Лазерное шоу своими руками. Часть 1 / Хабр

Рисующий луч: прошлое, настоящее и будущее.

Это вводная статья о истории развития и принципах работы технологий векторного отображения информации.
Не обижайтесь, на то, что тут всё слишком «википедично», просто мне надоели глупые вопросы.
Те, кто в теме, возможно найдут для себя интересным почитать конец статьи и могут смело переходить ко второй её части по ссылке в конце.

Немножко истории…

Всё началось с того, что некий немец Фердинанд Браун попытался применить на практике так называемые катодные лучи (cathode rays) — пучок ускоренных в электрическом поле электронов, и изобрёл самую первую электронно-лучевую трубку (CRT, ЭЛТ) в 1897 году. Это была трубка с холодным катодом, электромагнитной отклоняющей системой по одной из осей (по второй оси это было вращающееся зеркало) и экраном, покрытым люминофором. В ходе дальнейших усовершенствований другими учёными (Борис Розинг, Джон Б. Джонсон, Гарри Вайнер, и изобретатель телевидения Владимир Зворыкин) в неё были добавлены катод с подогревом, отклоняющая система по второй оси и модулятор интенсивности пучка для управления яркостью свечения точки на экране. Так родилась современная электронно-лучевая трубка.

Электронный луч в ней изменяет свою траекторию в электрическом поле пластин вертикального и горизонтального отклонения (на рисунке показаны жёлтым) и попадает на люминофор экрана, вызывая его свечение. Координаты точки свечения в такой системе задаются напряжением на отклоняющих пластинах. Приблизительно такие ЭЛТ устанавливались в аналоговые осциллоскопы. Кроме электростатической, существует магнитная система отклонения луча — пучок электронов пролетает через магнитное поле, образованное катушками, и меняет свою траекторию в зависимости от силы тока в катушках.

Используя инерционность человеческого зрения и послесвечение люминофора, стало возможно создавать на экране рисунки и появился новый способ отображения информации, которым воспользовались инженеры из Массачусетского технологического института (MIT), создав первую ЭВМ Whirlwind-I (1950 год) с новейшим по тем временам устройством вывода — векторным сканирующим дисплеем. Так было положено начало развитию дисплеев с векторной развёрткой (с произвольным сканированием луча).

Во всем известном растровом способе формирования изображения (на рисунке слева) луч, скользя по строкам, формирует изображение из дискретных элементов — пикселей, образующих картинку; в векторном же способе (на рисунке справа) луч скользит позаданным векторами графическим примитивам — прямой, прямоугольнику, окружности или кривой, образуя изображение.

Широкое распространение дисплеи в векторной развёрткой получили с конца 60х годов прошлого века, и уже тогда, в отличие от растровых, могли похвастаться разрешением до 4096×4096 точек.

До недавнего времени такие дисплеи активно применялись (кое-где до сих пор применяются) в тестовом оборудовании:

как устройства отображения на радиолокационных станциях и в авиадиспетчерских:

и, конечно же, в осциллоскопах:

Многие как старые, так и современные осциллоскопы имеют возможность работы в режиме аналогового векторного дисплея. Для этого необходимо переключить осциллоскоп в режим развёртки X/Y и использовать X-вход для управления положением луча по горизонтали (у некоторых моделей также есть Z-вход, управляющий яркостью луча). Однако на современных цифровых осциллоскопах без функции «цифровой фосфор» векторная картинка теряет всю свою привлекательность и выглядит лишь простым набором образующих векторы точек.

Настоящее

На смену лампам пришли лазеры, а с удешевлением памяти и развитием устройств с растровой развёрткой векторная развёртка применяется только в определённых нишах (и в основном в авионике и с недавнего времени в автомобилестроении — HUD-системы вывода изображения на фоне внешней среды, а также в лазерной гравировке и лазерных шоу).

Поскольку последующие статьи будут о лазерном проекторе — рассмотрим, каким образом он отклоняет рисующий луч.

В настоящее время популярностью пользуются два способа управления лазерным лучом, и у каждого есть свои недостатки и преимущества:

1.

Акустооптический дефлектор (АОД)

— Преимущества: высокая скорость отклонения луча.
— Недостатки: низкое разрешение, малое угловое поле сканирования (угол отклонения луча), сложность работы с лазерными лучами большой мощности, дорогая высокочастотная система управления.

АОД работает следующим образом. В оптически-активном кристалле(например ТеО₂) возбуждается акустическая волна с частотами в десятки-сотни мегагерц; при прохождении лазерного луча через такой кристалл, за счёт явлений дифракции или рефракции, меняется направление луча. В дифракционном АОД угол отклонения дифрагированного луча управляется изменением частоты акустической волны. В рефракционном АОД отклонение происходит вследствие искривления пути луча при прохождении через среду кристалла с неоднородной деформацией, которая возникает под воздействием бегущей акустической волны.

2. Механическая система развёртки на гальванометрах

— Преимущества: возможность работы с лазерными лучами любых мощностей, которые способны выдержать зеркала, высокое разрешение и точность позиционирования, небольшая цена.
— Недостатки: низкая скорость развёртки из-за применения в системе механических деталей.

Такая система построена на основе гальванометров — устройств, состоящих из электромагнита и постоянного магнита, закреплённого на одной оси с зеркалом.
При изменении тока в катушке постоянный магнит, взаимодействуя с полем катушки, поворачивает ось с зеркалом на угол, пропорциональный проходящему через катушку току. При объединении двух таких гальванометров становится возможным управление положением луча на плоскости, как показано на рисунке ниже.

Будущее

Летом 2012 года случилось одно интересное событие, которое мало кто заметил.
Sumitomo Electric и Sony представили первый в мире миниатюрный непосредственно излучающий зелёный лазер. Диоды, непосредственно излучающие красный и синий свет, уже были представлены на рынке пикопроекторов, и только непосредственно излучающие зелёные лазерные диоды всё ещё не были коммерциализованы.

Вместо них использовались синтетичекие методы удвоения частоты лазерных диодов, генерирующих излучение, близкое к инфракрасному. Именно отсутствие на рынке непосредственно излучающих зелёных лазеров ограничивало характеристики видимости, цену и массовые (мобильные и автомобильные) применения лазерных технологий.

Изобретение зелёного лазерного диода даёт новый толчок в развитии коммерчески доступных технологий HUD и HMD (Head mounted display), а также мобильных пикопроекторов.

Одним из самых перспективных решений в области HUD являются лазерные сканирующие МЭМС технологии, которые могут обеспечить всегда сфокусированное, высокочёткое виртуальное изображение высокой яркости, а также низкое потребление, размер, вес и цену устройства.

Лазерная сканирующая технология в чём-то похожа на систему развёртки на гальванометрах и основана на применении(для формирования полного набора цветов) комбинаций трёх базовых цветов — красного, зелёного и синего — от лазерных диодов соответствующего цвета. Скомбинированный лазерный луч, попадая на выполненное по МЭМС технологии микроминиатюрное зеркало, отклоняется на угол, задаваемый электронной системой развёртки. За счёт миниатюрности зеркала скорость сканирования позволяет таким системам работать как в векторном, так и в растровом режиме. Разрешение сканирования может в несколько раз превышать современное Full HD.

Первый в мире коммерческий лазерный сканирующий МЭМС-блок HUD, проецирущий на ветровое стекло автомобиля информацию дополненной реальности посредством непосредственно излучающих лазеров (в том числе и нового зелёного), в недавнем времени появился в Японии. Копорация Pioneer выпустила первую в мире автомобильнуюнавигационную систему GPS на основе технологии MicroVision с дополненной реальностью — Poineer CyberNavi.

Проекторный модуль AR-HUD системы устанавливается в положение противосолнечного козырька сбоку от сиденья водителя, HUD дисплей представляет собой лист прозрачного пластика, который крепится в поле зрения водителя напротив лобового стекла, а 37-дюймовый виртуальный дисплей находится на расстоянии порядка 3 м от глаз водителя.

Виртуальные элементы HUD формируются посредством сканирующих МЭМС-зеркал проектора, проецирующих лазерные лучи трёх базовых цветов пространства RGB, дающие полноцветное изображение с высоким уровнем контрастности.

Лазерные сканирующие технологии в скором времени будут повсеместно использоваться в очках дополненной реальности (например в Google Glass), для отображения информации на лобовом стекле автомобилей, в мотоциклетных шлемах и как мобильные проекторы в сотовых телефонах.

В следующей части я подробнее расскажу вам о том, как устроен лазерный проектор для световых шоу, и выдам готовую схему высокоскоростного ЦАП. А в качестве бонуса — расскажу как вывести видео на осциллограф при помощи трёх проводков и разъёмчика.

Литература

1. Wiki: Cathode Ray Tube
2. Wiki: Кинескоп
3. PDF: Акустооптический эффект
4. STMicroelectronics and bTendo to Develop the World’s Smallest Focus-Free Embedded Pico-Projector for Next-Generation Smart Phones
5. Omicron starts Serial Production of Direct green Diode Lasers
6. MicroVision builds on Pioneer deal
7. Большой энциклопедический политехнический словарь. 2004.
8. Журнал Современная электроника, №11, 2012 г, стр. 144 «Зелёный свет в дорожной карте лазерных сканирующих технологий»

Простая установка для лазерного шоу

Для организации незабываемого праздника, можно собрать своими руками несложное устройство для лазерного представления. Под весёлую музыку будут вырисовываться причудливые фигуры разных форм и размеров!

Лазерное шоу сегодня можно часто увидеть и на дискотеках, и в цирке и в баре. Профессиональные установки для лазерных шоу стоят дорого, а вот сделать простую лазерную установку для лазерного шоу из оптического диска и лазерной указки может каждый.

Фото домашней лазерной установки 

а — вид сверху увеличен; б — вид сбоку;

1 — труба; 2 — резиновая мембрана; 3 — кружок из лазерного диска; 4 — лазерная указка; 5 — траектория лазерного луча от лазерной указки до стены; 6 — динамик или колонка; 7 — стена.

Инструменты и материалы для изготовления лазерной установки

• лазерный диск;
• лазерная указка;
• кусок водопроводной пластиковой трубы диаметром 25~30мм;
• воздушный шарик или медицинская перчатка;
• суперклей;
• капроновая нить;
• динамик, подключенный к выходу усилителя.

Подробное описание изготовления лазерной установки своими руками

Шаг 1. Берём и отрезаем от водопроводной трубы примерно 20 сантиметров. Тщательно зачищаем края и откладываем в сторону.

Шаг 2. Берём негодный лазерный диск и вырезаем из нашего лазерного диска кружочек, диаметром на 4мм. меньше, чем внутренний диаметр нашей трубы.

Шаг 3. Вырезаем из воздушного шарика или медицинской резиновой перчатки кружочек диаметром большим диаметра трубы на 4см. Кружочек из резины натягиваем на один край трубы и при помощи прочной нитки закрепляем его.

Шаг 4. Теперь кружочек из лазерного диска аккуратно приклеиваем по центру натянутой резины на трубе. В конечном результате у нас должно получиться следующая конструкция: труба 20 см. с одного края натянутая тонкая резина, закреплённая с боку прочной ниткой, на резине по центру приклеен кружок из лазерного диска. Кружок из лазерного диска приклеивается светоотражающей стороной наружу.

Настройка лазерной установки.

Последний этап — настройка установки.  Берём динамик и подключаем к выходу источнику звука. Это может быть усилитель, аудиоколонки компьютера, выход музыкального центра или магнитофона. Можно взять аудиоколонку и положить динамиком вверх. Нашу самодельную лазерную установку ставим по центру динамика лазерным кружочком вверх.

Включаем музыку и добиваемся, чтобы наша лазерная установка стояла устойчиво и не падала. Теперь остаётся направить лазер от зазерной указки на кружок из лазерного диска под некоторым углом. Лазер отражаясь от лазерного диска должен попасть на стену. И о чудо на стене рисуются замысловатые фигуры. В зависимости от исполняемой мелодии рисунок воспроизводимый нашей самодельной лазерной установкой будет меняться.

Теперь нужно закрепить лазерную указку так, чтобы луч попадал под нужным углом на поверхность лазерного диска. Для достижения более эффектного лазерного шоу, можно использовать несколько лазеров. Так же на пути отражённого от поверхности лазерного диска луча лазера можно поставить дымовую завесу, например из церковного ладана. Лучи лазера, проходя через дым, будут создавать объёмные фигуры.

Если вы всё правильно сделаете, то восторженные возгласы от домашнего лазерного шоу вам обеспечены! Принцип работы заключается в следующем, звуковые волны воздействуют на резиновую мембрану с закреплённым на ней кружочком из лазерного диска. Вследствии чего зеркальная поверхность лазерного диска дрожит и меняет угол отражения лазера направленного от лазерной указки. Лазерный луч образует на стене замысловатые фигуры. Добавленный дым, на пути отражённого лазерного луча, делает его видимым.

Напоследок ещё несколько вариантов лазерной установки для шоу.

1. Обычная ёлочная игрушка — шар. К нему приклеиваются кусочки зеркал. Шар подвешивается к потолку, а на него направляется лазерный луч от лазерной указки. Шар лучше закрепить над источником тепла, чтобы он вращался под действием потока тёплого воздуха. Это может быть телевизор, музыкальный центр или батарея отопления.

 

2. К компьютерному вентилятору охлаждения блока питания строго по центру приклеивается кусок от лазерного диска или не толстого зеркала. Приклеивать необходимо по центру, чтобы не нарушить центровки лопастей. Одну сторону зеркала необходимо немного приподнять, чтобы получились фигуры. Всю конструкцию прикрепляем к фанере, дощечке или к куску ламината или МДФ (как на фото). Настраиваем луч и расположения вентиляторов по своему вкусу получаемых фигур.

3. Тоже самое, что и предыдущее устройство, только все монтируется на картонной коробке и используется один моторчик с приклеенным на оси зеркальце. Зеркальце также приклеивается под небольшим углом.

Желаем вам приятных времяпровождений и отличного настроения, а в этом вам поможет лазерное шоу! 🙂

Метки: [ из дисков, к празднику, украшаем… ]

ПОДЕЛИТЕСЬ СО СВОИМИ ДРУЗЬЯМИ:

П О П У Л Я Р Н О Е:

• Вышивка картины бисером

 

 Картина бисером своими руками

Сегодня мы рассмотрим как можно вышить такую замечательную картину бисером.

Подробнее…

• Подсветка передней части акустической системы своими руками

Как сделать подсветку акустической системы?

На примере акустической системы Microlab B-75/2.0 давайте рассмотрим, как можно сделать красивую подсветку.

Эта система хороша тем, что у неё есть клеммы, для подключения ведомой колонки. Они нам и пригодятся.

Подробнее…

• Вязание из квадратов

Оригинальные изделия, выполненные крючком из квадратов с красивыми узорами, будут украшением вашей комнаты. Они прибавят ей тепла и уюта, а также красоты и изысканности одновременно.

Подробнее…

Популярность: 4 575 просм.

Как создавать и управлять живыми лазерными шоу — Pangolin и KVANT Lasers

Как создавать и управлять живыми лазерными шоу — Лазеры Панголин и КВАНТ перейти к содержанию

Лазерные шоу в прямом эфире – пожалуй, самый популярный способ управления лазерным шоу. Вы часто видите их на фестивалях, в ночных клубах и подобных мероприятиях , и в основном это «лазерные и воздушные шоу», но иногда они могут также включать различную лазерную графику и, в редких случаях, лазерное картографирование и интерактивные эффекты. Во время живого лазерного шоу вы, как правило, играете в такт играющей музыке, и вы можете запустить его с ПК/сенсорного экрана, MIDI, DMX или световой консоли.

• Показаны примеры
  

Прямая трансляция с ПК или сенсорного экрана

Многие клиенты управляют своими живыми лазерными шоу  с ПК или компьютера с сенсорным экраном. Такая установка очень распространена . Изображение, показывающее базовую настройку, приведено ниже.

Прямая трансляция с MIDI- или DMX-консоли (с ПК)

Некоторые клиенты предпочитают тактильные ощущения от MIDI- или DMX-консоли . И таким образом они подключают свою MIDI- или DMX-консоль к ПК, а затем управляют программным обеспечением и показывают в прямом эфире с этого устройства.

Прямая трансляция с консоли освещения / DMX (с ПК)

У нас также есть клиенты, которые имеют опыт дизайнера по свету и предпочитают управлять всем своим шоу с консоли освещения или DMX (например, GrandMA, Chamsys, Hog, Avolites и др.). Это также можно сделать, и в такой настройке программное обеспечение взаимодействует с консолью, а затем вы управляете шоу с консоли по вашему выбору.

С консоли освещения/DMX (без ПК)

Вы также можете запускать все шоу с помощью световой или DMX-консоли без ПК в настройках. очень популярен среди дизайнеров по свету . В такой настройке вы создаете желаемое лазерное шоу и контент в программном обеспечении (QuickShow или BEYOND). Затем вы сохраняете этот контент на аппаратном обеспечении FB4 (внутренней или внешней версии). После этого вы сможете управлять контентом, сохраненным на FB4, с любой консоли освещения по вашему выбору.

Последние 20 должностей в сфере образования Понимание углов сканирования Как управлять своими лазерами с пульта управления освещением Avolites Что такое проектор для лазерного шоу? RGB лазерный проектор Руководство по покупке проектора для лазерного шоу Лазерные сканеры и тестовая таблица ILDA Оборудование для управления лазерным шоу Как выровнять цвета ваших лазеров с помощью моторизованных дихроичных фильтров Создайте эффект северного сияния с помощью лазерных проекторов 3D лазерные шоу Как управлять лазерами с осветительного пульта Усильте рождественское освещение с помощью лазеров Получение лучшего рождественского лазера Почему вы должны использовать лазеры для рекламы Лазерное картирование | Понимание эффекта ИЛДА Лазер Управление лазерным шоу | Как управлять несколькими системами лазерного шоу Синхронизируйте лазерное шоу с музыкой Программное и аппаратное обеспечение лазера в автоматическом режиме Описание проекторов для лазерных шоу

ELM — Домашний лазерный проектор

ELM — Домашний лазерный проектор

Фото 1. X-Y сканирующая головка

Думаю, все видели лазерные эффекты, которые показывают сцены, дискотеки или фестивали. Есть две категории лазерного эффекта. Один из них — эффект луча , он показывает зрителям лазерные лучи, летящие в воздухе. Другой — экранный эффект , он показывает лазерную графику, нарисованную на экране движущимся лазерным пятном. Первый лучевой эффект предпочтительнее экранного. Эффект луча очень захватывающий, так что многие лазерные световые шоу также проходят в дискотеке. Лазерное оборудование, работающее в лазерном световом шоу, называется лазерным проектором .

Этот проект состоит в создании самодельного лазерного проектора профессионального уровня :-). Наиболее важным компонентом, используемым для лазерных проекторов, является лазерный блок. He-Ne лазер использовался в первые дни, а позже многоцветный лазер на смешанном газе используется для лазерного проектора высокого класса. Твердотельный лазер — это новое лазерное устройство, которое вскоре заменит газовый лазер. Однако лазерный блок был очень дорогим, даже хлам, а газовый лазер нельзя модулировать напрямую, так что я не мог решиться купить лазерный блок и модулятор. В первом квартале 2004 года я нашел дешевый твердотельный лазерный модуль от Kyoritsu Denshi и начал этот проект, который планировал давно.

Внутри лазерного проектора

Рис. 1. Оптический стол типичного лазерного проектора

В основном лазерные проекторы используются в индустрии развлечений. Большинство высококачественных лазерных проекторов изготавливаются по индивидуальному заказу, и некоторые функции включаются в соответствии с требуемым типом эффекта. На рис. 1 показана функциональная оптическая схема типичного лазерного проектора. Кажется, что готовые лазерные проекторы имеют только XY-сканер, который можно использовать для самых общих эффектов. В этом проекте я выбрал только XY-сканер и стремился проецировать точную лазерную графику и анимацию.

Лазер

Раньше для лазерного искусства использовался красный гелий-неоновый лазер, а затем белый газовый лазер, который может генерировать несколько цветов одновременно. Газовый лазер имеет очень низкую эффективность и сложен в использовании. В последнее время на рынке оборудования для лазерного искусства появились компактные, высокоэффективные и простые в использовании твердотельные лазеры, такие как полупроводниковый лазер и лазер DPSS , повышающие его производительность. Большинство цветов твердотельного лазера в настоящее время красный и зеленый. Когда синий улучшит свои характеристики, устаревшие газовые лазеры будут заменены твердотельными лазерами.

Гашение/модулятор

Механизм гашения прерывает любой ненужный лазерный луч. Большинству газовых лазеров требуется этот механизм перед выходным окном лазера, потому что газовый лазер не может быстро модулировать выходную мощность. Гальванометр используется для механизма гашения в качестве привода для перемещения прерывателя. Для многоцветных систем, таких как лазер на смешанных газах, для управления каждой цветовой линией используется оптический модулятор, называемый PCAOM . Механическое закрытие, кроме защитного затвора, часто не используется в лазерном проекторе с использованием PCAOM или твердотельных лазеров, которые можно модулировать напрямую.

Переключатель луча/эффектор

Переключатель луча представляет собой механизм, который подает лазерный луч на выбранный эффектор, а эффектор прерывает лазерный луч любым оптическим фильтром. Поскольку скорость и точность переключения особо не требуются, для перемещения оптики используются гальванические цепи с разомкнутым контуром, шаговые двигатели и соленоиды. Оптический фильтр, используемый в эффекторе, предназначен для расширения или рассеивания лазерного луча. Для такого эффекта часто используются некоторые терочные диски. Лазерный луч, проходящий через эффектор, создает рассеянные лучи в виде эффекта луча и абстрактный узор в виде эффекта экрана.

Сканер X-Y

Рис. 2. Сканер X-Y

Сканер X-Y является наиболее универсальным компонентом, который может произвольно управлять вектором луча. На рис. 2 показан принцип X-Y сканера. Два гальванических устройства установлены ортогонально, входящий лазерный луч отражается от гальванического зеркала по оси X и снова отражается от гальванического зеркала по оси Y, и луч попадает в пространство для визуализации. Направление луча можно определить комбинацией угла отклонения двух зеркал. Сканированный лазерный луч создает лазерные листы или туннели в качестве эффекта луча или рисует лазерную графику на экране. Для эффекта экрана скорость сканирования особенно важна для сканера X-Y, потому что он должен сканировать быстро и точно для получения хорошего качества изображения. В настоящее время для экранного эффекта используется только гальваника с обратной связью, а для простой абстрактной графики иногда используются гальво без обратной связи и резонансные гальво.

Прочие компоненты

Компоненты, помимо описанной выше оптики, включают драйвер сканера, источник питания лазера, систему охлаждения лазера, контроллер/консоль дисплея и другие. Лазерный проектор состоит из этих компонентов.

Сборка лазерного блока

Фото 2. Лазерный блок с регулируемой температурой

Я купил зеленый лазерный модуль за 6720 иен в Kyoritsu Denshi. Это лазерный модуль DPSS с мощностью 532 нм/5 мВт (мин). Он может увеличить выходную мощность в несколько раз выше номинальной мощности, конечно, это не гарантийный случай. Результат измерения мощности составляет 15 мВт без какой-либо регулировки и 20 мВт с регулировкой подстроечного резистора. Это означает, что с лазерным модулем нельзя работать, не зная основ лазерной безопасности. Кажется, этот лазерный модуль предназначен для лазерной указки типа ручки, судя по ее форме, я думаю, что это будет очень опасная лазерная указка :-).

Однако есть не только хорошие черты. Когда лазерный модуль работает какое-то время, выходная мощность падает из-за повышения температуры. Большинство лазерных модулей DPSS общего назначения имеют температурный контроль для обеспечения стабильной работы. Этот лазерный модуль для дешевой лазерной указки, у него нет такой функции, поэтому я сделал лазерный блок с контролем температуры и внешней модуляцией. На фото 2 показан встроенный зеленый лазерный блок.

Поскольку точность регулирования температуры не требуется, используется простое ПИ-регулирование. MCU считывает сопротивление термистора, соединенного с лазерным модулем, преобразует его в температуру и управляет модулем Пельтье с ошибкой между температурой модуля и установленной температурой. Выходной сигнал лазера можно модулировать с помощью внешнего входа модуляции через MCU, и он отключается для защиты лазерного модуля, когда температура модуля выходит за установленные пределы.

Создание гальванометрических сканеров

Я искал существующий проект по созданию замкнутых гальванических систем, однако не смог найти такой проект в Интернете. Большинство самодельных сканеров сделаны из динамика без какой-либо обратной связи. Кажется, еще никто не пытался построить замкнутый гальванический контур. Я был вынужден начать проект с нуля, и я смог построить гальванические цепи замкнутого цикла с достаточной производительностью при некотором испытании. Я считаю, что этот отчет поможет лазеристам, у которых есть подобный проект.

Что такое гальванометр?

Гальванометр является одним из электрических приборов, используемых для обнаружения слабого тока, его условное обозначение (G) . При обнаружении очень малого тока гальванометр использовался с прикрепленным зеркалом и источником света вместо иглы, чтобы увеличить отклонение, и существующие гальванометры также унаследовали этот принцип. Гальво имеют очень тонкий ротор, чтобы свести к минимуму инерцию ротора для быстрого движения. Подвижная катушка заменяется высоким жестким твердым ротором, таким как подвижный магнит и подвижное железо, а катушка якоря перемещается к статору для увеличения теплового излучения. Эту структуру можно назвать «Серводвигатель», а не гальванометр.

Регулирование с обратной связью

Рис. 3. Переходная характеристика гальвопривода

Вал гальвопривода без обратной связи удерживается торсионной пружиной, ротор перемещается в положение, в котором балансируется между генерируемым крутящим моментом ротора и восстанавливающий момент торсионной пружины. Это тот же принцип, что и традиционный гальванометр. Им можно управлять в одну сторону, ротор перемещается в положение, пропорциональное току катушки. Однако полоса пропускания гальванических преобразователей с разомкнутым контуром ограничена, поскольку имеет резонансную частоту, определяемую инерцией ротора и жесткостью пружины.

При управлении с обратной связью положение ротора определяется детектором положения, оно сравнивается с заданным положением, и положение ротора контролируется для отслеживания заданного положения. Это также называется контроллер обратной связи или сервоуправление . Это может улучшить скорость и точность сканирования по сравнению с управлением без обратной связи ( Рисунок 3 ). Энергоэффективность также повышается, поскольку отсутствует потеря мощности из-за торсионной пружины. Однако управление с обратной связью требует затрат на детектор положения, сервоусилитель и т.п. Этот проект строит гальвоуправление с обратной связью.

Детектор положения

Рис. 4. Емкостный детектор положения

Детектор положения является наиболее важной частью системы управления с обратной связью. резольвер) и проводящие (потенциометр). Я выбрал простой емкостной метод, в котором используется принцип, заключающийся в том, что при подаче переменного напряжения на конденсатор ток, протекающий через конденсатор, пропорционален значению емкости. Его структура аналогична настроечному конденсатору, используемому в радио. В практической конструкции один электрод заземляется, поскольку это удобно с учетом конструкции, но при измерении тока конденсатора в такой конструкции необходимо учитывать схему схемы.

На схеме, показанной на Рис. 4a , генерируется составляющая постоянного тока, указанная стрелками, и открывается путь постоянного тока, как показано на Рис. 4b , выпрямленная составляющая постоянного тока может быть обнаружена гальванометром (G). На самом деле изменение емкости очень мало, и его невозможно стабильно обнаружить из-за паразитной емкости и любых помех. На рис. 4c показана схема, используемая для практического проектирования, два дифференциальных электрода и диоды соединены друг с другом в противоположной полярности. Сумма выпрямленных токов становится разницей между ними, любой фактор, влияющий на точность, может быть устранен, и его можно стабильно обнаружить. На этом рисунке, когда подвижный электрод перемещается влево, на Vo появляется положительное напряжение, и наоборот. Детектор положения, встроенный в этот проект, изменяет разностную емкость всего на несколько пФ в полной шкале (90° механического отклонения), и можно было получить достаточное изменение выходного напряжения.

Изготовление деталей и сборка

Фото 3. Детали Galvo

Фото 3 показаны основные части собираемых Galvo. Объяснение каждой детали следующее:

1. Базовая рама. Стеклянно-эпоксидные прото-платы нарезаются подходящего размера, две опорные доски устанавливаются на торцевые блоки и из них получается корпус гальванопластики.
2. Обмотки статора. Намотайте UEW (уретановый эмалированный провод) диаметром 0,3 мм 60 витков на бобину и зафиксируйте форму лаком, а затем извлеките ее из бобины.
3. Шариковые подшипники. Это дополнительные детали комплекта модели MINI-4WD (OD=5, ID=2, L=2,5)
.
4. Ротор с подвижным магнитом. Сплошной ротор жестче спирального, вредного резонанса не возникает. Вал из углеродистой стали взят из старьевщика (D=2, L=45), а неодимовые магниты взяты из вычищенных жестких дисков. Магниты вырезаются и прикрепляются к валу, а затем формуются с помощью шлифовального станка с водяным охлаждением. Вал должен быть максимально тонким и легким, чтобы свести к минимуму инерцию ротора.
5. Подвижный электрод для частичного разряда. На тонкой стеклоэпоксидной плате (D=8, t=0,2) сформирован электрод в форме бабочки. Диапазон рабочих углов составляет 90° у электрода в форме бабочки и 180° у электрода в форме полумесяца. 90° достаточно для сканера гальванометра.
6. Статорный электрод для частичного разряда. Это тот же материал, что и подвижный электрод, разделенный на четыре квадранта.

Фото 4. Виды крупным планом

Фото 4 показывает крупный план встроенного гальванометра, схема доступна в технических примечаниях.

1. Строится гальво. Две катушки статора размещены и закреплены вокруг магнита ротора. Я не мог сделать точный сердечник статора, поэтому я принял полную конструкцию без сердечника, чтобы избежать ненужного реактивного момента. Это приводит к тому, что константа крутящего момента довольно мала, 2,5 мН-м/А.
2. Сторона статора PD. Острая пружинная проволока (фосфористая бронза, диаметр 0,4 мм), прижимающая вал, создает потенциал земли для движущегося электрода и создает предварительное давление на подшипники для одновременного устранения вибрации. Точка контакта должна быть в центре вала, чтобы свести к минимуму трение, иначе это вызовет ошибку гистерезиса. Небольшое количество масла для электрических контактов увеличивает проводимость и стабильность.
3. Сторона ротора ПД. Ротор ПД закреплен сзади, а электроды прикреплены к валу токопроводящей краской. Зазор между ротором и статором должен быть максимально близким и параллельным, иначе чувствительность и линейность будут хуже.
4. Крепление для зеркала. Вырежьте первое поверхностное зеркало и прикрепите его к держателю зеркала из алюминиевого стержня (D=5).

Сборка сервоусилителей

Как работает сервопривод

Рис. 5. Схема работы сервопривода (упрощенная)

На рис. 5 показана блок-схема сервоусилителя для этого проекта. В позиционной сервосистеме порядок задержки на управляемом объекте становится высоким, и его нельзя стабильно контролировать, если не использовать фазовую компенсацию, подходящую для сервосистемы. Метод управления для гальванической системы с обратной связью — PD-управление, а для D-управления компенсация задержки тока-скорости и задержки скорости-положения выполняется отдельно. I-управление опущено, поскольку оно может повлиять на стабильность сервопривода. В этой системе почти нет ни трения, ни статического крутящего момента, поэтому кажется, что нет проблем с точностью позиционирования даже без I-управления.

Характеристики детектора положения

Рис. 6. Выход ЧР и положение ротора

Электрод статора детектора положения разделен на четыре квадранта, и рабочий диапазон углов становится ±45°, как показано на Рис. 6 . Сервосистема блокирует окрашенную область, чтобы полярность вращения и выходной сигнал PD соответствовали для правильной работы сервопривода. Он может зафиксироваться в серой области, что является неправильным положением, но при подаче питания сканера с командой положения центра ротор возвращается в центр, где бы он ни находился. Нормальный рабочий диапазон установлен на ±20° (оптическое отклонение ±40°), что достаточно для сканеров гальванометра.

Монтажные платы

Это встроенный сервоусилитель и принципиальная схема. Это простая и обычная схема на ОУ, в ней нет ничего сложного. Однако он имеет усилитель мощности и небольшой усилитель сигнала на плате вместе. Вы должны обратить внимание на непреднамеренную связь с конструкцией платы, иначе вы будете страдать от колебаний, искажений или нестабильности, а усиление сервопривода будет ограничено. В настоящее время схема частичного разряда немного зависит от усилителя мощности, может быть лучше переместить его на гальваническую цепь, как существующие гальванические цепи.

Для сервоусилителя требуется источник питания с двойным выходом ±20 вольт. Он генерируется с помощью простого преобразователя постоянного тока, питаемого от одного источника постоянного тока +12 вольт. Это не то, что должно регулироваться, традиционный блок питания типа трансформатор-мост-конденсатор также будет работать хорошо.

Это форма волны, которая представляет собой переходную характеристику сервоусилителя. Он должен регулироваться по току, однако выходное напряжение насыщается из-за индуктивности катушки. Напряжение питания должно быть как можно выше, чтобы свести к минимуму этот эффект. Также можно обнаружить падение напряжения при высоком выходном токе. Это связано с ограничением тока LM675, операционный усилитель высокой мощности, такой как LM12, может быть лучше, чем LM675. Однако такой сильный операционный усилитель может сжечь гальваническую катушку из-за перегрузки или колебаний, так что для гальванической защиты потребуется любая тепловая защита.

Сборка контроллера

Рис. 7. Блок-схема контроллера

Контроллер лазера должен генерировать как минимум два векторных сигнала (аналоговый ±1 В) для гальванических импульсов и сигнал гашения (TTL) для модуляции выходного сигнала лазера. Эти сигналы могут генерироваться любой платой микроконтроллера, найденной в мусорном ящике, или простым цифро-аналоговым адаптером, подключенным к параллельному порту ПК. В этом проекте я разработал и построил новую плату контроллера, чтобы минимизировать размер платы. Рисунок 7 показана блок-схема платы контроллера, а принципиальная схема доступна в технических примечаниях. Контроллер генерирует только векторные данные с сохраненным кадром, и управление больше не осуществляется. Нет необходимости объяснять каждую функцию платы контроллера и ее прошивки, потому что вы должны иметь навыки проектирования контроллера лазерного дисплея, если вы собираетесь собирать гальво.

Инструменты для создания кадра

Поскольку графические данные, используемые в лазерном проекторе, основаны на векторах, а не на основе растра, общие графические инструменты нельзя использовать для создания данных кадра. Любой векторный графический инструмент необходим для создания векторных кадров. Есть несколько инструментов для создания лазерных изображений, предназначенных для векторной графики, но они слишком дороги для хобби или временного проекта, поэтому я разработал простой инструмент для векторной трассировки. Он обрабатывает файлы кадров в общем формате csv, потому что я также хочу использовать его для любых других целей :-). Это бесплатное программное обеспечение, доступное в технических заметках. Сценарий для преобразования файла кадра ild в файл csv также включен.

Результаты

Встроенный лазерный проектор
Каждый компонент смонтирован на базовой плате из алюминия размером 240×150×5 мм.

Работа от батареи
Лазерный проектор с батареей и блоком питания можно хранить в кейсе.

Регулировка

При применении прямоугольной волны для оси Y и пилообразной волны для оси X будет проецироваться ступенчатая характеристика оси Y. Это означает меньшую фазовую компенсацию. Когда его слишком много, края импульсов будут притуплены.

Сведите к минимуму звоны с помощью триммера LFD для компенсации низких частот (1-й опрос). Левые небольшие звоны могут быть удалены с помощью триммера HFD для компенсации высоких частот (2-й опрос).

Ось Y настроена идеально. Теперь вы сможете найти асимметрию между передним и задним фронтами. Это происходит из-за асимметрии между возможностями источника и приемника LM675.

Отрегулируйте ось X таким же образом. Импульсный тест может выразить ступенчатую характеристику лучше, чем квадратичный тест. Ширина импульса для этих тестов составляет 8 мс.

ILDA 12K@20°
Это магический круг… скорее тестовый шаблон ILDA. Дополнительные сведения об этом см. по ссылке в технических примечаниях.

ILDA 30K@8°
Мой сканер не соответствует стандарту ILDA 30K. Кто первым достигнет этой цели? 🙂

ILDA 18K@8°
Кажется пределом моего сканера является ILDA 18K, но для хобби этого достаточно.

Различная лазерная графика

Буква в квадрате (51fps)

Приложение (28 кадров в секунду)

Гико-кот проецируется на стену с расстояния 60 м (38 кадров в секунду)
Он также может проецироваться в облако!

Юки Котономия (12 кадров в секунду)

Для внутреннего светового шоу используются генераторы масляного тумана под названием Hazer, чтобы улучшить видимость луча и минимизировать мощность лазера. Спирали от комаров тоже хорошо работают 🙂

Образец набора рамок от International Laser Production. (frasamp.avi)
Сгенерированный 3D-кадр. (корона.avi)

Технические примечания и связанные ссылки

.
Рабочая: 22 Вт (ILDA 18K @8°)

Технические характеристики (версия 2)

Контроллер	MCU: ATmega64 (Atmel) Память данных: MMC/SD LCD, выходы X-Y, выход модуляции
X-Y сканер	Скорость: ILDA 18K при 8°, ILDA 12K при 20° Рабочее отклонение: 80° (оптическое) : 532 Нм (зеленый) Выходная мощность: 20 МВт Вход модуляции: TTL
Требование к мощности	Контроллер/Лазер: 5V/1,5A x-Y-Scanner: ± 20V/1A
Dimensions	240(W), 150(D), 40(H) [mm]
Weight	1.0kg

• Updates Feb 12, 2006
• Плата контроллера (версия 1), принципиальная схема и прошивка.
• Плата контроллера (версия 2), принципиальная схема и прошивка. 12 февраля 2006 г.
• Плата сервоусилителя (версия 1), принципиальная схема, переходная характеристика (P3.1:P3.2:TP4, @8°), переходная характеристика (TP4, @30°), прямоугольная характеристика 120 Гц (TP2:TP4, @8°), синусоидальная характеристика 400 Гц (TP2:TP4, @8°)
• Плата сервоусилителя (версия 2), принципиальная схема 12 февраля 2006 г.
• Схема блока питания сканера
• Гальванометр и его принципиальная схема
• Цепь управления зеленым лазером
• Редактор кадров для Win32 [mkv2.zip] 16 августа 2006 г.
• Исходные файлы для редактора кадров [mkvsrc.zip] 2 сентября 2011 г.