En este artículo discutiré cómo hacer un proyector láser bastante simple a partir de piezas improvisadas.
Introduccion
Existen dos métodos para crear imágenes con un láser: estos son el escaneo vectorial y de trama.
En el caso del escaneo vectorial, el rayo láser se mueve en el espacio a lo largo de los contornos de la imagen deseada, desconectándose solo durante la transición de un circuito a otro.
Debido a esto, el láser se enciende la mayor parte del tiempo, por lo que la imagen resultante es bastante brillante.
Es este método el que se usa comúnmente en varios proyectores láser industriales. Al mismo tiempo, para el rápido movimiento del rayo láser, uno tiene que usar dispositivos electrónicos-mecánicos bastante complejos: galvanómetros. Sus precios generalmente comienzan en $ 80 por par, y en casa los galvanómetros son difíciles de producir (
aunque de manera realista ).
El segundo método para crear una imagen es un
escaneo de trama . En este método, el rayo láser se mueve secuencialmente a lo largo de todas las líneas de la imagen. Este método se utiliza en tubos CRT de televisores y monitores antiguos.
Debido al hecho de que ambos tipos de movimientos (vertical y horizontalmente) se realizan cíclicamente, la mecánica puede simplificarse enormemente (en comparación con el escaneo vectorial). Además, dado que la imagen que se forma consta de elementos individuales, es mucho más fácil formarla desde el punto de vista del software.
La desventaja del escaneo de ráster es que el haz pasará a lo largo de todos los elementos de la imagen, incluso si no es necesario resaltarlos, lo que hace que el brillo de la imagen disminuya.
Este método, debido a su simplicidad, quería implementarlo en mi proyector.
Es muy conveniente utilizar un espejo que gire a una velocidad constante para mover el rayo láser a lo largo de la línea (exploración horizontal). Debido al hecho de que la rotación es continua, la velocidad de la viga puede ser bastante grande. Pero la transición de una línea a otra es más difícil de implementar.
La opción más fácil es usar varios láseres dirigidos a un espejo giratorio. Las desventajas de este método: el número de líneas mostradas estará determinado por el número de láser utilizados, lo que complica el diseño, y el ancho del espejo debe ser bastante grande. Aunque hay ventajas: el único elemento móvil en dicho sistema es un espejo, y el uso de varios láseres le permite lograr un brillo de imagen suficientemente alto. Aquí hay
un ejemplo de un proyector que usa este principio .
Otra opción de escaneo que se puede encontrar en la red es la combinación de escaneo vertical y horizontal mediante el uso de un espejo giratorio multifacético, en el que las caras de los espejos individuales se ubican en diferentes ángulos con respecto al eje de rotación. Gracias a este diseño del espejo, cuando el espejo se gira de una cara a otra, el rayo láser se desvía verticalmente en diferentes ángulos, debido a lo cual se crea un escaneo vertical.
A pesar de la simplicidad general del proyector resultante (solo necesita un láser, un espejo con un motor y un sensor de sincronización), el método tiene un gran inconveniente: la complejidad de fabricar un espejo multifacético en casa. Típicamente, el ángulo de inclinación de las caras del espejo debe ajustarse durante el proceso de ensamblaje, y esto debe hacerse con gran precisión, lo que complica enormemente el diseño del espejo.
Aquí hay
un ejemplo de un proyector que usa este principio .
Para simplificar el diseño, decidí usar otro principio de escaneo: un espejo que gira constantemente para formar un escaneo horizontal y un espejo que oscila periódicamente para formar un escaneo vertical.
Implementación
Escaneo horizontal
¿Dónde puedo obtener un espejo que gira rápidamente? ¡De una vieja impresora láser!
En las impresoras láser, se utiliza un espejo multifacético (poligonal) montado en el eje de un motor sin escobillas de alta velocidad para escanear el rayo láser a lo largo de una hoja de papel. Por lo general, este motor está montado en una placa de circuito impreso, que lo controla.
Ya tenía un módulo de espejo adecuado de la impresora:
No se pudo encontrar la documentación del módulo en sí y el microcircuito utilizado en él, por lo que para determinar el pinout del módulo tuve que realizar una ingeniería inversa simple. Es bastante fácil encontrar las líneas de alimentación en el conector: están conectadas al único condensador electrolítico de la placa. Sin embargo, simplemente cuando se aplica la potencia, el motor no girará; debe enviar una señal de reloj al tablero, que determina la velocidad de rotación. Esta señal es un simple meandro con una frecuencia de 20 a 500-1000 Hz (puede ser diferente para diferentes modelos).
Para encontrar la línea correcta, tomé un generador de pulsos sintonizado a una frecuencia de 100 Hz, y conecté su salida a través de una resistencia 470 a todas las líneas libres del conector del módulo láser. Cuando se envió una señal a la línea deseada, el motor comenzó a girar. La velocidad de rotación del espejo es muy alta, las mediciones posteriores han demostrado que puede superar las 250 rpm. Pero, desafortunadamente, debido a la alta velocidad de rotación, mi módulo láser era bastante ruidoso. Para los experimentos, esto no es un problema, pero para el funcionamiento continuo del proyector, esto es malo. Es posible que al usar un módulo de espejo más nuevo o al instalar la estructura en una caja, los niveles de ruido se puedan reducir significativamente.
Laser
Para las primeras pruebas, utilicé un módulo láser de un puntero barato. El módulo debe fijarse de modo que pueda rotarse a lo largo de varios ejes; esto es necesario para dirigir correctamente el láser hacia el espejo:
Debido al uso del escaneo de trama, la luz láser se distribuye por toda el área de la imagen, el brillo de la imagen generada es bastante bajo: la imagen solo se puede ver en la oscuridad.
Por lo tanto, después de recibir la imagen, reemplacé el módulo láser con otro que usa un diodo láser de DVD (
un ejemplo de fabricación de dicho módulo ).
Atención: el láser de DVD es muy peligroso para la vista, todo el trabajo con dicho láser debe realizarse en gafas protectoras especiales.
El diseño de montaje de este módulo láser es el mismo que el anterior.
Instalé el láser y el módulo de espejo poligonal en un pequeño tablón de madera prensada. El láser debe montarse en el mismo plano con el espejo. Después de aplicar la potencia de la señal del reloj al motor y la potencia al láser, debe configurar el láser de modo que su haz llegue al borde del espejo. Como resultado, cuando se gira el espejo poligonal, se forma una larga línea láser horizontal.
Sincronización de fotosensores
Para que el microcontrolador de control rastree la posición de un rayo láser en movimiento, se necesita un fotosensor. Como fotosensor, utilicé un fotodiodo, cubierto con un trozo de cartón con una ranura. La ranura es necesaria para detectar con mayor precisión el momento en que el rayo golpea el fotodiodo.
Aquí está el montaje del fotodiodo (sin cartón con una ranura):
Durante el funcionamiento normal del motor, el rayo láser reflejado debe golpear primero el fotosensor y luego, en el espejo vertical.
Después de instalar el sensor, verifiqué su funcionamiento aplicando voltaje a través de una resistencia. Observé la señal del sensor con un osciloscopio: su amplitud era suficiente para conectar el sensor directamente a la entrada GPIO del microcontrolador.
Escaneo vertical
Como mencioné anteriormente, usé un espejo oscilante periódicamente para formar un escaneo vertical. ¿Cómo puedo hacer una unidad de espejo?
La opción más fácil es usar un electroimán cargado. A veces, los diseños más simples de proyectores láser utilizan espejos unidos a altavoces convencionales. Pero tal solución tiene una gran cantidad de desventajas (escasa repetibilidad de resultados, baja capacidad de fabricación del diseño, dificultad en la calibración).
En el diseño de mi proyector, decidí usar un motor DVD BLDC para manejar un espejo vertical. Dado que el proyector se planeó originalmente para la salida de texto, esto significaba que habría pocas líneas mostradas, lo que significa que el espejo debe girarse en un ángulo pequeño.
El motor BLDC del DVD contiene tres devanados que forman parte del
estator . Si uno de los devanados está conectado a una fuente de voltaje positivo, y los otros dos están conectados alternativamente con su negativo, entonces el
rotor del motor oscilará. La amplitud angular máxima de las oscilaciones está determinada por el diseño del motor, en particular, por el número de sus polos. Para un motor de DVD, este rango no excede los 30 grados. Debido a la potencia suficientemente grande de dicho motor, la facilidad de control (solo necesita dos teclas), el movimiento de rotación, este motor es muy adecuado para la fabricación de un proyector láser de texto simple.
Aquí está mi motor con un espejo pegado:
Vale la pena prestar atención al hecho de que la superficie reflectante del espejo debe estar al frente, es decir, no cubierta por vidrio.
Diseño en su conjunto
Así es como se ve todo el proyector:
Primer plano de la parte de proyección:
El espejo poligonal gira en sentido horario, de modo que el rayo láser se mueve de izquierda a derecha.
Aquí ya está instalado un potente diodo láser de DVD (dentro del colimador). El espejo vertical está colocado de tal manera que la imagen proyectada se dirige hacia arriba, en mi caso, hacia el techo de la habitación.
Como se puede ver en la foto, la mecánica del láser y del proyector está controlada por el microcontrolador stm32f103 montado en una pequeña placa de depuración (Blue Pill). Este tablero se inserta en el tablero.
Esquema de diseño:
Como mencioné anteriormente, para controlar el motor de un espejo poligonal, solo se necesita una señal: un reloj ("POLY_CLOCK"), generado por uno de los temporizadores stm32, que funciona en modo PWM. La frecuencia y el ciclo de trabajo de esta señal no cambian durante el funcionamiento del proyector. Para alimentar la placa del motor, utilizo una fuente de alimentación de 12 V.
Dos señales PWM para controlar la posición del espejo vertical forman otro temporizador del microcontrolador. Estas señales están conectadas al chip ULN2003A, que controla el motor desde el DVD. Por lo tanto, al configurar el ciclo de trabajo diferente de los canales PWM de este temporizador, puede cambiar el ángulo de rotación del motor.
Desafortunadamente, en su forma actual, el diseño no tiene retroalimentación sobre la posición del espejo. Esto significa que el microcontrolador puede poner los espejos en movimiento, pero no "conocerá" su posición actual. Debido a la inercia del rotor del motor y la inductancia de las bobinas, también se produce un cambio en la dirección del movimiento del espejo con cierto retraso.
Todo esto lleva a dos consecuencias:
- La densidad de las líneas es variable. Esto se debe al hecho de que la velocidad de rotación del espejo no está controlada.
- Una parte considerable de las líneas no se puede utilizar. El espejo vertical oscila cíclicamente, de modo que parte del tiempo de la línea se puede mostrar de arriba a abajo y la otra parte de abajo a arriba. Como resultado, debido a la falta de datos de posición, es necesario mostrar líneas solo cuando el motor se mueve en una dirección. Como solo se muestra una parte de las líneas, el brillo de la imagen disminuye (es decir, el láser no se utiliza por completo).
Sin embargo, debido a la falta de comentarios, el diseño es muy simple.
El proceso de formación de imágenes por parte del proyector también es bastante simple:
- Cada vez que un rayo láser golpea el fotodiodo, se genera una interrupción en el microcontrolador.
En esta interrupción, el controlador determina la velocidad horizontal actual. Después de eso, se restablece un temporizador de sincronización especial. Este es el momento de la sincronización. - Este temporizador de sincronización en ciertos puntos en el tiempo genera sus interrupciones correspondientes a los puntos deseados en el tiempo durante la exploración horizontal.
- En particular, algún tiempo después del momento de la sincronización, es necesario comenzar a generar una señal de control láser. En mi diseño, lo formé usando el paquete DMA + SPI. De hecho, al usar estos módulos en el momento adecuado, una de las líneas de imagen se envía poco a poco a la salida MOSI SPI.
- Una vez finalizada la salida de la imagen en la línea, debe forzar el encendido del láser. Esto es necesario para que el fotodiodo pueda recibir nuevamente su luz.
La modulación láser también se implementa con una de las claves del chip ULN2003A. La resistencia R3 es necesaria para la protección más simple del diodo láser contra demasiada corriente. Está montado directamente en el extremo del cable láser y está aislado. Utilicé una
fuente de alimentación ajustable por separado para alimentar el láser. Es importante controlar la corriente consumida por el láser y asegurarse de que no exceda el valor máximo permitido para el diodo láser utilizado.
Un ejemplo de una imagen generada (fuente con una altura de 8 líneas):
Alguna distorsión de las proporciones del texto debido al hecho de que el proyector brilla en la pared en ángulo.
Ahora, cada ciclo de oscilaciones de un espejo vertical consta de 32 pasos (un paso corresponde a la rotación del espejo poligonal por 1 cara).
En la implementación actual, el proyector puede generar alrededor de 14 líneas completas, las líneas restantes se fusionan entre sí o se mezclan incorrectamente con el resto.
La fuente al principio del artículo también usa una fuente con una altura de 8 líneas. Como puede ver, incluso dos líneas de texto se muestran más o menos normalmente.
Al mismo tiempo, la tabla del generador de caracteres en este proyecto contiene fuentes de 12 y 6 líneas de alto:
En esta foto, una densidad de línea variable es claramente visible.
Un ejemplo de una línea progresiva mostrada por dicho proyector:
En el video, la imagen parpadea verticalmente, en realidad, este efecto es invisible a la vista.
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