近幾十年，光的偏振在科學技術及工業生產中已有廣泛應用[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節以及定量調節。本文采用高速FPGA器件Cyclone EP1C3 實現光強測控，利用舵機控制偏振片角度實現自動調光，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為經過起偏器P1后光振幅與光強，E2為經過檢偏器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動控制變量。
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，由光電轉換電路將光強值轉換為電信號。該電信號經差動放大后由模數轉換模塊采集，由接口電路實現電平轉換。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動變量，并控制舵機轉動，帶動與舵機連接的偏振片旋轉，進而改變兩偏振片夾角，實現光強的調節。鍵盤顯示單元可實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程。顯示單元可同時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)工作在線性范圍，傳感器輸出電流經過采樣電阻產生壓降，經差動放大電路放大。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，通過 A/D變換，變換后的數據值經過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，控制舵機轉動，帶動偏振片P2 旋轉一定角度，以改變兩偏振片之間夾角，從而實現對光強的調節。
　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，通過舵機旋轉帶動偏振片P2 偏轉，從而改變偏振片P1 與P2 夾角，進而調節光照強度。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，以之作為整個裝置的光強參考值。在實際應用中，需要經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的周期性脈沖信號，周期為20 ms。當脈寬改變時，舵機轉軸的角度發生改變，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。但在本實驗中，由于偏振片精度限制，舵機轉角不宜過小。將舵機180°轉角范圍分為50等份，采用舵機最小轉角為3.6°進行試驗，能夠保證實驗精度。并且PWM經光耦隔離后，送至舵機控制線，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占空比的對應關系：

    圖4為實測中得到的電壓Uo與調控偏振片夾角的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角的PWM占空比的控制量，進而控制舵機轉動。
    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光系統的設計。系統通過光電傳感，經信號采集、修正，獲得舵機偏轉控制量，進而改變兩偏振片之間的夾角，從而改變通光率，對光強實現自動的較精確的控制，并且可以設定光照強度值，實現程控機械裝置對光線的自動調節。結果表明，
    系統測量精度較高，實時調節性較好，具有實踐應用的潛力。
參考文獻
[1] 趙成華，茅央波，顧鞠觀，等.偏振光在智能樓字中的應用[J].現代科技，2009，8（11）：41-42.
[2] 王永鈴，蔡履中.用實際偏振片檢測光的偏振態[J].物理實驗，2000，20（8）：10-11.        
[3] 周潤景，圖雅，張麗敏.基于Quartus II的FPGA/CPLD數字系統設計實例[M].北京：電子工業出版社，2007：289-365.
[4] 馬場清太郎.運算放大器應用電路設計[M].何希才譯. 北京：科學出版社，2007:135-164.
[5] NOWLIN R W, SUNDARAJAN R A. VHDL course for  electronics engineering technology[J].Computers in Education Journal, 1998,8(3):17-20.
[6] MAKHIJANI H, MEIER S. A high level design solution  for FPGA′s[J].WESCON/94.Idea/Microelectronics. Conference Record, 1994:596-603.