Projektor laserowy RGB o mocy pół wata

Witam wszystkich, drodzy elektrodowicze
W końcu zebrałem się, żeby przedstawić tutaj największy z moich ostatnich projektów, a mianowicie Projektor Laserowy RGB v2.5. Opisany tutaj projektor to wersja 2.5 - następca projektora v2.0, który nie został dokończony. Opis owego projektora v2.0 można znaleźć na mojej stronie tutaj: http://c4r0.byethost9.com/index.php?page=lasers/RGB2 . Wersji 2.5, którą opisuję w tym temacie jeszcze na stronie nie ma.
[EDIT: już od dawna jest - http://c4r0.byethost9.com/index.php?page=lasers/RGB2.5 ]
Być może również niektórzy zainteresowani pamiętają mój projektor w wersji 1, który też na tym portalu przedstawiałem.

Może na początek trochę informacji. Projektor składa się z trzech modułów laserowych: czerwonego (650nm), zielonego (532nm) oraz fioletowego (405nm), który udaje niebieski O samych laserach rozpiszę się nieco bardziej w dalszej części. Wiązki światła, emitowane przez te lasery, łączone są za pomocą filtrów interferencyjnych, zwanych również zwierciadłami dichroicznymi lub "dichro". Zasada działania tych filtrów jest podobna do zasady działania interferometru Fabry-Perot, skutek jest taki, że światło o danej długości fali (lub jakieś pasmo) jest bardzo dobrze odbijane, a inne są bardzo dobrze przepuszczane (lub odwrotnie). Filtry te muszą być bardzo precyzyjnie ustawione pod odpowiednimi kątami, tak, aby wiązki światła jak najlepiej się pokrywały. Do wygodnej regulacji tego typu optyki stosuje się specjalne uchwyty, które po angielsku nazywają się kinematic mount, a po polsku nie wiem jak Oczywiście, fabryczne uchwyty kosztują majątek, dlatego zrobiłem je sobie sam, co przedstawiają poniższe zdjęcia:



Uchwyt taki pozwala na precyzyjną regulację kąta oddzielnie w osi pionowej i poziomej, za pomocą dwóch śrubek. W opisywanej konstrukcji potrzebne były trzy uchwyty: dwa do filtrów dichro i jeden do zwierciadła.



Czerwony moduł lasera, który zastosowałem w opisywanym projektorze składa się z dwóch diod laserowych 650nm z nagrywarek DVD, pracujących przy prądzie około 350mA. Każda dioda zamontowana jest w obudowie modułu laserowego małej mocy, który zawiera akrylową soczewkę kolimującą. Moduły te zamontowane są na aluminiowym bloku, a wiązki światła przez nie generowane są łączone w jedną za pomocą polaryzacyjnego beamsplittera, również wymontowanego z nagrywarki DVD. Taki beamsplitter odbija światło o polaryzacji np. liniowej pionowej, a przepuszcza światło o polaryzacji poziomej (która jest ortogonalną do pionowej). Diody laserowe emitują światło spolaryzowane, więc jeśli jedną z nich zamontujemy obróconą o 90 stopni w stosunku do drugiej, to dają one dwie wiązki o przeciwnej polaryzacji, które można połączyć w ten sposób. Całkowita moc światła emitowanego przez ten "podwójny" czerwony laser to około 350mW, co widać na jednym z poniższych zdjęć. Przy prądzie, jaki ustawiony jest do pracy w projektorze, moc tego lasera to około 300mW.




Zielony laser to chiński moduł laserowy DPSS z generacją drugiej harmonicznej, o mocy 100mW. Wymontowałem go z uszkodzonego lasera dyskotekowego. Jeśli kogoś interesuje zasada działania tego typu laserów, która jest dość ciekawa to odsyłam TUTAJ.


Laser fioletowy to dioda laserowa 405nm z czytnika BluRay, konkretnie z modułu laserowego o symbolu SF-AW210. Diody te są w stanie dawać ponad 300mW mocy optycznej, ale niestety przy takim przeciążeniu długo nie popracują. W moim projektorze dioda zasilana jest prądem około 270mA, co daje moc niecałe 300mW (już za kolimatorem z soczewką akrylową). Zastosowany moduł to nr. 2 z poniższego zdjęcia.




Do zasilania lasera czerwonego i fioletowego (zielony ma własny fabryczny zasilacz) użyłem zasilacza impulsowego wymontowanego z drukarki HP oraz driverów stabilizujących prąd, dokładnie takich jak ten opisany jako ostatni na tej stronie. Tutaj schemat i zdjęcie tego układu:



Oczywiście moce zastosowanych laserów muszą być odpowiednio dobrane, tak, aby po połączeniu dawały białe światło. Oko ludzkie nie jest jednakowo czułe na wszystkie kolory (patrz funkcja V(lambda)), dlatego moce laserów nie są takie same.

I to tyle na temat laserów. Do tej pory mamy trzy lasery oraz filtry dichro, za pomocą których łączymy wiązki światła RGB uzyskując światło białe. Teraz przydałby się jakiś system skanujący, za pomocą którego będzie można poruszać wiązką światła i coś narysować. Taki system to skanery galvo. Składa się z dwóch niezależnych kanałów (odchylanie X i Y). Każdy kanał zawiera skaner, który jest zbudowany podobnie do miernika analogowego (ze wskazówką) - jest oś z magnesem, na której zamocowane jest zwierciadło, oraz cewki które tą oś wychylają. Dodatkowo, aby wszystko mogło działać precyzyjniej i szybciej, skanery wyposażone są w optyczny detektor pozycji (fotodiody i ruchoma przesłona), który wpięty jest w pętlę sprzężenia zwrotnego wzmacniacza sygnału. Niestety, taki skaner to element mechaniczny, który posiada bezwładność, rezonans itp. Dlatego wzmacniacz do sterowania nim to nie jest prosta sprawa. Wykorzystuje się tutaj specjalny regulator (o ile wiem PID), który jest dość trudno dostroić, nie mówiąc już o samodzielnym zbudowaniu go. Dlatego dobrze jest kupić gotowy, zestrojony zestaw skanujący, tym sposobem oszczędzając sobie mnóstwo pracy i jeszcze więcej nerwów (niestety kosztem większego wydatku). Ja użyłem jednego z najtańszych chińskich zestawów tego typu, który przedstawia zdjęcie:



Mamy tutaj dwa skanery wyposażone w zwierciadła dielektryczne oraz zestrojone wzmacniacze, oraz uchwyt do mocowania skanerów i zasilacz impulsowy do zasilania ich. Każdy wzmacniacz ma symetryczne wejście analogowe, na które podaje się sygnał mówiący o wychyleniu zwierciadła. Hmm, ale skąd wziąć ten sygnał? ... o tym poniżej


Kolejną częścią projektora, tym razem czysto elektroniczną jest interfejs dostarczający sygnałów analogowych do sterowania systemem skanującym oraz do włączania i wyłączania poszczególnych laserów w odpowiednich momentach. Sygnały te często przesyłane są kablem w standardzie ILDA (tam sterowanie laserami jest również analogowe) - tego typu wejście zawiera większość projektorów laserowych dostępnych na rynku. Istnieje przynajmniej kilka interfejsów USB-ILDA, jednak w większości są one drogie, dostępne od razu z dedykowanym oprogramowaniem do pokazów laserowych, oraz nie są udokumentowane do samodzielnego skonstruowania. Wyjątkiem jest bILDA, jednak to nie z tego interfejsu korzystam. Używam najprostszego interfejsu dostarczającego odpowiednie sygnały, a mianowicie interfejsu zwanego Popelscan, opracowanego przez laserowca-hobbystę z Niemiec. Nawet tutaj na elektrodzie były już przedstawiane proste konstrukcje jednokolorowych projektorów laserowych wykorzystujących Popelscana. Interfejs ten korzysta z portu LPT komputera, który niestety odchodzi już do lamusa i jest coraz rzadziej spotykany. Na płytce znajdują się dwa 8-bitowe przetworniki cyfrowo-analogowe dostarczające sygnałów X i Y, oraz zatrzask TTL dostarczający binarnych sygnałów włączających i wyłączających trzy lasery. Poniżej schemat i zdjęcia wykonanego przeze mnie Popelscana.



Ten interfejs jest obsługiwany przez kilka programów: oryginalny Popelscan (wersje do 3.1), HE-Laserscan, Mamba Black 2004 (program płatny i już niedostępny), oraz NLS. Ja używam ostatnio przeważnie tego ostatniego, bo jest darmowy, dość szybki i obsługuje bez problemu pliki grafiki wektorowej w standardzie ILDA (*.ILD), które są powszechnie używane w pokazach laserowych. Program NLS w wersji 1.6.7 jest do ściągnięcia TUTAJ.

Z braku plików .ILD, które by mnie interesowały oraz braku sensownych darmowych programów do tworzenia takich plików, sam napisałem program pozwalający przerabiać pliki .BMP na pliki .ILD Napisałem też przeglądarkę tych plików, bo również nie znalazłem żadnej darmowej która by mi odpowiadała. Poniżej obrazki przedstawiające okienka tych programów, a same programy dodaję jako załączniki do postu.





No dobra, to już wszystko co jest potrzebne. Teraz opowiem jak to poskładałem. Jako obudowę postanowiłem użyć "aluminiowej" (płyta paździerzowa pokryta aluminiową folią) walizki z hipermarketu. Zestaw trzech walizek różnej wielkości kosztował kilkadziesiąt zł, więc nie jest to duży wydatek a obudowa jest całkiem przyzwoicie wyglądająca i przede wszystkim bardzo wygodna w użyciu. Poniższe zdjęcie przedstawia wszystkie części projektora zebrane do kupy.



Jako podstawę do zamontowania optyki i części elektroniki użyłem płytę aluminiową 3mm, dopasowaną do walizki. Po zaplanowaniu rozłożenia poszczególnych elementów zrobiłem odpowiednie gwintowane otwory, i zamontowałem wszystko na płycie. Płytka popelscana, wraz z wyłącznikami, złączami, kontrolką LED i potencjometrem do regulacji wielkości obrazu przymocowana została do kawałka takiej samej płyty aluminiowej, który potem wmontowałem w ściankę walizki, jak to widać na zdjęciach poniżej. Jako otwór, przez który wychodzi światło, zastosowałem przepust kablowy do mebli o średnicy 60mm. Ma on pokrywkę którą się łatwo zakłada i zdejmuje, jest niebrzydką oprawą dziury i jest tani, co czyni go bardzo dobrym w tym zastosowaniu




No i nareszcie zdjęcia gotowej konstrukcji Jak widać na jednym ze zdjęć, całkowita moc wychodzącej wiązki światła to prawie pół wata. Suma mocy poszczególnych laserów jest większa (300mW 650nm + 100mW 532nm + 300mW 405nm = ~700mW), ale oczywiście każdy element optyczny (dwa filtry dichro, i trzy zwierciadła) wprowadza swoje straty. Taka moc oczywiście jest bardzo niebezpieczna, dlatego ostrożność to podstawa. Przy włączonych na stałe wszystkich trzech laserach nieruchoma wiązka przepala dziurę w kartonie i parzy w skórę, więc na prawdę nie ma żartów i nie chodzi tylko o wzrok.





Na koniec trochę zdjęć efektów pracy projektora, oraz dwa filmiki Ufff, ale się rozpisałem Pierwsza część zdjęć została zrobiona oczywiście w zadymionym pokoju. Do dymienia użyłem gliceryny z apteki rozpylanej sprayem na gorące żelazko





Jeśli chodzi o koszt, to moje wydatki prawdopodobnie wyniosły około 1000zł (połowa z tego to zestaw skanerów galvo), przy czym dużo rzeczy jak część elementów elektronicznych, laminat, płyta aluminiowa, kątowniki na uchwyty, śruby itp miałem już w moich gratach. Również prawie cała optyka, w tym lasery, została wymontowana z uszkodzonego sprzętu komputerowego i dyskotekowego, który kupiłem za niewielkie pieniądze.