一種基于偏振原理和FPGA的調(diào)光系統(tǒng)設計

近幾十年，光的偏振在科學技術及工業(yè)生產(chǎn)中已有廣泛應用[1]，例如偏振太陽鏡、偏振望遠鏡、飛機和輪船上的濾光玻璃窗、照相機的偏振濾光片、偏振檢眼鏡等。但以上對偏振片的應用中，偏振片的角度相對固定，因此無法做到對光照強度的實時調(diào)節(jié)以及定量調(diào)節(jié)。本文采用高速FPGA器件Cyclone EP1C3 實現(xiàn)光強測控，利用舵機控制偏振片角度實現(xiàn)自動調(diào)光，對光照強度的調(diào)節(jié)范圍較大。

1光偏振原理分析

自然光是一種電磁波，具有橫波的偏振特性[2]。設在平面振動的光矢量A,在x、y方向的振幅分別為Ax與Ay，振動相位差為δ,設經(jīng)過第一片偏振片后偏振最大透振方向PM與x軸夾角為θ，并設Pm為與PM正交的方向。如圖1(a)所示。

假設理想偏振片最大振幅透過率為1，最小振幅透過率為0，則透射光強為:


在光路中放入偏振片P1 作為起偏器，設自然光強為E0，此時任何方向上投射光強E成為線偏振光，即:
其中A1、E1為經(jīng)過起偏器P1后光振幅與光強，E2為經(jīng)過檢偏器P2后光強。如圖1(b)所示。通過測量E2，即可得到光強值，并通過進一步計算獲得舵機轉(zhuǎn)動控制變量。

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 整體系統(tǒng)
基于偏振原理的光強測控系統(tǒng)包括以下幾個部分：光強采樣裝置、基于FPGA的信號采集與處理模塊[3]、舵機控制模塊、電源模塊以及鍵盤顯示單元。如圖2所示。

光線透過偏振片裝置，由光電轉(zhuǎn)換電路將光強值轉(zhuǎn)換為電信號。該電信號經(jīng)差動放大后由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集，由接口電路實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。FPGA模塊完成對光強信號的實時檢測，并加以修正。接著通過計算得到舵機轉(zhuǎn)動變量，并控制舵機轉(zhuǎn)動，帶動與舵機連接的偏振片旋轉(zhuǎn)，進而改變兩偏振片夾角，實現(xiàn)光強的調(diào)節(jié)。鍵盤顯示單元可實現(xiàn)對所需光強的設定，該設定值參與FPGA對光強的計算處理過程。顯示單元可同時顯示設定光強值與調(diào)節(jié)后光強值，便于監(jiān)控與檢測調(diào)節(jié)效果。

本裝置選用的FPGA是Altera公司生產(chǎn)的Cyclone EP1C3，內(nèi)核采用1.5 V供電，功耗小，F(xiàn)PGA的端口工作電壓為3.3 V。FPGA的I/O端口可自由定義，電路設計方便，編程靈活且為并行執(zhí)行方式，不易受外部干擾。由于FPGA本身不具備A/D轉(zhuǎn)換模塊，必須使用外加A/D轉(zhuǎn)換電路，本裝置采用ADC0820AC作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。

2.2 光強采樣與處理

通過偏振裝置的光信號，由光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號。光電傳感器(光電二極管)工作在線性范圍，傳感器輸出電流經(jīng)過采樣電阻產(chǎn)生壓降，經(jīng)差動放大電路放大。采用基于OP07的差動放大電路[4]，正負輸入分別為與光電二極管串聯(lián)的采樣電阻的端電壓，依此可減小溫度漂移等因素對信號采集產(chǎn)生的影響，并起到緩沖隔離作用。通過上述電路，輸出電壓為：


放大后的電壓在0~5 V內(nèi)，通過 A/D變換，變換后的數(shù)據(jù)值經(jīng)過FPGA處理，可得到輸入光照強度與PWM占空比控制變量的一一對應關系，依此對應關系輸出PWM 波，控制舵機轉(zhuǎn)動，帶動偏振片P2 旋轉(zhuǎn)一定角度，以改變兩偏振片之間夾角，從而實現(xiàn)對光強的調(diào)節(jié)。

光強采樣與信號轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2.3 基于偏振片的調(diào)光裝置

基于改變兩片偏振片夾角來調(diào)節(jié)透光強度的原理，先固定偏振片P1，將偏振片P2 與舵機旋葉連接，通過舵機旋轉(zhuǎn)帶動偏振片P2 偏轉(zhuǎn)，從而改變偏振片P1 與P2 夾角，進而調(diào)節(jié)光照強度。試驗裝置中測定了某一較強的光照強度，并將其相對強度定義為100，以之作為整個裝置的光強參考值。在實際應用中，需要經(jīng)過較精密的儀器對實際光照強度進行測量，并與該參考值進行線性換算。

舵機的控制信號是PWM 信號，利用占空比的變化，改變舵機的位置。其控制信號線的輸入是一個脈寬可調(diào)的周期性脈沖信號，周期為20 ms。當脈寬改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈寬成正比。理論上，PWM占空比控制量精度越高，舵機偏轉(zhuǎn)角度精度越高，對轉(zhuǎn)角的控制越精確。但在本實驗中，由于偏振片精度限制，舵機轉(zhuǎn)角不宜過小。將舵機180°轉(zhuǎn)角范圍分為50等份，采用舵機最小轉(zhuǎn)角為3.6°進行試驗，能夠保證實驗精度。并且PWM經(jīng)光耦隔離后，送至舵機控制線，起到排除系統(tǒng)潛在干擾的作用。

3 FPGA算法設計

由以上討論可知，光強的控制在于兩偏振片夾角的控制。由于角度偏轉(zhuǎn)取決于舵機轉(zhuǎn)角，而舵機的偏轉(zhuǎn)由輸入PWM占空比調(diào)節(jié)，所以建立光照強度與PWM占空比的對應關系：

圖4為實測中得到的電壓Uo與調(diào)控偏振片夾角的PWM控制量的關系曲線，以及該曲線的理論值。

3.1實時光強修正算法

在試驗測試中，測定了某一較強的光照強度，并將其相對強度定義為100,并以此為參考值建立光強與PWM波占空比的控制量對應表。在實際應用中，需要對實際光強值進行測量,并與該參考值進行線性換算，得到查表所需的光強值。

因此，將所需光強利用上式計算，得出修正值代替所需光強值進行查表，即可得到修正后對應轉(zhuǎn)角的PWM占空比的控制量，進而控制舵機轉(zhuǎn)動。

由此，設計FPGA 整體算法架構[5-6]，如圖6所示。

文章介紹了基于偏振原理的自動調(diào)光系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)通過光電傳感，經(jīng)信號采集、修正，獲得舵機偏轉(zhuǎn)控制量，進而改變兩偏振片之間的夾角，從而改變通光率，對光強實現(xiàn)自動的較精確的控制，并且可以設定光照強度值，實現(xiàn)程控機械裝置對光線的自動調(diào)節(jié)。結果表明，系統(tǒng)測量精度較高，實時調(diào)節(jié)性較好，具有實踐應用的潛力。