基于偏振原理和FPGA的调光系统设计

作者: 生物  发布:2019-04-18

  近几十年,光的偏振在科学技术及工业生产中已有广泛应用[1],例如偏振太阳镜、偏振望远镜、飞机和轮船上的滤光玻璃窗、照相机的偏振滤光片、偏振检眼镜等。但以上对偏振片的应用中,偏振片的角度相对固定,因此无法做到对光照强度的实时调节以及定量调节。本文采用高速器件Cyclone EP1C3 实现光强测控,利用舵机控制偏振片角度实现自动调光,对光照强度的调节范围较大。

  自然光是一种电磁波,具有横波的偏振特性[2]。设在平面振动的光矢量A,在x、y方向的振幅分别为Ax与Ay,振动相位差为,设经过第一片偏振片后偏振最大透振方向PM与x轴夹角为,并设Pm为与PM正交的方向。如图1(a)所示。

  在光路中放入偏振片P1 作为起偏器,设自然光强为E0,此时任何方向上投射光强E成为线偏振光,即:

  其中A1、E1为经过起偏器P1后光振幅与光强,E2为经过检偏器P2后光强。如图1(b)所示。通过测量E2,即可得到光强值,并通过进一步计算获得舵机转动控制变量。

  基于偏振原理的光强测控系统包括以下几个部分:光强采样装置、基于FPGA的信号采集与处理模块[3]、舵机控制模块、电源模块以及键盘显示单元。如图2所示。

  光线透过偏振片装置,由光电转换电路将光强值转换为电信号。该电信号经差动放大后由模数转换模块采集,由接口电路实现电平转换。FPGA模块完成对光强信号的实时检测,并加以修正。接着通过计算得到舵机转动变量,并控制舵机转动,带动与舵机连接的偏振片旋转,进而改变两偏振片夹角,实现光强的调节。键盘显示单元可实现对所需光强的设定,该设定值参与FPGA对光强的计算处理过程。显示单元可同时显示设定光强值与调节后光强值,便于监控与检测调节效果。

  本装置选用的FPGA是Altera公司生产的Cyclone EP1C3,内核采用1.5 V供电,功耗小,FPGA的端口工作电压为3.3 V。FPGA的I/O端口可自由定义,电路设计方便,编程灵活且为并行执行方式,不易受外部干扰。由于FPGA本身不具备A/D转换模块,必须使用外加A/D转换电路,本装置采用ADC0820AC作为A/D转换芯片。

  通过偏振装置的光信号,由光电传感器转换为电信号。光电传感器(光电二极管)工作在线性范围,传感器输出电流经过采样电阻产生压降,经差动放大电路放大。采用基于OP07的差动放大电路[4],正负输入分别为与光电二极管串联的采样电阻的端电压,依此可减小温度漂移等因素对信号采集产生的影响,并起到缓冲隔离作用。通过上述电路,输出电压为:

  放大后的电压在0~5 V内,通过 A/D变换,变换后的数据值经过FPGA处理,可得到输入光照强度与PWM占空比控制变量的一一对应关系,依此对应关系输出PWM 波,控制舵机转动,带动偏振片P2 旋转一定角度,以改变两偏振片之间夹角,从而实现对光强的调节。

  基于改变两片偏振片夹角来调节透光强度的原理,先固定偏振片P1,将偏振片P2 与舵机旋叶连接,通过舵机旋转带动偏振片P2 偏转,从而改变偏振片P1 与P2 夹角,进而调节光照强度。试验装置中测定了某一较强的光照强度,并将其相对强度定义为100,以之作为整个装置的光强参考值。在实际应用中,需要经过较精密的仪器对实际光照强度进行测量,并与该参考值进行线性换算。

  舵机的控制信号是PWM 信号,利用占空比的变化,改变舵机的位置。其控制信号线的输入是一个脉宽可调的周期性脉冲信号,周期为20 ms。当脉宽改变时,舵机转轴的角度发生改变,角度变化与脉宽成正比。理论上,PWM占空比控制量精度越高,舵机偏转角度精度越高,对转角的控制越精确。但在本实验中,由于偏振片精度限制,舵机转角不宜过小。将舵机180转角范围分为50等份,采用舵机最小转角为3.6进行试验,能够保证实验精度。并且PWM经光耦隔离后,送至舵机控制线,起到排除系统潜在干扰的作用。

  由以上讨论可知,光强的控制在于两偏振片夹角的控制。由于角度偏转取决于舵机转角,而舵机的偏转由输入PWM占空比调节,所以建立光照强度与PWM占空比的对应关系:

  图4为实测中得到的电压Uo与调控偏振片夹角的PWM控制量的关系曲线,以及该曲线的理论值。

  在试验测试中,测定了某一较强的光照强度,并将其相对强度定义为100,并以此为参考值建立光强与PWM波占空比的控制量对应表。在实际应用中,需要对实际光强值进行测量,并与该参考值进行线性换算,得到查表所需的光强值。

  因此,将所需光强利用上式计算,得出修正值代替所需光强值进行查表,即可得到修正后对应转角的PWM占空比的控制量,进而控制舵机转动。

  文章介绍了基于偏振原理的自动调光系统的设计。系统通过光电传感,经信号采集、修正,获得舵机偏转控制量,进而改变两偏振片之间的夹角,从而改变通光率,对光强实现自动的较精确的控制,并且可以设定光照强度值,实现程控机械装置对光线的自动调节。结果表明,系统测量精度较高,实时调节性较好,具有实践应用的潜力。

本文由365bet备用网址于2019-04-18日发布