Averigüemos cómo hacer un proyector láser lo suficientemente simple con componentes electrónicos que pueda encontrar en casa.
Introduccion
Hay dos formas de crear una imagen con un láser: escaneo vectorial y escaneo de trama.
Durante el escaneo vectorial, el láser se mueve a lo largo de los contornos de la imagen, solo se apaga mientras se mueve de un contorno a otro. Eso significa que el láser está encendido la mayor parte del tiempo, lo que genera una imagen resultante bastante brillante.
Ese método se usa con mayor frecuencia en proyectores láser industriales a gran escala, pero requiere el uso de un dispositivo electromecánico bastante complejo, el galvanómetro, para mover el láser rápidamente. Los precios comienzan desde $ 80 por par y es muy poco práctico (
aunque posible ) hacer en casa.
El segundo método es el
escaneo de trama . Allí, el rayo láser se mueve de lado a lado, dibujando la imagen línea por línea. Ese es el método utilizado en los viejos televisores y monitores CRT.
Dado que los movimientos verticales y horizontales se realizan repetidamente, se requiere una configuración mecánica mucho más simple que el escaneo vectorial. Además, dado que la imagen se divide en elementos separados, es mucho más fácil de programar.
El principal inconveniente del escaneo de trama es que el haz pasa sobre cada elemento de la imagen, incluso aquellos que no necesitan ser iluminados, lo que hace que la imagen sea más tenue. Pero, debido a la simplicidad, ese es el método que elegí para mi proyector láser.
Para mover el rayo láser a lo largo de una línea (horizontalmente), hay una técnica muy conveniente: utilizar un espejo que gira a una velocidad constante. Como la rotación es continua, puede mover la viga bastante rápido. Pero mover el rayo a otra línea es más difícil.
La opción más fácil es usar múltiples láseres apuntando al espejo giratorio. La desventaja es que el número de líneas mostradas estaría determinado por el número de láseres utilizados, lo que hace que la configuración sea más complicada, además de que necesitaría un espejo bastante alto. Pero también hay ventajas: la única parte móvil de todo el sistema es el espejo (menos elementos para romper), y el uso de múltiples láseres puede hacer que la imagen sea más brillante.
Aquí hay un ejemplo de un proyector construido de esa manera.
Otro método de escaneo, que a menudo se encuentra en Internet, es combinar escaneos verticales y horizontales mediante el uso de un tambor de espejo giratorio, donde se colocan "facetas" separadas en diferentes ángulos con respecto al eje de rotación. Esa configuración de espejo hace que el rayo láser se refleje en diferentes ángulos verticales cuando el espejo gira, creando un escaneo vertical.
Aunque el proyector resultante es bastante simple en esencia (solo necesita un láser, un espejo con un motor y un sensor de sincronización), este método tiene un gran inconveniente: es muy difícil construir un espejo multifacético en casa. Por lo general, la inclinación de las "facetas" debe ajustarse perfectamente durante la construcción, y el nivel de precisión requerido es increíblemente alto.
Aquí hay un ejemplo de tal proyector.Para hacerlo más fácil, utilicé otro método de escaneo: un espejo que gira constantemente para formar el escaneo horizontal y un espejo que oscila periódicamente para el escaneo vertical.
Realización
Escaneo horizontal
¿Dónde puedes encontrar un espejo de rotación rápida? ¡En una vieja impresora láser, por supuesto! Las impresoras láser utilizan un espejo poligonal, colocado encima de un motor sin escobillas para escanear el rayo láser a lo largo del papel. El motor generalmente se encuentra en la parte superior de la PCB que lo controla.
Ya tenía un módulo espejo de una impresora vieja:
No pude encontrar documentación para el módulo o el chip dentro de él, así que para determinar el diseño del pin del módulo tuve que realizar ingeniería inversa. Las líneas de alimentación son fáciles de ubicar: están conectadas al único condensador electrolítico en la PCB. Pero simplemente obtener energía para el motor no es suficiente para hacerlo girar; también debe proporcionar una señal de sincronización para establecer la velocidad de rotación. La señal es un simple meandro de la frecuencia de 20 a 500-1000 Hz.
Para encontrar la línea correcta, tomé un generador de impulsos configurado para 100 Hz, y lo conecté (a través de una resistencia) a cada línea disponible del puerto del módulo láser. Una vez que la señal se suministra a la línea correcta, el motor comienza a girar. El espejo gira bastante rápido para nuestros propósitos: como se midió más tarde, gira a una velocidad superior a 250 RPS. Pero desafortunadamente, la rotación del motor lo hizo bastante ruidoso. No es un problema para mis experimentos, pero sin duda sería notable cuando el proyector esté completo y funcionando. Tal vez podría mitigarse utilizando un módulo espejo más nuevo o simplemente colocando el módulo en una caja.
Laser
Para las pruebas preliminares utilicé un láser de un puntero láser barato. El módulo debe configurarse de modo que tenga múltiples grados de libertad para apuntar correctamente el láser al espejo.
Como utilizamos el escaneo de trama, la luz láser se distribuye a lo largo de toda el área de la imagen, lo que hace que la imagen sea bastante tenue, solo es visible en la oscuridad.
Entonces, mucho más tarde, después de dibujar con éxito una imagen, reemplacé el módulo láser por uno más potente: el diodo láser de un reproductor de DVD.
Advertencia: ¡los láseres de DVD son muy peligrosos y pueden cegarlo! ¡Mientras trabaja con el láser, use gafas protectoras en todo momento!
Tanto el láser como los módulos de espejo poligonal se colocaron encima de una pequeña tabla de madera. Después de suministrar la señal de reloj al motor y la potencia al láser, debe apuntar el láser de tal manera que el rayo golpee los bordes del espejo. Como resultado, mientras el espejo gira, obtienes una larga línea horizontal.
Fotosensor de sincronización
Para permitir que el microcontrolador rastree la posición de un rayo láser en movimiento, necesitamos un fotosensor. Pero para ese propósito utilicé un fotodiodo obstruido con un trozo de cartón con un pequeño agujero en el medio. Es necesario para rastrear el momento en que el rayo golpea el fotodiodo con mayor precisión.
Aquí está el sistema de montaje para el fotodiodo (sin el cartón):
Durante el funcionamiento normal, el rayo láser reflejado debe golpear primero el fotodiodo, y solo entonces, el espejo de exploración vertical.
Después de instalar el sensor, lo probé suministrando voltaje a través de la resistencia y observando la señal con un osciloscopio; su amplitud fue suficiente para conectar el sensor directamente a la entrada GPIO del microcontrolador.
Escaneo vertical
Como mencioné anteriormente, utilicé un espejo oscilante periódicamente para formar el escaneo vertical. ¿Cómo lo manejas? La forma más fácil es usar un electroimán. A veces las personas simplemente montan los espejos en la parte superior de los altavoces de la computadora, pero no es una opción particularmente deseable (los resultados son inconsistentes, demasiado difíciles de calibrar).
En mi construcción utilicé el motor BLDC de un reproductor de DVD para controlar el espejo de exploración vertical. Dado que el proyector estaba destinado a generar texto, no había muchas líneas para dibujar, lo que significaba que el espejo solo debía estar ligeramente inclinado.
El motor BLDC consta de tres bobinas, que juntas forman un estator. Si una de las bobinas está conectada a una fuente de energía con carga positiva, y las otras dos están conectadas alternativamente a la fuente con carga negativa, el rotor del motor se tambaleará. El barrido angular máximo está determinado por la configuración del motor, específicamente, el número de polos. Para un motor de DVD no supera los 30 grados. Dado que este motor es bastante potente y fácil de controlar (solo se requieren dos teclas), este motor encaja muy bien para nuestro propósito de construir un proyector láser de texto.
Así es como se ve el motor con un espejo conectado:
Tenga en cuenta que la superficie reflectante del espejo debe estar en la parte delantera, lo que significa que no está obstruida por el vidrio.
Resumen
Así es como se ve el proyector montado:
El módulo de proyección de cerca:
El espejo poligonal se mueve en sentido horario, por lo que el rayo láser se mueve de izquierda a derecha.
El potente diodo láser de DVD ya está instalado (dentro del colimador). El espejo de exploración vertical está configurado de tal manera que la imagen proyectada apunta hacia arriba, en mi caso, al techo de mi habitación.
Como puede ver en la imagen, el microcontrolador STM32F103 instalado en una pequeña placa de depuración (Blue Pill) controla el láser y las partes mecánicas del proyector. Esta placa está instalada en la placa de pruebas.
Esquema del dispositivo:
Como mencioné anteriormente, para controlar el motor de espejo poligonal solo necesitamos una señal: la señal de sincronización (POLY_CLOCK) producida por uno de los temporizadores de STM32 que funcionan en modo PWM. Su frecuencia y relación de trabajo no cambian mientras el proyector está funcionando. Para alimentar el motor, uso una fuente de alimentación de 12V separada.
Las dos señales PWM para controlar el espejo de exploración vertical son generadas por otro temporizador del microcontrolador. Estas señales pasan por un chip ULN2003A que controla el motor del DVD. Entonces, al establecer diferentes relaciones de trabajo para los canales PWM de esos tiempos, podemos cambiar el ángulo de giro del motor.
Desafortunadamente, la versión actual del proyector no proporciona comentarios sobre la ubicación del espejo. Significa que el microcontrolador puede conducir los espejos, pero no "sabe" su posición actual. La inercia del rotor y la inductancia de las bobinas producen algunos retrasos al cambiar la dirección de rotación.
Gracias a todo esto, hay dos consecuencias principales:
- La densidad de línea no es constante, porque la velocidad de rotación del espejo no se puede controlar;
- Muchas líneas no están operativas. El espejo de exploración vertical oscila en ciclos, por lo que algunas de las líneas podrían salir hacia abajo y la otra hacia abajo. Como resultado, dado que no podemos rastrear la posición, las líneas solo se pueden mostrar mientras el motor gira de una manera particular. Como solo se muestra la mitad de las líneas, el brillo de la imagen se reduce a la mitad.
Sin embargo, la falta de comentarios hace que el dispositivo sea bastante fácil de construir.
El proceso de formación de la imagen también es bastante simple:
- Cada vez que el rayo láser golpea el fotodiodo, el microcontrolador genera una interrupción. En esta interrupción, la MCU calcula la velocidad de exploración horizontal actual. Después de eso, el temporizador de sincronización especial se reinicia.
- Este temporizador de sincronización genera sus propias interrupciones en momentos particulares durante la exploración horizontal.
- En particular, algún tiempo después de la sincronización, se debe formar la señal de control del láser. Mi dispositivo lo forma con un combo DMA + SPI. Esencialmente, estos módulos transmiten una línea de la imagen en la salida MOSI SPI en el momento correcto, un bit a la vez.
- Una vez finalizada la salida de la imagen, el láser debe volver a encenderse para que el fotodiodo pueda volver a aceptar su haz.
La modulación láser se realiza a través de una de las claves del chip ULN2003A. La resistencia R3 es necesaria para proteger el diodo láser de sobrecorriente. Está instalado justo al final del cable láser, aislado. Para alimentar el láser, utilicé una
fuente de alimentación externa. Es importante controlar el consumo de corriente del láser y asegurarse de que esté dentro del rango aceptable para el diodo láser en particular.
Ejemplo de una imagen (8 líneas de alto):
El texto está algo desproporcionado porque el proyector apunta a una pared en ángulo. Actualmente, cada ciclo de exploración vertical tiene una longitud de 32 pasos (1 paso significa girar el espejo poligonal en 1 borde).
El proyector puede mostrar 14 líneas distintas: todo después de eso comienza a mezclarse con otras líneas, corrompiendo la imagen.
La foto al principio también usa una fuente de 8 líneas, lo que hace posible mostrar incluso dos líneas de texto algo bien.
Las fuentes 11x7 y 6x4 también son compatibles con el código:
Ejemplo de "texto en ejecución":
El video hace que la imagen parpadee verticalmente, pero en realidad no es visible.
Proyecto en GitHub.