电控液晶微光学组件多路控制仪

摘要

传统光学透镜通过将一定折射率的光学材料形成特定厚度及形貌轮廓，使光线在贯穿透镜时产生弯折，实现聚光或散光功能。电控液晶微透镜则可以在不改变透镜形状这一前提下，通过施加电信号来调节电极板间的空间电场分布，调变分布在电场中的液晶材料其指向矢的空间排布，使液晶材料折射率产生有序变化，从而对行进光波施加汇聚或发散操作。这种通过施加空间电场来改变液晶微透镜光学特性技术，呈现出传统透镜所无法比拟的优势，具有广阔的应用前景。由于电极板间所构建的空间电场其物理属性，直接关系到液晶微透镜的光场调变性能，如典型的电场极性改变、驱控信号频率或电压幅值调变，都会影响液晶微透镜的光学行为等。因此，设计具有所输出的电压信号可动态调节，电压变化范围宽、调变精度高、波形及频率可变化的电控液晶驱控装置，具有重要应用价值。本文对早期的液晶简单控制装置进行了重新设计和再开发，研制了电控液晶微光学组件多路控制仪。主要内容包括：高效能电路的选型和仿真，电路板卡设计和软件调试设计，整机性能测试与评估，用于多种液晶微光学器件的功能测调和典型成像探测应用等。本文的主要创新点是：从性能扩展、安全性和易用性这三个方面，设计和制作了电控液晶微光学组件多路驱控设备，有效克服和解决了早期装置所存在的问题。
　　在性能扩展方面：（一）显著增大了输出信号幅值范围，将信号峰峰值从96V扩大到200V，扩展一倍以上；（二）可任意选择多种波形，早期装置工作时只能有效提供方波输出，本文系统增加了正弦波、锯齿波和用户任意自定义波形输出功能；（三）输出通道数扩展，早期系统只有8路输出，本文系统增加到16路同步输出，有效解决了信号稳定并行输出问题。
　　在安全性方面：（一）采用具有热关断功能的单芯片放大方案替代早期装置中的级联放大方案，即使在高电压输出时发热量较大引发短路，系统也不会发生连锁损坏；（二）增加了温度监控报警模块并合理配置了微散热管和高效风扇，系统具备因长时间工作引发内部温升至阈值时会启动报警并作降温处理功能。
　　在易用性方面：（一）选用旋钮式调节输出信号电压方案代替早期的数字控制方案，数字控制调节方案虽然较为简便，但在需要快速提供连续变化的空间电场来观测光学变换效能等情形时，显得繁琐甚至会影响测控操作；（二）增加了带触控功能的大尺寸液晶屏，使人机交互界面友好，操作简单易用并具有用户参数实时存储功能，再次开机时可避免重新配置电学参数。

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1 绪论

1.1 液晶及其电光特性

1.2 电控液晶微光学典型应用

1.3 电控液晶光学组件控制仪需求分析

1.4 本文章节安排

2系统方案研究

2.1 总体方案设计

2.2 源信号发生器

2.3 信号放大电路

2.4 输出信号采样电路

2.5 人机交互及外围功能电路方案设计

2.6 主控模块芯片选型及系统实现框图

2.7 本章小结

3 系统硬件设计

3.1 电源系统

3.2 信号调理电路

3.3 信号放大电路

3.4 多路信号采集电路

3.5 温控报警电路

3.6 用户设置参数存储电路

3.7 串口电平转换电路

3.8 数字控制PCB板

3.9 本章小结

4 系统软件设计

4.1 高精度DDS发生器

4.2 AD7606模数转换模块

4.3 多点采样及软件滤波

4.4 FPGA与MSP430通信机制

4.5 DS18B20软件设计

4.6 MSP430工作流程图

4.7 交互界面设计

4.8 本章小结

5 系统性能测试与分析

5.1 电控液晶光学组件多路信号控制仪

5.2 典型光学系统应用

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 设计总结

6.2 设计展望

致谢

参考文献

附录1 MSP430主要部分程序代码