Лазерный проектор

Я думаю, все видели лазерные эффекты, которые демонстрируются на дискотеках  или фестивалях. Есть две категории лазерных эффектов. Первый создает эффект  луча, он показывает лазерные лучи. Другой эффект экран, он показывает лазерной графикой нарисованные на экране движущиеся фигуры. Первый распространен лучше, чем второй. Эффект луча очень интересен, так что многие шоу его используют. Лазерное оборудование, работающее в лазерном шоу, называют лазерным проектором.

Фото 1. XY сканирования руководитель

Наиболее важным компонентом для лазерных проекторов является лазерный блок. Ne-лазера использовали в начале, (разноцветный лазер смешанный с газом).

Рисунок 1.  Типичный лазерный проектор

В основном, лазерные проекторы используются для индустрии развлечений. Большинство высокого класса лазерные проекторы выполняются на заказ. Рисунок 1 показывает функциональную схему типичного лазерного проектора. Кажется, готовые лазерные проекторы имеют только XY сканер, который может использоваться для самых общих эффектов. В этом проекте, я выбрал лишь XY сканер для проецирования точной лазерной графики и анимации.

Лазер

Лазерный газ имеет очень низкий КПД и его трудно использовать. Недавно появились компактные и  высокоэффективные (простые в использовании) твердотельные полупроводниковые и DPSS лазера. Цвет твердотельного лазера в настоящее время красный и зеленый.

Гашение / модулятор

Схема гашения выключает лазерный луч. Большинство газовых лазеров требуют этот механизм , так как не могут модулировать выходную мощность быстро. Гальванометр используется для механизма обратного хода луча в качестве его привода для перемещения прерывателя. Для разноцветной системы, например, смешанного газового лазера, оптический модулятор, называемой PCAOM, используется для управления каждым цветом линии. Механическое гашение затвора кроме безопасности, часто запускается на лазерном проекторе с помощью его же.

Луч коммутатор / Эффектор

Коммутатор луча представляет собой механизм, который питает лазерный луч для выбранного эффекта, и он же коммутирует лазерный луч с любым оптическим фильтром. Поскольку в переключении скорости особой точности не требуется, для перемещения оптики  используются шаговые двигатели и соленоиды. Оптический фильтр, используемый для эффектора, распространяет или рассеивает лазерный луч. Лазерный луч проходит через эффектор и создает всплеск луча.  Как только свет отражается, возникает абстрактный рисунок.

XY сканер

Рисунок 2. XY Scanner

Сканер XY является наиболее общим компонентом, который может контролировать вектор луча. Рисунок 2 показывает принцип сканера XY. Два Galvos установлены в ортогональной плоскости, входящий лазерный луч отскакивает от оси Х Galvo (зеркало) и идет на ось Y Galvo (зеркало), после чего переходит в экранное пространство. Направление луча может быть определено путем комбинаций угла отклонения двух зеркал. Для экранного эффекта важна скорость XY отражателей, насколько это возможно для хорошего качества изображения. В настоящее время используется только Galvo с обратной связью.

Построение модуля лазера

Фото 2. Регулятор температуры лазерного блока

Я купил зеленый лазерный модуль за 6720 иен в Kyoritsu Denshi . Это лазерный модуль DPSS имеет характеристики линзы 532nm/5mW (мин). Мощность при измерении 15 мВт без какой-либо корректировки, и 20 мВт при максимальном положении подстроечного резистора. Испытания показали, когда лазерный модуль работает долгое время, выходная мощность уменьшается из-за повышения температуры. Этот лазерный модуль для дешевой лазерной указки, и поэтому я построил  блок контроля температуры и внешней модуляции.

Фотография 2 демонстрирует построенный зеленый лазерный блок.

Схема управления лазерным блоком

Для контроля температуры используется простой ПИ-регулятор. MCU считывает сопротивление термистора с лазерного модуля, анализирует ошибки между температурой модуля и настройками температуры. Выходная мощность лазера может модулироваться и отключается от внешнего источника модуляции с помощью MCU, чтобы защитить лазерный модуль, когда температура превышена.

Замкнутый контур  управления

Рисунок 3. Значения Galvos

переходная характеристика

Вал Galvo балансирует между генерируемым крутящим моментом ротора и восстанавливающим моментом пружины кручения стержня. Это принцип работы традиционного гальванометра. Гальванометр является одним из электрических приборов, используемых для обнаружения небольшого тока, его схематический символ G. Вращение ротора пропорционально току катушки. Однако управление полосой пропускания от разомкнутой Galvos ограничена, поскольку тот имеет резонансную частоту, которая определяется инерцией ротора и пружины. Положение ротора обнаруживается датчиком положения. Идет сравнение заданного значения положения и действительным положения ротора ( обратный Contorl или серво Contorl). Что улучшает скорость сканирования и точность  управления, чтобы открыть контур (рис. 3). Энергоэффективность повышается также, потому что нет никакой потери мощности из-за кручения стержня. Однако регулирование по замкнутому циклу требует взаимную связь датчика положения и сервоусилителя.

Детектор позиции

Рисунок 4. Емкостный детектор

Детектор позиции является наиболее важной частью для управления с обратной связью. Есть различные методы измерений: оптические, магнитные и емкостной.  Я выбрал простой емкостной способ, который использует принцип, что когда напряжение переменного тока подается на конденсатор, он будет пропорционален значению емкости. Его структура аналогична настройке конденсатора, используемого в радио. Схема показана на фиг.4а, компонент DC (диоды) открывает путь постоянного тока, как показано на фиг.4b, что позволяет его обнаруживать с помощью гальванометра (G).

Гальванометр

Гальванометр схема

На самом деле, изменение емкости очень мало. Поэтому на Рисунке  4c показана схема, используемая для практической конструкции. Разница между суммой выпрямленных токов достаточна,  и сигнал может быть обнаружен стабильно. На этом рисунке, когда движущийся электрод  (ротор) движется налево, положительное напряжение появится на Vo, и наоборот.

Детали и сборка

Фото 3. Части Galvo

Фото 3 основные части Galvos

1. Опорная рама. Стекло-эпоксидные прото-доски разрезать надлежащего размера, две базовые платы устанавливаются в конец блоков, и это делает тело Galvo в.
2. Обмотки статора. Выполнен UEW (уретан эмалированный провод) диаметром 0,3 мм 60 наматывается на бобину , фиксируются а потом с нее удаляются.
3. Шариковые подшипники. (OD = 5, ID = 2, L = 2,5)
4. Перемещение магнитного ротора. Сплошная ротор rigider чем спиральный один, любых вредных резонанс не возникает. Вал из углеродистой стали от дохлого  двигателя (D = 2, L = 45), и неодимовые магниты выдраны из жесткого диска. Магниты раздробить и соединить с валом. Вал должен быть тонким и легким, насколько это возможно, чтобы минимизировать инерцию ротора.
5. Бабочка образный электрод сделан на тонком стекле и эпоксидной печатной плате (D = 8, т = 0,2). Угол равен 90 ° в форме бабочки и 180 ° в форме полумесяца один. 90 ° достаточно для гальванометра .
6. Статор Электрод для PD. Этот же материал, разделен на четыре квадрата.

Фото 4. Крупным планом

Фото 4 показывает крупным планом вид гальванометра

1. Два обмотки статора расположены и зафиксированы как окружающий магнит ротора.
2. Вид  со стороны статора.  Выполнен из пружинной проволоки (фосфор-бронза, 0,4 мм диаметром).  Резкое нажатие на вал дает нулевой потенциал к движущемуся электроду (предварительное давление на подшипники для устранения вибрации). Точка контакта должна быть по центру вала, чтобы минимизировать трение, или он вызовет ошибку гистерезиса.
3. Вид со стороны ротора. Электроды прикреплены к валу проводящей краской. Пространство между ротором и статором должно быть близко к параллельному, насколько это возможно, иначе чувствительность и линейность будет хуже.
4. Зеркало. Крепление из алюминиевого стержня (D = 5).

Сервоусилитель

Рисунок 5. Схема включения (упрощенный) Servo

На рисунке 5 показана блок-схема сервоусилителя. В положении сервосистемы, задержка на управляемый объект становится высокой, и  не может управляться стабильно.

Сервоусилитель плата

Сервоусилитель схема

Внизу осциллограмма формы волны, которая является формируется на сервоусилителе. Напряжение питания должно быть как можно выше, чтобы минимизировать насыщения катушки. Однако более мощные операционные усилители могут сжечь Galvo катушку, поэтому необходимо предусмотреть тепловую защиту.

Ступенчатая характеристика

120 Гц ответ

Сервоусилитель плата (ver.2)

Принципиальная схема

Способом управления для замкнутого контура Galvo является PD-контроль. Для D-управления, компенсации задержки ток-скорость и скорость-позиция для каждого делаются отдельно. I-контроль опущен, поскольку он может повлиять на стабильность работы серво. В этой системе вряд ли есть трение, так что нет никаких проблем для точности позиционирования, без I-контроля.

Характеристики  детектора

Рисунок 6.  PD выход  и установка ротора

Статор электрод датчика положения разделен на четыре сектора и рабочий диапазон угла становится ± 45 °, как показано на рисунке 6. Нормальный режим работы устанавливается в пределах ± 20 ° (± 40 ° оптического отклонения), что достаточно для гальванометрических сканеров. Сервоусилитель требует двойного выходного питания ± 20 вольт. Оно создается с помощью простого DC-DC преобразователя с питанием от одного источника +12 В постоянного тока. Нельзя сказать, что должно регулироваться, традиционный тип питания трансформатор-мост-конденсатор будет также хорошо работать.

Принципиальная схема питания

Построение контроллера

Рисунок 7. Контроллер Блок-схема

Контроллер лазера должен генерировать два векторных сигнала (± 1V ) для Galvos и сигнал гашения (TTL) для модуляции лазерного выхода. Эти сигналы могут быть получены любым микроконтроллером. Рисунок 7 показывает блок-схему для платы контроллера.

Контроллер генерирует только векторные данные

с сохранением в кадре.

Скачать прошивку  ldp2.zip

Инструменты создания  кадров

Автор создал простой инструмент трассировки векторных изображений. Он обрабатывает файлы кадров в универсальном формате CSV.  Программа является бесплатной и доступна. Скрипт для преобразования в CSV-файл тут же.

Скачать mkv2 и mkvsrc

Результаты

Лазерный проектор (компоненты смонтированы на основной плате 240 × 150 × 5 мм алюминия).

Работа от аккумулятора
 

Регулировка

Когда устанавливают меандр для Y-оси, переходная

характеристика Y-оси будет проецироваться.

Y-ось регулируется отлично. Теперь, вы будете в состоянии найти асимметрию между передним фронтом и задним фронтом.  Это происходит из-за асимметрии между источником и приемником на LM675.

Регулировка по оси Х  таким же образом. Тест импульс может выразить переходную характеристику лучше, чем квадрат. Длительность импульса 8 мс.

Различная  лазерная графика

Иероглиф в квадрате(51fps)

Appi (28fps)

Giko-кошка проецируется на стену

с расстояния 60 м (38fps)

Юки Kotonomiya (12fps)

Создано с 3D кадра.

По материалам elm-chan «Home Built Laser Projector»