Самодельный лазерный проектор )

Самодельный лазерный проектор(перевод статьи http://elm-chan.org/works/vlp/pre/).
Приношу глубочайшие извинения, за некоторые ошибки, в связи со сложностью перевода с
японского языка.
Я думаю, что все видели Лазерные Эффекты, которые применяют на дискотеках или музыкальных
фестивалях, концертах. Лазерные эффекты делятся на две категории. Первый - Эффект Луча, он
демонстрирует лазерные лучи, что двигаются в воздухе. Второй - Эффект Экрана, он показывает
лазерную графику, которая отражается как на экране, благодаря быстрым движениям лазерной
точки. Первый эффект предпочтительнее на дискотеке, он лучше, чем второй. Эффект луча очень
захватывающий. Лазерное оборудование, работающее в лазерном шоу, называют Лазерным
Проектором.
В этом проекте, я предлагаю вам построить профессиональный лазерный проектор. Самый
важный компонент, используемый для лазерных проекторов, является сам лазер. OH-NE лазер
использовавшийся в первые годы, был разноцветный смешанный газовый лазер – сложное и
емкое устройство. В настоящее время используется для высококачественного лазерного
проектора - твердотельный лазер. В моем проекте я применил твердотельный лазер, который
был куплен у компании Kyoritsu Denshi.
Что в лазерном проекторе
В основном лазерные проекторы используются для индустрии развлечений. Большинство
высококачественных лазерных проекторов изготовлено на заказ, и некоторые функции включенное соответствие, от которого востребовался тип эффекта. Рисунок 1 показывает
оптическую диаграмму функции типичного лазерного проектора. Кажется, что у готовых лазерных
проекторов есть только сканер X-Y, который может использоваться для большинства рядовых
эффектов. В этом проекте я выбрал только сканер X-Y и стремился проектировать точную
лазерную графику и мультипликации как цель.
Рис. 1 Оптический стол типичного лазерного проектора
Лазер
В былые времена, красные OH-NE лазеры использовались для лазерного искусства. Газовый лазер
- очень низко эффективен и сложен в использовании. Компактные, с высокой
производительностью и удобные твердотельные лазеры, такие как полупроводниковый лазер и
лазер DPSS, увеличивают возможности и давно появились на рынке лазерного художественного
оборудования. Основные цвета твердотельного лазера в настоящее время красный, зеленый и
синий .
Гаситель и модулятор
Механизм гашения прерывает любой ненужный лазерный луч. Большинство газовых лазеров
требует этого механизма перед лазерным окном проецирования, потому что газовый лазер не
может быть быстро смодулирован с высокой выходной мощностью. Гальванометр используется
для механизма гашения в качестве привода головок, чтобы перемещать прерыватель. Для
разноцветной системы, такой как смешано-газовый лазер, оптический модулятор, под названием
PCAOM, используется, чтобы управлять каждым цветным барьером. Механическое гашение
кроме створки безопасности часто опускается на лазерном проекторе, используя PCAOM или
твердотельные лазеры, которые могут быть смодулированы непосредственно.
Переключатель/Исполнительный элемент луча
Переключатель луча - механизм, который подает лазерный луч на отобранный исполнительный
элемент, и исполнительный элемент прерывает лазерный луч любым оптическим фильтром.
Поскольку переключение скорости и точности особенно не требуется, гальванометры, шаговые
двигатели и соленоиды используются, чтобы переместить оптику. Оптический фильтр,
используемый для исполнительного элемента, должен распространить лазерный луч. Лазерный
луч прошедший через исполнительный элемент, создает расплесканные лучи как эффект луча и
абстрактный образец как эффект экрана.
X-Y scanner
Сканер X-Y - самый основной компонент, который может управлять вектором луча по желанию.
Рисунок 2 показывает принцип сканера X-Y. Два гальванометра установлены ортогонально
поступающему лазерному лучу, который отражен осью X (зеркало гальванометра отражает луч на
ось Y) , зеркало гальванометра по оси Y отражает луч в предоставленное пространство.
Управление луча может быть определено комбинацией угла отклонения двух зеркал. Увиденный
лазерный луч создает лазерные листы или туннель как эффект луча, или тянет лазерную графику
на экране. Для эффекта экрана, особенно требуется скорость работы сканера X-Y для хорошего
качества изображения. Только гальванометр с обратной связью используется для эффекта экрана,
и для простой абстрактной графики. Используются гальванометры с разомкнутым контуром и
резонансные.
Рис. 2 X-Y сканер
Другие компоненты
Компоненты кроме оптики, объясненной выше, являются:
- драйвером сканера,
- лазерным электропитанием,
- лазерной системой охлаждения,
- пульт управления.
Лазерный проектор состоит из этих компонентов.
Модернизация лазера
Я купил зеленый лазерный модуль в Kyoritsu Denshi( 532nm/5mW DPSS). Можно повысить
выходную мощность лазера в несколько раз, чем номинальная, конечно это вне гарантии. В
результате из 15 мВт, можно повысить мощность до 20 мВт с нехитрыми доработками. Внимание!
Это означает, что лазерный модуль не должен быть модернизирован без знаний основ
безопасности работы с лазером.
Используется лазерный модуль для дешевого лазерного указателя. Для увеличения мощности и
защиты от перегрева, я построил лазерную единицу с температурным контролем и внешней
модуляцией. На фотографии 2 готовый зеленый лазер.
Фото 2 Температурный контроллер
Поскольку точность температурного контроля не требуется, используется несложный контроль.
MCU читает сопротивление термистора вместе с лазерным модулем, преобразуя его в
температуру. Необходимо установить разницу между температурой модуля и температурой
урегулирования. Если температура устройства считанная через MCU будет выше, устройство
отключится, чтобы защитить лазерный модуль, когда температура модуля вне урегулирования.
Изготовление сканеров – гальванометров
Я искал существующий проект при изготовлении гальванометров с обратной связью, однако я не
мог найти ничего подобного в сети. Большая часть сделаных в домашних условиях сканеров,
сделана из спикера без обратной связи. Кажется, что никто даже не пытался построить
гальванометр с обратной связью. Я был вынужден начать проект с нуля, и я смог построить
гальванометр с обратной связью, что дало мне возможность экспериментировать . Я полагаю, что
этот отчет поможет желающим повторить подобный проект.
Что такое гальванометр?
Гальванометр - один из электрических приборов, используемых, чтобы обнаружить маленький
ток, его схематический символ (G). Когда обнаруживают очень маленький ток, гальванометр
отклоняет стрелку по шкале – указывая ток, если заменить стрелку маленьким зеркалом с
источником света – получится необходимый нам прибор. У гальванометра есть очень тонкий
ротор, чтобы минимизировать инерцию ротора для быстрого движения. Движущаяся катушка
заменена высоким жестким ротором, таким как движущийся магнит и движущееся железо, и
катушка арматуры перемещена в статор, чтобы увеличить тепловую отдачу. Эта структуру можно
назвать "Серводвигатель", а не гальванометр.
Контроль с обратной связью
В шахте гальванометра с разомкнутым контуром, находятся обмотки электромагнита, между
которыми двигается ротор, балансируя между произведенным вращающимся моментом ротора и
останавливающей момент вращения обмотки. Это – такой же самый принцип как и в
традиционном гальванометре. Этим можно управлять односторонне, ротор двигается в
положение, что пропорционально току катушки. Однако, полоса пропускания контроля
разомкнутого контура гальванометра ограничена, потому что этому определили резонансную
частоту инерция ротора и константа обмотки эл. магнита.
В контроле с обратной связью положение ротора обнаруживается датчиком положения, который
позволяет отследить и управлять положением ротора. Это также называют контролем, или
обратной связью, или контролем сервомотора. Это может улучшить скорость просмотра и
точность по сравнению с контролем разомкнутого контура (рисунок 3). Повышается
эффективность управления , потому что нет потери мощности из-за электромагнитных обмоток.
Однако, контроль с обратной связью требует дополнительных средств для приобретения датчика
положения, усилителя сервомотора и драйверов. Этот проект поможет изготовить гальванометр с
обратной связью, которым можно управлять.
Рис. 3
Датчик положения
Датчик положения - наиболее значительная деталь контроля с обратной связью, существуют
несколько вариантов, такой как оптический (светочувствительное устройство), электромагнитное
устройство и полупроводниковое устройство (потенциометр). Я выбрал простой емкостный метод,
который использует принцип, когда напряжение переменного тока применено к электрическому
конденсатору, пропорционально емкости. Его структура подобна настройке конденсатора,
используемого в радио. В практическом изделии заземлен один электрод, потому что это удобнее, по соображениям необходимых к упрощению проектирования схем, когда измеряется
конденсаторный ток в такой структуре.
Схематически, это показано в рисунке 4a, компонент DC, обозначенный стрелками, открывает
текущий путь DC как показано в рисунке 4b, измененный компонент DC будет обнаруженным
гальванометром (G). Фактически изменение емкости очень небольшое, и оно не будет
обнаружено устойчиво из-за паразитной емкости и помех. Рисунок 4c показывает схематически,
используемое в практическом изделии. К двум отличительным электродам и диодам,
подключаются в противоположной полярности друг друга. Сумма измененного тока становится
различием между ними, любая точность аффектов фактора может быть изменена, и это может
быть обнаружено более устойчиво. В этом числе, когда движущийся электрод двинется в левое,
положительное напряжение, появится в Vo, и наоборот. Датчик положения, построенный в этом
проекте, изменяет разницу емкости pF в полном масштабе (механическое отклонение на 90 °), и
может быть получено достаточное изменение выходного напряжения.
Рис. 4
Изготовление деталей и сборка
Фотография 3 - основные части гальванометра:
1. Основная Структура. Макетные платы надлежащего размера, металлические стойки с
направляющими, и винты скрепляющие макетные платы – корпус гальванометра.
2. Статор. UEW (уретан эмалируемый провод) в диаметре 0.3 мм, две катушки по 60 витков на
подготовленной оправке.
3. Шарикоподшипники. OD=5, ID=2, L=2.5
4. Подвижный магнитный ротор. Твердый ротор – негнущийся стержень, во избежания
резонанса. Стержень изготовлен из углеродистой стали и получен от старого двигателя(D=2,
L=45), и неодимовые магниты извлечены из разобранных жестких дисков. Магниты обрезаны и
приварены к стержню. Ротор должен быть тонкой и легкой, для минимизации возможной
инерции.
5. Движущийся приемник тока. Изготовлен из стеклотекстолита (D=8, t=0.2). Рабочий угловой
диапазон составляет 90 °, сформирован в виде бабочки, и 180 ° в полумесяце, что достаточно для
сканера гальванометра.
6. Электрод статора. Также изготовлен из стеклотекстолита и разделенный на четыре сектора.
Фото 3
На фотография 4 показано крупным планом построение гальванометра.
1. Две катушки статора помещены и установлены как окружение магнита ротора. Я не мог
установить точнее ядро статора так, чтобы избежать ненужного вращающего момента. Но и в
данном случае, постоянный вращающий момент довольно маленький, 2.5mN-m/A
2. Со стороны статора, тонкий провод (бронза, 0.4мм) прижимает стержень и дает возможность
двигаться электроду, нужно выставить давление так, чтобы устранить вибрацию. Контактный
центр должен быть в центре стержня, чтобы минимизировать трение, или это вызовет ошибку
гистерезиса. Немного токопроводящей смазки увеличивает проводимость и стабильность.
3. Сторона ротора. Ротор - соединение позади него, электроды привязаны к стержню с
токопроводящим лаком. Промежуток между ротором и статором должен быть наиболее точным
и параллельным, иначе чувствительность и линейность будет хуже.
4. Зеркало. Вырезано из куска зеркала, и прикреплено к направляющей, сделанной из
алюминиевого прута (D=5).
Изготовление усилителей сервомотора
На рисунке 5 изображена блок-схема усилителя сервомотора для этого проекта. В системе
сервомотора используется положение задержки объекта, которым управляют. Способ управления
для гальванометра с обратной связью - компенсация задержки текущей скорости и для каждого
скоростного положения сделан отдельно. I-контроль опущен, потому что он может затронуть
стабильность сервомотора.
Рис. 5 Диаграмма эксплуатации сервомотора(упрощенная)
Особенности датчика положения
Рисунок 6. PD out и положение ротора\PD out и вращающий момент
Электрод статора датчика положения разделен на четыре сектора, и рабочий угловой
диапазон становится ±45 ° как показано на рисунке 6. Система сервомотора отмечена в
крашенной области, что показывает полярность вращающего момента ротора и PD out.
Серая область говорит о неправильном положении, но когда применяют контроль сканера
с командой положения центра, ротор всегда возвращается в центральное положение.
Нормальный операционный диапазон установлен в ±20 ° (оптическое отклонение на ±40
°) что достаточно для сканеров гальванометра.
Рис. 6 PD out и положение ротора
Изготовление печатных плат
Это - изготовление усилителя сервомотора и диаграмма кругооборота. Это - простой и обычный
кругооборот операционного усилителя, нет ничего трудного. Однако, усилитель мощности и
маленький усилитель сигнала синхронны. Вы должны быть внимательны в изготовлении иначе,
Вы будете огорчены искажением или неустойчивостью, и работа сервомотора будет ограничена.
Усилитель сервомотора требует питания ±20 В. Это не сложно с помощью простого конвертера DCDC, питающегося от +12аккумулятора.
Колебания, являются последствием использования усилителя сервопривода. Это актуально, и не
должно быть проблемой, однако, выходное напряжение питания нужно установить(намотать)
индуктивность. Напряжение питания должно быть высоким и по возможности минимизировать
этот эффект. Падение напряжения в токе, при высокой производительности также не допустимо.
Это происходит из-за ограничения тока LM675, большая мощность тока, такая как у LM12, могла
бы быть лучше, чем LM675. Однако, такой сильный ток может сжечь катушку гальванометра от
нагрузки или колебаний, так что необходимо установить радиатор для теплоотвода от
гальванометра.
Изготовление контроллера
Лазерный контроллер должен произвести два векторных сигнала (±1V аналог) для гальванометра
и сигнала гашения (TTL), чтобы смодулировать лазерный эффект. Эти сигналы будут произведены
с помощью микроконтроллера, и простым адаптером D/A, приложенном к параллельному порту
PC. В этом проекте я проектировал и построил новую плату контроллера, чтобы минимизировать
размер контроллера. Рисунок 7 показывает блок-схему для платы контроллера, и диаграмма
кругооборота доступна в технических примечаниях. Диспетчер только производит векторные
данные с сохраненной структурой, и больше нет контроля. Это не объясняет каждую функцию
платы контроллера и ее программируемого оборудования, потому что у Вас должно быть знание,
чтобы проектировать лазерный контроллер, если Вы собираетесь построить гальванометр.
Рис. 7 Блок диаграмма контроллера
Инструменты создания структуры
Поскольку графические данные, используемые в лазерном проекторе, являются базируемым
вектором, не растровые, генерирующие графические инструменты не могут использоваться,
чтобы создать данные о структуре. Необходим графический инструмент, чтобы создать векторные
структуры. Есть некоторые лазерные инструменты для создания векторной графики, но они
слишком дороги для использования в хобби или временного проекта, таким образом, я развил
простой векторный инструмент. Это - бесплатное программное обеспечение и доступно в
технических примечаниях. Исходник, чтобы преобразовать файл структуры ild в csv файл включен
также.
Результат
Построенный лазерный проектор
Все компоненты установлены на основании 240×150×5 мм., из алюминия.
Работа от аккумулятора
Лазерный проектор включая батарею и PSU может быть упакован в дипломате.