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自制炫彩激光投影儀
來源：3XMaker 發布時間：2019年03月26日自制炫彩激光投影儀
一個皇冠圖像的展示。
一段超炫的影像。
我想每個人都在舞臺，迪斯科，節日慶典之類的地方看到過激光表演。激光的效果通常有很多種。一種是光束效果，讓觀眾在空中看到掠過的光束。另一種是畫面效果，通過移動的光斑在屏幕上繪制出激光圖形。光束效果是非常讓人興奮的，所以才有那么多激光表演在舉行。這些時候使用的激光設備叫做激光投影儀。
DIY一臺激光投影儀是專業級的挑戰，最重要的部分叫做激光模組。早些年間用的是氦氖激光器，多種顏色的氣體激光器現在還用在高空投影上。全新結構的固體激光器也已經投入使用。但是激光器非常昂貴，質量差點的氦氖激光器也沒法直接調制，所以我負擔不起激光器和調制器的價格。直到共立電氣出了一款價格合理的激光模組。我才把這個構思多年的項目付諸實施。
日本的技術宅都好堅忍……真宅做事，十年不晚！
雙向電梯
典型激光投影儀的光路圖。
從左到右邊依次為：激光管，消隱器/多色聲光調制器，光束切換器 X-Y掃描頭。
基本上激光投影儀都是給娛樂業用的，最高端的機器根據需要的功能單獨定制。上圖是典型激光投影儀的光路圖，應該可以看出入門級的激光投影儀只需要X-Y掃描鏡就可以實現一般的效果。在這個制作里我只做了最簡單的X-Y掃描鏡，目標是能清晰顯示出圖像和動畫。
在那些老時光里，氦氖激光器在表演中大放異彩，可以同時產生幾種色彩的“白色”混合氣體激光器也有使用。這些氣體激光器既難用又低效，相比之下具有高光效，易伺候的固體激光器，比如說半導體激光器和半導體泵浦固態激光器在市場中的份額不斷增加。大多數固體激光器的顏色是紅色或綠色，當藍色固體激光器的性能趕上來以后，過時的氣體激光器將會被它們完全取代。
消隱機構遮擋那些不需要的激光束。大多數氣體激光將它放置在輸出窗口之后，因為氣體激光本身無法快速調節輸出功率。一個電流計用作消隱機構的可動部件來驅動快門。對于多色激光系統，比如混合氣體激光器，使用光學消隱器，叫做多色聲光調制器（PCAOM）來控制每一條光譜線。除了安全快門，機械消隱器在使用了PCAOM的激光器或者可以直接調制的固體激光器上經常被省略。
光束切換器是一個能將激光束導向特定特效鏡的機械系統，特效鏡會在光路上插入一個光學濾鏡。由于對切換速度和開關要求不大，開環振鏡，步進電機，電磁閥都可以用來改變光路。特效鏡里用的光學濾鏡擴束和散射激光束，一些光柵盤也有同樣的作用。激光束通過特效鏡以后產生光束表演用的分散激光束，或是屏幕展示用的抽象圖案。
X-Y掃描器是最通用的組件，它能隨意控制激光束的方向。顯示的是X-Y掃描器的原理圖，兩個振鏡沿正交方向安裝，入射的激光束先后在X軸和Y軸振鏡反射后射出。具體的方向由兩個振鏡的反射角組合給定。掃描器可以繪制出激光的網格或是圓環，也可以在屏幕上畫出激光圖形。對屏幕表演來說，掃描頻率是非常重要的，因為要獲得高質量的圖像就要盡可能高速掃描提高幀率。只有閉環振鏡能滿足屏幕表演的要求，在簡單的圖像生成上開環振鏡或是諧振振鏡也能將就用。
在上面介紹的光學器件之外還需要其他的器件，比如掃描驅動器，激光器電源，激光器冷卻系統，顯示控制器，控制臺等等。激光投影儀由這些部件共同構成。
帶控溫的激光模組。
作者從網上買到了這個綠色激光模組。這是一個波長532nm的5mW綠色激光器，事實上它的輸出可以數倍于標稱功率——可想而知這么做不安全， 更重要的是這樣搞壞了不保修！！！ 測量得知不做任何調整的時候它有15mW的輸出，調到最大值的時候有20mW。這意味著這個激光器不適合給沒有基本激光知識和防護用具的人使用。光從它和普通激光筆的外形比較上也可以看出，這是個非常危險的東西。
但是它可不只有這些性能。當激光模塊連續工作一段時間后，常常由于溫升使得功率大降。大多數DPSS激光模組都需要溫控來維持輸出穩定。這個模組只是給便宜的激光筆設計的，沒有溫控功能，所以我給它配上了溫控裝置和外部激光調制。
由于溫控的精確度需求一般般，我用了簡單的比例積分控制。處理器讀取激光模組上熱敏電阻的阻值，轉換成溫度值，然后依據和設定溫度之差驅動半導體制冷片調整溫度。激光輸出可以通過主控芯片調制，并且溫度過高時會為了保護激光器自動關機。
我試圖在網上找到現成的閉環振鏡制作，但是徒勞無功。大多數DIY的振鏡不帶反饋，看起來沒有人挑戰過閉環振鏡的制作，我不得不從零開始。一些試制品表明DIY產品也能夠獲得足夠的性能，相信這些經驗對那些對類似項目感興趣的激光愛好者有幫助。
振鏡原先是用來通過反射光線探測微小電流的檢流計，它通過一個轉動慣量極小的轉子來響應電流的快速變化。在這里我們利用它的快速響應特性來控制激光束的方向。
振鏡部件，展示了振鏡的主要零件，具體的說明見下。
1.主框架。切成適當大小的環氧樹脂玻璃纖維電路板，兩塊組裝到擋塊上的基板構成了振鏡主體。
2.定子繞組，用直徑0.3mm的聚氨酯漆包線在骨架上繞60圈，定型，從骨架上拆下。
3.滾珠軸承，從迷你自行車模型套件弄來的（OD=5，ID=2，L=2.5）。
4.動磁轉子，實心的轉子被線圈包圍著，不會發生對人體有害的共振。碳鋼軸來自一個垃圾電機（D=2，L=45）。銣磁鐵來自硬盤，切割組裝成塊后再用水冷磨床打磨成型。磁鐵塊要盡可能輕小來減小轉子的慣量。
5.轉子上的比例微分控制電極。用玻纖電路板加工出一個蝴蝶狀的電極（D=8，t=0.2），兩個電極邊成90度角，這樣對振鏡足夠了。
6.定子上的比例微分控制電極。這和轉子上的電極用一樣的材料，但是分成四個象限。
這里是組裝好的振鏡。
1.做到一半的振鏡。兩個定子線圈固定在轉子的磁鐵四周，我無法做出精確的定子鐵芯，所以為了避免不必要的磁阻轉矩選用了完全空心的線圈結構。它的扭矩常數非常小，只有大約2.5mN?m/A。
2.定子上的比例微分控制電極。用鋒利的彈簧絲（0.4mm的磷青銅絲）作為電刷導電，同時給軸承一個預壓力避免振動。接觸點必須在軸的中心以減小摩擦，否則就會造成滯后誤差。上一點開關觸點油有利于接點接觸良好和長期工作。
3.轉子上的比例微分控制電極。轉子電極在定子電極后面，通過導電涂料連接電路。轉子和定子之間的間距應該盡可能小，不然會影響穩定性和線性。
4.鏡片載座。劃下一小片鏡子然后粘在鋁制鏡座上（D=5的鋁棒切成）。
伺服電路的框圖。由于延遲過大，不進行相位補償是不成的。最后采用了比例微分控制（PD控制），微分控制方面分別補償電流-速度的延遲和速度-位置的延遲。這個系統里幾乎沒有摩擦也沒有靜態的扭矩，所以不用積分控制也不會影響定位精度，用了反而會影響伺服的穩定性。
比例微分輸出和轉子位置
這是做好的伺服放大器。
電路圖。這是一個 簡單 的運放電路，沒什么難的。（ 運放電路圖原圖 ）
這……
總之最后功率輸出和小信號放大集成在了一塊板上，需要格外注意耦合和干擾問題。
伺服放大器需要正負20V的電壓，這里是DC-DC升壓電路圖。（ 升壓電路圖原圖 ）
傳統的變壓器整流濾波也能用。
這里有一張伺服放大器的階躍響應波形圖。這是個電流控制器件，但是最大輸出電壓受制于線圈電感的飽和。電源電壓應盡可能高，以盡量減少這種影響。同時還存在高輸出電流電壓驟降的現象。將LM675換為高輸出電流的運放比如LM12可能好些，但是大功率輸出有可能使振鏡線圈超負荷，或是使振鏡發生振蕩。
激光控制器需要產生兩個矢量信號（±1V模擬）和一個消隱信號（TTL）來調節激光輸出。這三個型號隨便用哪種渣微處理器或者簡單的PC并口驅動的AD轉換器都可以實現。在這個制作里，我設計制作了一塊新的電路板以盡可能減小面積。圖7是控制框圖，具體的電路圖在技術資料里。它的功能只是從存儲的幀數據產生控制信號，沒有別的操作了。在這里不需要具體闡述每一個函數和固件，因為如果你打算做這個東西，那么一定有本事獨立設計它們。
由于激光投影儀的圖像數據基于矢量而不是位圖，所以一般的圖形工具沒法用來創建數據幀，任何一個像這樣基于矢量圖的東東都面臨創建數據幀的問題。有一些現成的用于創建激光數據幀的矢量軟件，但它們對業余制作來說過于昂貴，所以我開發了一個簡易的矢量跟蹤軟件。它以通用的csv圖像格式處理數據幀，因為我希望別的地方也能用上它。這是一個免費軟件，在技術資料里有下載。里面還包含一個可以把.ild幀文件轉換成.csv的腳本。
制作的激光投影儀。
所有的電路都安裝在一塊240x150x5mm的鋁板上。
電池供電。
整個投影儀加上電池和電源適配器可以裝到一個手提箱里。
在Y軸上加方波然后在X軸上加鋸齒波，就會顯示出如圖所示的圖形。圖中的過沖表明相位補償不夠，但是過補償的話邊緣會變得平緩。
調節LFD和HFD的微調電阻來微調波形邊緣。
調整好的Y軸波形。現在你可以在上升沿和下降沿之間發現不對稱，這是LM675的特性引起的。
用同樣的方法調整X軸。
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