i n e dt h ec p l d 雒t h ec o r ec o n t r o lc h i pi nt h i s p a p e r , a n d w eu s e dt h ev e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g et oc a r r yo u tt h ec o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ed e v e l o p m e n tw i t hq u a r t u si ia st h es o f t w a r ep l a t f o r m f u r t h e rw eh a v es e tu pa d i g i t a lh o l o g r a p h i ct h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a ys y s t e m 、砘mt h el i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h t m o d u l a t o ra n da c h i e v e dt h es m a l lo b j e c t si nr e a l - t i m et h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y a n e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft h i sp a p e r i sf u r t h e re v i d e n c eo ft h eu s eo fc m o si m a g es e n s o r t e c h n o l o g ya n dl i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rt e c h n o l o g yi nt h ed i g i t a lh o l o g r a p h y c o n v e n i e n c e ，r e a l t i m ei sf a rs u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a la r e a ss u c ha sh o l o g r a m so nt h e h o l o g r a md r yp l a t et e c h n o l o g y , 、v i t hd i 百t a lh o l o g r a p h yt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，i tw i l l b e m o r ea n d m o r e 谢d e l y k e y w o r d ：d i g i t a lh o l o g r a p h y ；l i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ；r e a l t i m e t h r e e d i m e n s i o n a ld i s p l a y n 硕士学位论文 m a $ t e r st h e s i $ 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期： 学位论文版权使用授权书 多月乡日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权 中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：髟冱锄 日期：加7 年舌月妒 导师签冬；泰 日规钟f 月3 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的规 定享受相关权益。回意诠塞握童卮进卮! 旦兰生；旦二生；旦三生筮鱼! 作者签名：脚 日期：功年步月乡日 导师签名夕焱乞 日期：d 碑月) 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 光学全息发展概述 第一章绪论 全息术是英国科学家丹尼斯盖伯于1 9 4 8 年发明的【1 1 ，为了提高电子显微镜的 分辨率，他在当时提出了用物体衍射的电子波来制作全息图，进而用可见光照明全 息图来得到放大的物体的成像。由于系统省去电子显微镜物镜，这种无透镜的两步 成像的过程可被期望得到更高的分辨率。对于这个设想，他通过利用可见光波来记 录物光波，从实验中得到了相应的验证并制作了第一张全息图。 从那时起直到2 0 世纪5 0 年代末期的全息技术 2 1 ，都是采用汞灯作为光源，相 干性也非常不好；另一个方面，出于在其所使用的同轴全息术中，记录下来的全息图 的士1 级衍射波是分不开的，这也就导致产生了所谓的“孪生像”问题。以上两点是造 成了第一代全息术发展缓慢的主要因素。 激光在1 9 6 0 年问世1 3 】，提供了一种相干性很高的光源。1 9 6 2 年，美国的科学 家j u p a t n i e k s 与e n l e i t h 将通信里面的“侧视雷j , 盘( s i d e l o o k i n gr a d a r ) ”的这一思路 应用到光全息中，继而提出了一种新的离轴全息的方法：由离轴的参考光和物光互相 干涉而形成全息图，再将离轴的参考光照射到全息图上，这样全息图就会产生三个 在空间上相互分离的衍射分量，并把1 级或+ l 级分量再现为原始物光波前。终于 解决了第一代全息图时面临的两大难题。并且在1 9 6 3 年，l e i t h 等人用激光拍下了 第一张再现图像十分清晰的离轴全息图【4 j 。此后，各国的科学家们又相继研究并发 展了很多种的全息记录技术。上面这些具有开拓性和里程碑性质的工作，使全息术 的实用极具可能性，并推动它快速的发展。 反射全息、彩虹全息、复合全息、像全息等第三代全息技术f 5 】，将黑自全息图 赋予了各种鲜艳的颜色，从而使得全息术的应用范围更加宽广。 目前，全息技术在许多领域都己取得了很多重大的成果，比如在全息显示、干 涉计量、存储、印刷( 模压全息) 以及全息光学元件等众多领域【6 】都有飞速的发展。 1 2 数字全息概述 g o o d m a n 等人在1 9 6 7 年提出了数字全息术1 7 1 【8 j ，它的基本原理与光学全息完 全相同，只不过用来记录全息图的传统光学全息中采用的照相干板被c c d 摄像机 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 所替代，这样c c d 接收到的全息图将是以数字离散形式呈现的，并且与计算机连 接后可直接存入计算机中，利用计算机进行软件处理完成全息图的再现，并将再现 的全息图结果直接显示在p c 屏幕上。由于当时在硬件方面存在一定的缺陷，用于 记录的数字光敏器件的分辨率不够高和以及用于计算数字全息图的计算机性能也 不够好，所以导致数字全息在很长一段时间没有什么进展。终于在9 0 年代，高分 辨率的c c d 的出现以及计算机性能上的进步，才可以继续在数字全息领域的进行 更深层次的研究，1 9 9 4 年，德国人u s c h n a r s 和w j u p t n e r 利用c c d 直接记录下离 轴菲涅尔全息图1 9 1 ，并以离散菲涅尔积分公式作为基础，利用快速傅里叶变换得到 再现物体的复振幅分布，使得全息图的记录和再现真正实现完全数字化。 传统的全息技术是利用全息干板对物光波进行记录和再现，其中就涉及到记录 光路的布置、干板曝光和化学处理等繁琐的步骤。近些年来，随着计算机技术与空 间光调制器的发展u0 1 ，人们开始将空间光调制器来替代传统的伞息干板进行全息立 体显示，并取得了一定进展。 作为一种新的成像技术，数字全息与传统光学全息的基本思想是致的l l1 1 ，主 要是在全息记录与显示中采用c c d 或c m o s 图像传感器以及液晶空间光调制器代 替全息胶片，实现全息成像的数字化。目前有关数字全息技术的研究主要集中在如 下几个方面： ( 1 ) 、数字全息记录l l 引：利用c c d 或c m o s 等图像传感器直接采集投射到传感 器上参考光和物光的干涉强度图样，经模数转换后得到数字全息图，并将其直接存 储在计算机上。 ( 2 ) 、数字全息重现 1 3 - 1 5 1 ：重现部分主要是在计算机上进行的，有以下三个流程： l 、对数字全息图进行预处理，即对记录下来的数字全息图中产生的图像畸变等问 题进行补偿消除，比如图像几何变形( 通过电视制式的转换) 、光电探测器转换的导 致的非线性以及随机噪声等：2 、数字再现，即模拟物光波前在全息图平面与物平 面之间的传播，这一过程用到的相关理论包括频谱滤波和离散傅里叶变换。3 、对 数字再现的图像作一些数字处理，如图像增强、图像校准、图像特征提取等。 ( 3 ) 、数字全息立体显示：用液晶显示器代替全息胶片，将物光和参考光的干涉 图样显示在液晶显示器上，实现三维立体显示。由于液晶显示器的分辨率较低，这 种方法还只对尺寸在一厘米左右的远方物体实现了三维显示，因为此时干涉图样非 常稀疏，与液晶显示器的分辨率相匹配。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 3 数字全息的相关技术 1 3 1 电荷耦合器件咖 数字全息中的记录介质一般采用电荷藕合器件【嘲( c c dc h a r g ec o u p l e d d e v i c e s ) ，这一概念最早在1 9 6 9 年由美国贝尔实验室g e s m i t h 和w s b o y l e 1 7 j 提出， 它是一种用来记录光的强度并可以实现光电转换的电子器件。有限个微电容阵列紧 密排列构成了整个c c d 阵列探测器，其中每一个微电容阵列称为像素，其结构也 相对简单，就是将一层氧化硅加在硅片衬底上，并且加一电极在氧化层上，从而形 成一小型电容器。当c c d 芯片有光线投射在上面，硅晶片便释放出电子，且入射 光强与所释放的电子数目成正比，这样像素中的电极层上便聚集了带有正电荷电 子，接收光线较亮的像素( 光强较大) 会聚集更多的电子，这样就完成了光学图像 转换为电子图像的过程，然后通过专用的p c i 接口卡或u s b 接f 1 直接将由c c d 探 测器所采集的数字图像传输给计算机进行保存下来。 像素的大小、像素密度以及像素的深度等因素l i8 l 直接决定了c c d 摄像机所拍 摄图像的质量好坏，而所拍摄图像的分辨率则是由单位面积的像素数目亦即像素密 度决定的。因此图像的分辨率也就代表着一块c c d 芯片所能够捕获的图像信息的 数量。像素值越高，图像的分辨率也就相应的更高，图片影像质量也就越高。鉴别 影像质量和最终图像输出尺寸的最简单的办法是看芯片所提供像素的尺寸。像素的 尺寸一般在几微米到十几微米的范围之间。且芯片分辨率与像素的尺寸成反比，像 素尺寸越小，芯片所具有的分辨率越高。采集到的图像的质量除了受到c c d 像素 尺寸的影响外，还与像素的深度有关。像素深度又称为比特深度，它直接决定了图 像的灰度等级，是一幅图像中为了描绘每个像素点所能够包含的比特数。比特深 度越大，图像表现出来的细节和层次就更多。另外，c c d 还存在着噪声方面的影响， 比如散粒噪声、转移噪声和热噪声等问题，所以在进行实验和图像数据处理的过程 中，也需要考虑这些噪声因素，以克服其对实验数据带来的负面影响。 1 3 2 液晶空间光调制器 空间光调制器( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r s l m ) 是指1 叨：能将信息加载于一维或两 维的光学数据场上，有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力，并在构建实时 光学信息处理，光计算和光学神经网络等系统中作为基本的构造单元或关键的主动 器件。给s l m 加入随时间变化的电驱动的控制信号，或者对于加给它的空问光强 作用下，改变输入光的偏振态、相位、振幅( 或强度) 甚至是波长，或者是将非相干 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 光转换成相干光等，因而液晶空间光调制器的应用领域十分广泛，例如在自动模式识 别、数字光学混合相关和基于机器人的视觉等系统，还有高速光互联、阂值开关、 光逻辑运算等许多领域都有应用。当前空间光调制器的种类已有4 0 多种之多1 2 0 ， 主要有微通道板、可变形反射镜阵列、多量子阱、声光调制器、磁光调制器件等， 并且液晶空间光调制器由于其诸多的特点：小型化、低电压、轻量化、微功耗、高 密度化、节能化而在各个领域都得到了很好的应用。而其中的液晶显示器件因为其 属于纯相位调制的空间光调制器并且作为具有可编程性质的衍射光学元件，在相当 长的时间内都得到了研究者的青睐。 液晶空间光调制器( l i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r , l c s l m ) 作为一种有 源数字光学器件，其液晶分子还具有电致双折射效应。液晶空间光调制器是由许多 在空问卜呈一维或二维阵列排列的独立单元组成，每个独立单元都受到驱动电压的 控制，并由此控制信号的电场变化来控制液晶分子的取向，从而完成入射光波的振 幅或相位的调制，完成了入射光波波前的改变。如果对于入射光波波前进行快速灵 活的变换，就能产生所需要的具有特殊效果的光波波前，这也成为了当前光学研究 领域当中的一个重要的研究分支内容。因此，将液晶空间光调制器与动态变换的波 前技术相结合，也是具有重大应用意义的。目前，液晶空间光调制器在各种光信息 处理技术之中都有广泛的应用，以下是几种常见的应用： ( 1 ) 光学实时匹配相关滤波器i ，2 i 】 由于在光学匹配滤波相关的识别系统中对时效性的要求越来越迫切，而采用计 算或光学全息方法制作滤波器，设计相对复杂而且不具备实时性。而我们利用 l c s l m 所具有的实时光学调制这特点，通过给l c s l m 加入一个二值化的位相 滤波器，就可以实现光学识别的实时化。根据l c s l m 的位相调制特性就可以实现 二元化联合变化的相位器具有实时性，同时可以提高对光的利用率，对图像识别的 能力也有所增强。 ( 2 ) 制作可调控的二元光学器件阎 当我们对p c 输入一些各不一样的数据，利用l c s l m 的位相调制特性，就可 以获得我们想要的二元光学元件。将p c 实时产生或存储在计算机中的阵列f z p ( 位 相型矩形菲涅尔波带片) 数据，通过实时的对液晶空问光调制器输入不同的信号， 就可以在l c s l m 上获得所需的实时可控阵列菲涅尔波带片。 ( 3 ) 可进行光学运算团j 对l c s l m 输入不同的信号便能实现各种光学运算。例如在以下两个方面的应 用：光学并行逻辑门、逻辑系统等方面，就可完成各种逻辑或算术运算，或者线性 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 代数的运算等。另外我们对液晶光阀的运行电压进行实时的改变，使它处在非线性 的变换态便可实时的完成对图像数据的的微分计算。 ( 4 ) 可进行波面补偿【2 4 】【2 5 】 因为l c s l m 能对穿过它的波面产生相位调制，而且调制的幅度可通过输入 l c ，s l m 的信号来控制。所以它还有另外一个方面的应用：对畸变波面的补偿。先 是对检测波面畸变，再对l c s l m 上输入所需要的的信号，就能够补偿并控制波面 的畸变。 1 4 本文的主要研究内容及文章结构 本论文对数字全息技术进行了实验研究，重点探索了数字全息立体显示技术。 为了实现全息立体显示，本论文还专门开发了基于c p i 。d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l e l o g i c a ld e v i c e ) 的液晶空闻光调制器的驱动电路。论文共分四章，具体安排内容如 下： 第一章，绪论：简单介绍数字全息以及液晶空间光调制器的发展概况、结构原 理与应用等。 第二章，数字全息的记录与处理：介绍了利用相移技术来实现数字全息记录与 处理系统的原理及其实验结果。 第三章，数字全息的立体显示：介绍了数字全息立体显示的设计方案，并着重 介绍了重现系统中液晶空间光调制器的驱动电路，包括软硬件的设计，调试与仿真。 进一步讨论了数字全息的立体实时显示光学实验。 第四章，结论和展望：总结了本论文完成的主要工作，提出了进一步改进的方 向。 5 第二章数字全息的记录与处理 本章系统地介绍r 基于 r 移技术的数字仝息记录原理及其实骑结果 2 1 数字全息记录系统的设计 图2 一l 为本文所搭建的同轴数字全息记录系统原理示意图。由激光器发出的波 长为5 3 2 n m 的激光束，经扩束器b e i 扩束后被分光镜b s l 分成两柬，一束通过1 ，2 和l ，4 波片后照射在分光镜b s 2 上，被b s 2 反射到c m o s 传感器上作为参考光； _ 3 一束则 i 反射镜m 1 和m 反射后照射在物体r ，物体漫反射彤成物光。物此与参 考光存c m o s 传感器r 形成干涉矧样，其强度分布纤tr s b 接仁1 传输到计算机h 目2 - i 数字全息记录系统 酣2 - 2 数字全息记录实验装置实物j 片( 不包括c m o s 传感器) 图2 - 2 为实验装置实验照片，图中左边为5 3 2 r t m 激光器，中间为扩束暑 为干涉光路。图2 3 为干涉光路的局部照片。照片中未放置c m o s 传感器， 时具有5 百万像素的c m o s 传感器平行救霄存扩束器的下方。 斟 3 数字仝息记球实验装置实物 姒片 2 2 数字全息记录实验与数据预处理 z2 1 相移羲字全息的基本原理 为了从记录的全息干涉条纹中分离出物光复振幅，可以采取4 步相移法i 基本原理如f 。设参考光波为初始相位为零的平面波，在c m o s 传感器光螂 振幅分布为： r ( x ，h 口) = 4 0 ，y ) e x p ( i o ) 此处，口为一定值，表示波片引入的相移角，可以通过由l 偿技片和 ，4 波片组 移器来改变其大小口7 】口”。参考光波与物光波在c m o s 传感器光敏面进行相； c m o s 传感器所记录下的干涉场强度分布为： l ( x , y ，口) = l a ( x ，y ) e x p ( i e ) + a ( z ，y ) e x p ( i p ) 1 1 = i a , 1 2 + i a1 24 - , 4 , 4 e x p ( - - i g # ) e x p ( i o ) + a , a e x p ( - 1 8 ) 在记录过程中，如果连续记录四幅干涉条纹，每次记录时使参考光相位 z 1 1 2 ，所记录下的四幅图的强度分布可以表示为： l ( x , y ，0 ) = i 一0 ，”j 2 + 4 2 + 2 a , a c o s q , ，( z ，y ，j ) = l _ ( t y ) 1 2 + 4 2 + 2 a a s i “p l ( x ，y ，x ) = l a ( x , y ) 1 2 十4 2 2 a , a c o s q , 取y ，等) = 圳2 + 一2 4 心n p 解上述方程组，由式“2 - 4 ) - ( 2 _ 6 ) ) ( ( 2 3 ) 一( 2 5 ) ) 可以求出 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) m m 要) 一l ( x , y ，荨) = c t a r l 土l ( 2 - 7 ) ，( x ，y , o ) 一，n 力 进一步_ 上掉参考光，直接测j j j 物光光强，可以确定c m o s 传感器光敏面上物光 的复振幅分布。 2 2 2 全息记录的实验照片 图2 _ 4 至2 - 7 给出了我们记录的一组实验干涉条纹照片，图2 - 8 是根据( 2 7 ) 式 计算的物光的位相分布图。 图2 4 由c m o s 传感器记录的全息干涉条纹( 0 z 相移) 图2 - 5 山c m o s 传感器记录的全息干涉条纹( r e 2 相移) 图2 - 6 由c m o s 传感器记录的全息干涉条纹( 相移) 幽2 7 由c m o s 传感器记录的全息干涉条纹( 3 n 2 相移) 图2 - 8 物光位相分布图 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第三章数字全息的立体显示 本章介绍了数字全息的立体显示光学实验，它是通过把数字全息图输入到空间 光调制器来实现的，为完成实验，本章首先完成了空间光调制器的硬件驱动电路的 设计与软件仿真。 3 1 数字全息的立体显示系统 为了实现动态的全息三维显示，从2 0 世纪8 0 年代起，人们开始寻找新的载体 以代替传统的全息干板。其中研究最多的是基于液晶显示技术的空间光调制器 ( s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r , s l m ) 2 9 1 ( 3 0 1 。图3 1 是本论文采用投影液晶板作为位相调 节器进行立体显示的实验装置，其中待显示物体离液晶板的距离在l 米以上，此时 显示在液晶板上的光场分布细节与液晶显示器的分辨率相匹配。 图3 1 数字全息光学立体重现光路图 在图3 1 中激光器发出的波长为5 3 2 n m 的激光经过扩束器b e 3 扩束后照射到 空间光调制器s l m 上，计算机将数字全息图输入到空间光调制器，显示出三维立 体图像。若通过计算机动态刷新输入到s l m 的计算全息图，就能实现小物体的实 时全息立体显示。 由以上分析可知，液晶空间光调制器在本实验系统中作用至关重要。下面我们 将着重介绍液晶空间光调制器的工作原理和相关驱动电路的设计调试与仿真。 3 2 液晶空间光调制器 3 2 1 液晶的光电各向异性 液晶分子的形状为长棒状，液晶分子在结构上的这种各向异性导致其介电系数 和折射系数等光电特性也因其方向不同而不同【3 1 1 。 硕士学位论文 m a s t e r 。st i i e s i s 液晶的介电系数可划分为两个方向上的分量：与指向矢垂直的分量s l 和与指向 矢平行的分量岛。气 毛时称之为介电系数各向异性负型液晶( 即n 型液晶) ，只可 用于垂直配位才会产生所需的电光效应。当前常用的t f t - l c d 的t n 型液晶大多 数属于介电系数正型液晶。当两者之差a e = 龟一气越大，液晶的临界电压也就越 小，液晶可以在较低的电压值上进行操作。 相对应，液晶的折射系数也可以分为两个方向上的分量【3 2 】：与指向矢垂直的分 量力。和与指向矢平行的分量。如图3 2 所示，作为单光轴晶体，可以用折射率的 椭球来描述各个方向上的折射率。折射率椭球的长轴对应寻常光折射率，短轴则 对应非常光折射率n 。对于线状的液晶来说，有n i = ，伟= 。当光入射到 液晶材料时，受到两个折射率的影响，从而导致在垂直液晶长轴和平行于液晶长轴 方向上的传播速度有所不同。如果光的行进方向平行于分子长轴时的速度小于垂直 于分子长轴方向的速度时，这意味着平行分子在长轴方向上的折射率大于垂直方向 上的折射率( 由于光速与折射率成反比) ，即双折射率a n 0 ，为光学征型的液晶， 线状液晶与层状液晶几乎均属于光学正型的液晶。如果光的行进方向平行予长轴时 的传播速度较快，则意味着平行长轴方向的折射率要比垂直方向的折射率小，即双 折射率a n p o j a r i z e r p l n a l y z e r 图3 - 3l c - s l m 的结构图示 液晶薄层两侧的基片经过一些适当的处理，使液晶分子在两基面表面处都是沿 面排列分布的，但是它们的长轴方向相差9 0 0 夹角，于是在基片间的液晶层进一步 分成了更多的薄层，每一层内液晶分子的方向基本上一致，且都平行于层面；许多 层之间相邻层的液晶分子的取向逐渐变成转过了一个角度，这样就形成了扭曲向列 的排列方式，当没有给液晶片两端加电场时，可以把液晶片看作被分成许多与z 轴 方向正交垂直的液晶薄片，且每个薄片都可以看成是相同的，如图3 - 4 所示，当沿 着z 轴方向给其加上电场时，所有的液晶分子将朝电场方向转过一个角度p ，侈与 所加电压v 之间的函数关系如下： 1 3 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 0 = 0 y _ 2 t a n 1 h v - g c 一) ) 慨 p - ， z 图3 - 4 扭曲一向列型液晶的分子排列 此处的v c 是个阈值电压，当小于v c 时不发生偏转( 口= 0 ) 。v o 足电压的个 中间值，当v v o 的时候，偏转角口与v 成正比，随v 的增加而增加，直到达到口的 饱和值州2 的时候，会发生分子取向的偏转，此时光沿z 轴传播的折射系数和 吃也会有所改变，其关系如下式： ( 门2 ( o ) ) 一= 导+ 等卑 p 2 ) 如图3 4 所示，液晶盒中的液晶分子是按层分布的，它们的琼斯矩阵与各寻常光 折射率、非寻常光折射率吃以及各分子取向之间有一定的函数关系，总的琼斯 矩阵可表示为各自矩阵的乘积，如下： -，=expc一，扔一cos(-r三+_)jsi(p-；-)sinrc o s ；曼1 _ ， i _( ) s i n r ( 3 3 ) 上舯，= ( 刀) ( 心一) 和( 万) ( + ) 产腼，允表示光波 波长，d 表示液晶盒的厚度。 l c s l m 对光束的调制特性主要是l c s l m 的双折射性和旋光偏振性。当一束 光在垂直方向上照射到此l c 。s l m 时，由上面介绍的琼斯矩阵算法可求出透射光的 1 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 表达式为： = 珊( ) 足( 孚 ，( 力咖胆 ( 3 - 4 ) 由式( 3 4 ) 进而可以得到光线的透射率r 以及产生的相移万分别为： r = ( 昙) s t n ( r ) c 。s ( 一沙：) + c o s ( r ) s i n ( 沙，一) 2 + ( 等) s i n ( ，) s i n ( + y ：) 2 ( 3 - 5 ) 万咿一咖( ，) 如( 训 ( 势n ( ，) c o s ( 训 + c o s ( r ) s i n ( 一y ：) ( 3 6 ) 3 3 液晶空间光调制器的驱动 本论文设计的液晶空间光调制器驱动电路的原理方框图如图3 5 所示，首先将计 算机中的图像数据通过单片机的串口依次存储在两片s r a m 数据缓存芯片中，此时 由c p l d 产生两片s r a m 的地址以及读写控制信号。数据存储完毕后，依次从s r a m 的相应地址中读取数据，然后通过数模转换器将数字信号转换为模拟信号，再由运放 芯片进行电压幅度的改变，使之满足l c s l m 的要求，同时通过c p l d 产生液晶模块 的行列扫描信号，并写入相应的像素，完成液晶空间光调制器的驱动，后面各小节将 更加详细的介绍了各个模块的功能与设计。 ”辫扫l d a 转换器 图3 - 5 系统的原理图框架 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 3 3 1 系统驱动硬件系统设计 3 3 1 1 液晶显示模块 本论文选用的液晶显示模块是由索尼公司生产的l c x 0 1 6 型液晶模块p 引，其外 观形状结构如图3 - 6 ，是一块1 3 寸大小的透射式黑白投影显示液晶板，图3 7 是其 内部结构图。 ， 图3 - 6l c x 0 1 6 形状结构图 图3 - 7l c x 0 1 6 内部结构原理图 1 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s l c x 0 1 6 性能参数如下 3 8 1 ： 1 ，。个有源像素点 适用的微机设备有m a c i n t o s h l 7 ( 8 3 2 6 2 4 ) ， s v g a ( 8 0 0 x 6 0 0 ) ，v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 ) ，p c 9 8 ( 6 4 0 x 4 0 0 ) 等。 支持双倍的视频信号处理n t s c ( 6 4 0 x 4 8 0 ) ，p a l ( 7 6 2 x 5 7 2 ) 。 高光学投射比：“o o 咖 正常情况下透射模式对比率：2 0 0 咖 内嵌行、列驱动( 输入标准转化模式，v 驱动) 改变显示顺序功能 l c x 0 1 6 的引脚说明见表3 1 。本模块中最重要的是行列扫描信号，具体由行扫 描信号h s t 、h c k l 、h c k 2 和列扫描信号v c k 、v s t ，s i g l s i g 6 分别是要写 入的6 个模拟图像信号，由于l c x 0 1 6 每次刷新6 个像素点，缩短了列扫描的时间 达6 倍。表3 - 2 列出了m o d e l m o d e 3 三种显示模式的设置及每种显示模式的图 像分辨率，硬件系统巾采用拨码丌关来实现这一功能。p c g 是进行优化的使能信号， 当p c g 有效时，归一优化信号p s i g 进行信号的优化。r g t 是水平方向的扫描控 制信号，r g t 为高时，进行自左向右的行扫描，反之自右向左进行扫描，d w n 为垂直方向的扫描控制信号，d w n 置高列扫描从上往下扫描，反之从下往上扫描， c o m 脚是液晶模块的公共电压，h v d d 是水平方向( 行) 扫描驱动电源。图3 8 是显示模式的硬件设计电路图。 表3 ，ll c x 0 1 6 弓l 脚说明表 p i n n o s y m i b o ld 刚p d o n n o s y m b o ld e 8 c 怖由b n 1p s l o u n i f o n n n i t yi m p r o v e m e n ts i g n a l 1 3h s t s t a r tp u l s ef o rhs h i f tr e g i s t e r d r i v e 2s l g 珥 v i d e os i g n a l4t op a n e l1 4卜l c k l c l o c kp u w s ef o ri ts h i f tr e g i s 儋r d r i v e 3s i g 3v i d e os i g n a l3t op a n e l 1 5h c k 2 c l o c kp u l s ef o rhs h i f tr e g i s t e r d r i v e 4s i g 5 v u 矗t os 幻n g5t op a n e l 6v u g n d ( h vt i d y * m ) 5s i g 2v i d e os i g n a l2t op a n e l1 78 l kb l a c kf r a m ed i s p l a yp u l s 口 6s i g 6v i d e os i g n a i6t op a n e l1 8e n be n a b l ep u l s ef o rg i n es e l e c t i o n 7 s i g lv i d e os i g n a l1t op a n e l 1 9v c k c l o c kp u l s ef o rvs h i f tr e g i s t e r d r i v e 8h v o op o w e rs u p l ) l yf o rhd r i v e r2 0 v s 弋 s t a r tp u l s ef o rvs h i f tr e g i s t e r d r i v e 9r g t2 1p c g i m p r o v e m e n tp u l s ef o ru n i f o r m i t y d r i v ed i r e c t i o np u l s ef o rhs h i f t r e g i s t e r h 二n o r m a l l ：f e v e 罩e ， 1 0m o d e 3 d i s p l a ya r e as w i t c h i n g3 2 2d w n d r i v ed i r e c t i o np u l s ef o rvs h i f t r e g i s t e r h ：n o f l r n a l l ：r e v e r s e ) ”m o d e 2 o m p l a ya r e as w i t c h i n g2 2 3v v p o w e rs u p p l yf o rvd r i v e r 1 2m o d e d i s p l a ya r e as w i t c h i n g 2 4c o mc o m m o nv o l t a g eo fp a n e l 1 7 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 表3 - 2 显示模式选择逻辑 m o o e lm o d e 2m o d e 3 d i s p l a ym o d e m a c i n t o s h17 lll 8 3 2 6 2 4 s v g a llh 8 0 0 6 0 0 p a l lhl 7 6 2 5 7 2 v g a ，n 丁s c lhh 6 4 0 4 8 0 p c 9 8 hll 6 4 0 4 0 0 葛w u j 上7 葛 。 图3 - 8 显示制式和扫描顺序控制电路图 下面将给出由c p l d 产生的液晶驱动模块的行列扫描信号及其使能信号的相关 程序： 产木 謇幸幸+ 宰 事宰 宰行列扫描信号v c kh c k 信号的产生车j | 幸幸幸幸毒幸 幸幸孛 幸 a l w a y s ( p o s e d g ec l k 2 ) b e g i n i f ( c n t 3 1 ) c n t 3 = c n t 3 + 1 ； e l s e b e g i n c n t 3 = o ； v c k = v c k ； 1 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s h c k i = - - h c k l ： h c k 2 = h c k l ； e n d e n d 。 户木枣木奉毒幸辜枣宰奉枣掌e n b ，v s t ，h s t ，p c g 使能脉冲的产生( 行列扫描的使能) 幸枣木车毒奉毒幸奉宰搴宰事， a l w a y s ( p o s e d g el e 6 ) b e g i n e n b = 0 ； v s t = 0 ； h s t = 0 ； p c g = 0 ； i f ( c n t l 1 ) b e g i n e n b 厄n b ； v s t 白v s t ； h s t = h s t ； p c g 剐c g ； c n t l = c n t l + 1 ； e n d e l s e b e g i n e n b = 0 ； v s t = 0 ； h s t = 0 ； p c g = 0 ； c n t l = c n t l + l ； e n d 3 3 1 2 串口通信模块 1 9 硕士学位论文 m a s t e r st i i e s i s 本系统采用的单片机是p h i l i p s 公司的p 8 9 c 6 1 x 2 3 9 ，它采