雙向電梯
1 投影儀的組成部分1.1 激光1.2 消隱/調製器1.3 光束切換器/特效鏡1.4 X-Y掃描器1.5 其他設備2 製作激光器3 製作掃描振鏡3.1 振鏡簡介3.2 製作零件並組裝4 製作伺服放大器4.1 製作伺服放大器電路板4.2 製作控制電路4.3 幀產生軟件5 投影儀成品6 調整投影儀7 DIYer簽到處 1 投影儀的組成部分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/多色聲光調製器，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製。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。在這個製作裏我只做了最簡單的X-Y掃描鏡，目標是能清晰顯示出圖像和動畫。 1.1 激光在那些老時光裏，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，比如説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後，過時的氣體激光器將會被它們完全取代。 1.2 消隱/調製器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後，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。對於多色激光系統，比如混合氣體激光器，使用光學消隱器，叫做多色聲光調製器（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製的固體激光器上經常被省略。 1.3 光束切換器/特效鏡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。由於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。特效鏡裏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後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。 1.4 X-Y掃描器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，入射的激光束先後在X軸和Y軸振鏡反射後射出。具體的方向由兩個振鏡的反射角組合給定。掃描器可以繪製出激光的網格或是圓環，也可以在屏幕上畫出激光圖形。對屏幕表演來説，掃描頻率是非常重要的，因為要獲得高質量的圖像就要儘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。 1.5 其他設備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，控制枱等等。激光投影儀由這些部件共同構成。 2 製作激光器帶控温的激光模組。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於標稱功率——可想而知這麼做不安全， 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。這意味着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後，常常由於温升使得功率大降。大多數DPSS激光模組都需要温控來維持輸出穩定。這個模組只是給便宜的激光筆設計的，沒有温控功能，所以我給它配上了温控裝置和外部激光調製。由於温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，轉換成温度值，然後依據和設定温度之差驅動半導體制冷片調整温度。激光輸出可以通過主控芯片調製，並且温度過高時會為了保護激光器自動關機。 3 製作掃描振鏡我試圖在網上找到現成的閉環振鏡製作，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製作，我不得不從零開始。一些試製品表明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。 3.1 振鏡簡介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。在這裏我們利用它的快速響應特性來控制激光束的方向。3.2 製作零件並組裝振鏡部件，展示了振鏡的主要零件，具體的説明見下。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着，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，切割組裝成塊後再用水冷磨牀打磨成型。磁鐵塊要儘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。 這裏是組裝好的振鏡。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，否則就會造成滯後誤差。上一點開關觸點油有利於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後面，通過導電塗料連接電路。轉子和定子之間的間距應該儘可能小，不然會影響穩定性和線性。4.鏡片載座。劃下一小片鏡子然後粘在鋁製鏡座上（D=5的鋁棒切成）。 4 製作伺服放大器伺服電路的框圖。由於延遲過大，不進行相位補償是不成的。最後採用了比例微分控制（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。這個系統裏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 4.1 製作伺服放大器電路板這是做好的伺服放大器。電路圖。這是一個 簡單 的運放電路，沒什麼難的。（ 運放電路圖原圖 ）這……總之最後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，這裏是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。這裏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於線圈電感的飽和。電源電壓應儘可能高，以儘量減少這種影響。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，或是使振鏡發生振盪。4.2 製作控制電路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並口驅動的AD轉換器都可以實現。在這個製作裏，我設計製作了一塊新的電路板以儘可能減小面積。圖7是控制框圖，具體的電路圖在技術資料裏。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。在這裏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，那麼一定有本事獨立設計它們。 4.3 幀產生軟件由於激光投影儀的圖像數據基於矢量而不是位圖，所以一般的圖形工具沒法用來創建數據幀，任何一個像這樣基於矢量圖的東東都面臨創建數據幀的問題。有一些現成的用於創建激光數據幀的矢量軟件，但它們對業餘製作來説過於昂貴，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，在技術資料裏有下載。裏面還包含一個可以把幀文件轉換成的腳本。 5 投影儀成品製作的激光投影儀。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裏。 6 調整投影儀在Y軸上加方波然後在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。 最後，順便提一句，有沒有覺得這個東西的外觀跟之前的一個作品風格很像？之前我們展示過他的另外一件作品！《 自己動手做數碼相機 》！
