一種基于偏振原理和FPGA的調光系統設計

近幾十年，光的偏振在科學(xué)技術(shù)及工業(yè)生產(chǎn)中已有廣泛應用[1]，例如偏振太陽(yáng)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(wú)法做到對光照強度的實(shí)時(shí)調節以及定量調節。本文采用高速FPGA器件Cyclone EP1C3 實(shí)現光強測控，利用舵機控制偏振片角度實(shí)現自動(dòng)調光，對光照強度的調節范圍較大。

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(dòng)的光矢量A,在x、y方向的振幅分別為Ax與Ay，振動(dòng)相位差為δ,設經(jīng)過(guò)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(guò)率為1，最小振幅透過(guò)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(shí)任何方向上投射光強E成為線(xiàn)偏振光，即:
其中A1、E1為經(jīng)過(guò)起偏器P1后光振幅與光強，E2為經(jīng)過(guò)檢偏器P2后光強。如圖1(b)所示。通過(guò)測量E2，即可得到光強值，并通過(guò)進(jìn)一步計算獲得舵機轉動(dòng)控制變量。

2 硬件系統設計

2.1 整體系統
基于偏振原理的光強測控系統包括以下幾個(gè)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(pán)顯示單元。如圖2所示。

光線(xiàn)透過(guò)偏振片裝置，由光電轉換電路將光強值轉換為電信號。該電信號經(jīng)差動(dòng)放大后由模數轉換模塊采集，由接口電路實(shí)現電平轉換。FPGA模塊完成對光強信號的實(shí)時(shí)檢測，并加以修正。接著(zhù)通過(guò)計算得到舵機轉動(dòng)變量，并控制舵機轉動(dòng)，帶動(dòng)與舵機連接的偏振片旋轉，進(jìn)而改變兩偏振片夾角，實(shí)現光強的調節。鍵盤(pán)顯示單元可實(shí)現對所需光強的設定，該設定值參與FPGA對光強的計算處理過(guò)程。顯示單元可同時(shí)顯示設定光強值與調節后光強值，便于監控與檢測調節效果。

本裝置選用的FPGA是Altera公司生產(chǎn)的Cyclone EP1C3，內核采用1.5 V供電，功耗小，FPGA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行方式，不易受外部干擾。由于FPGA本身不具備A/D轉換模塊，必須使用外加A/D轉換電路，本裝置采用ADC0820AC作為A/D轉換芯片。

2.2 光強采樣與處理

通過(guò)偏振裝置的光信號，由光電傳感器轉換為電信號。光電傳感器(光電二極管)工作在線(xiàn)性范圍，傳感器輸出電流經(jīng)過(guò)采樣電阻產(chǎn)生壓降，經(jīng)差動(dòng)放大電路放大。采用基于OP07的差動(dòng)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(guò)上述電路，輸出電壓為：


放大后的電壓在0~5 V內，通過(guò) A/D變換，變換后的數據值經(jīng)過(guò)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(guān)系，依此對應關(guān)系輸出PWM 波，控制舵機轉動(dòng)，帶動(dòng)偏振片P2 旋轉一定角度，以改變兩偏振片之間夾角，從而實(shí)現對光強的調節。

光強采樣與信號轉換電路如圖3所示。

2.3 基于偏振片的調光裝置

基于改變兩片偏振片夾角來(lái)調節透光強度的原理，先固定偏振片P1，將偏振片P2 與舵機旋葉連接，通過(guò)舵機旋轉帶動(dòng)偏振片P2 偏轉，從而改變偏振片P1 與P2 夾角，進(jìn)而調節光照強度。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(gè)裝置的光強參考值。在實(shí)際應用中，需要經(jīng)過(guò)較精密的儀器對實(shí)際光照強度進(jìn)行測量，并與該參考值進(jìn)行線(xiàn)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(xiàn)的輸入是一個(gè)脈寬可調的周期性脈沖信號，周期為20 ms。當脈寬改變時(shí)，舵機轉軸的角度發(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，舵機偏轉角度精度越高，對轉角的控制越精確。但在本實(shí)驗中，由于偏振片精度限制，舵機轉角不宜過(guò)小。將舵機180°轉角范圍分為50等份，采用舵機最小轉角為3.6°進(jìn)行試驗，能夠保證實(shí)驗精度。并且PWM經(jīng)光耦隔離后，送至舵機控制線(xiàn)，起到排除系統潛在干擾的作用。

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。由于角度偏轉取決于舵機轉角，而舵機的偏轉由輸入PWM占空比調節，所以建立光照強度與PWM占空比的對應關(guān)系：

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

3.1實(shí)時(shí)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(shí)際應用中，需要對實(shí)際光強值進(jìn)行測量,并與該參考值進(jìn)行線(xiàn)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(jìn)行查表，即可得到修正后對應轉角的PWM占空比的控制量，進(jìn)而控制舵機轉動(dòng)。

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(dòng)調光系統的設計。系統通過(guò)光電傳感，經(jīng)信號采集、修正，獲得舵機偏轉控制量，進(jìn)而改變兩偏振片之間的夾角，從而改變通光率，對光強實(shí)現自動(dòng)的較精確的控制，并且可以設定光照強度值，實(shí)現程控機械裝置對光線(xiàn)的自動(dòng)調節。結果表明，系統測量精度較高，實(shí)時(shí)調節性較好，具有實(shí)踐應用的潛力。