Hacer un proyector láser lo suficientemente simple, con productos electrónicos que probablemente puedes encontrar en casa, se puede y hoy vamos a averiguar cómo.
Introducción.
Hay dos maneras de crear una imagen con láser, escaneo vectorial y escaneo rasterizado.
Durante la exploración 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 da como resultado una imagen más brillante.
El segundo método es el escaneo ráster.. 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, requiere una configuración mecánica mucho más simple que la exploración vectorial. Además, dado que la imagen se divide en elementos separados, es mucho más fácil de programar.
El principal inconveniente de la exploración de trama es que el haz recorre todos los elementos 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 por el que se optó para el proyector láser.
Para mover el rayo láser a lo largo de una línea (horizontalmente), hay una técnica muy conveniente: es usar un espejo que gire a una velocidad constante. Como la rotación es continua, puedes mover la viga bastante rápido. Pero mover la viga a otra línea es más difícil.
La opción más fácil es usar múltiples láseres apuntados al espejo giratorio. La desventaja es que la cantidad de líneas mostradas estaría determinada por la cantidad 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, y el uso de múltiples láseres puede hacer que la imagen sea más brillante.
Otro método de exploración, que se encuentra a menudo en Internet, es la combinación de exploraciones horizontales y verticales mediante el uso de un tambor de espejo giratorio, donde se colocan “facetas” separadas en diferentes ángulos con respecto al eje giratorio. Esa configuración de espejo hace que el rayo láser se refleje en diferentes ángulos verticales cuando el espejo está girando, creando una exploración vertical.
Aunque el proyector resultante es bastante simple en esencia (solo necesitas 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.
Para facilitarlo un poco, se utilizó otro método de escaneo: un espejo que gira constantemente para formar el escaneo horizontal y un espejo oscilante periódico para el escaneo vertical.
Realización
Escaneo horizontal
¿Dónde puedes encontrar un espejo de rotación rápida? En una vieja impresora láser, claro! Las impresoras láser utilizan un espejo poligonal, colocado sobre un motor sin escobillas para escanear el rayo láser a lo largo del papel. El motor generalmente se coloca encima de la PCB que lo controla.
Debido a que no se encontró la documentación para el módulo o el chip en su interior, para determinar la disposición de los pines del módulo se tuvo que realizar una ingeniería inversa. Las líneas eléctricas son fáciles de ubicar, están conectadas al único condensador electrolítico en la PCB. Pero simplemente darle energía al motor no es suficiente para hacer que gire, también debe proporcionar una señal de reloj 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, se usó un generador de impulsos configurado para 100 Hz y se conectó (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 mide más tarde, gira a una velocidad superior a 250 RPS. Pero, desafortunadamente, la rotación del motor lo hizo bastante ruidoso. No es un problema, pero ciertamente se notará cuando el proyector esté completo y en funcionamiento. Tal vez podría mitigarse utilizando un módulo espejo más reciente o simplemente colocando el módulo en una caja.
Láser
Para las pruebas preliminares se utilizó un láser de un láser de puntero barato. El módulo debe configurarse de modo que tenga múltiples grados de libertad, para apuntar correctamente el láser al espejo.
Dado que 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, se reemplazó el módulo láser por uno más poderoso: el diodo láser de un reproductor de DVD.
Advertencia: los láseres de DVD son muy peligrosos y pueden cegarte! Mientras trabaje con el láser, use gafas protectoras en todo momento.
Tanto el láser como los módulos de espejo poligonal se colocaron sobre 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 toque los bordes del espejo. Como resultado, mientras el espejo gira, se obtiene una línea horizontal larga.
Sincronizador de fotosensores
Para permitir que el microcontrolador rastree la posición de un rayo láser en movimiento, necesitamos un fotosensor. Pero para ese propósito se utilizó un fotodiodo obstruido con un pedazo de cartón con un pequeño agujero en el medio. Es necesario rastrear el momento en que el haz golpea el fotodiodo con mayor precisión.
Durante el funcionamiento normal, el rayo láser reflejado debe primero golpear el fotodiodo, y solo entonces, el espejo de exploración vertical.
Después de instalar el sensor, se probó suministrando voltaje a través de la resistencia y observando la señal con un osciloscopio; su amplitud era suficiente para conectar el sensor directamente a la entrada GPIO del microcontrolador.
Escaneo vertical
Como se mencionó anteriormente, se utilizó un espejo oscilante periódicamente para formar el escaneo vertical. ¿Cómo lo conduces? La forma más fácil es usar un electroimán.
En la compilación, se utilizó el motor BLDC de un reproductor de DVD para controlar el espejo de exploración vertical. Dado que el proyector estaba diseñado para 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 alimentación con carga positiva, y las otras dos están conectadas alternativamente a la fuente con carga negativa, el rotor del motor se tambalearía. 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.
Tenga en cuenta que la superficie reflectante del espejo debe estar en la parte delantera, es decir, no está obstruida por un vidrio.
Visión general
Así es como se ve montado el proyector: el módulo de proyección de cerca: el espejo poligonal se mueve en el sentido de las agujas del reloj, por lo que el rayo láser se mueve de izquierda a derecha. El potente diodo láser 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, hacia el techo de mi habitación. Como puede ver en la imagen, el láser y las partes mecánicas del proyector están controladas por el microcontrolador STM32F103 instalado en una pequeña placa de depuración (Píldora azul).
Para controlar el motor de espejo poligonal solo necesitamos una señal: la señal de reloj (POLY_CLOCK) producida por uno de los temporizadores de STM32 que funciona en modo PWM. Su relación de frecuencia y trabajo no cambia mientras el proyector está funcionando. Para alimentar el motor se utilizó 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 se pasan a través de un chip ULN2003A que controla el motor de DVD. Entonces, al establecer diferentes relaciones de trabajo para los canales PWM de ese tiempo, podemos cambiar el ángulo de giro del motor.
Desafortunadamente, la versión actual del proyector no proporciona información sobre la ubicación del espejo. Esto significa que el microcontrolador puede accionar los espejos, pero no «sabe» su posición actual. La inercia del rotor y la inductancia de las bobinas producen algunos retrasos en el cambio de 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 barrido vertical vacila en ciclos, por lo que algunas de las líneas podrían salir boca abajo y la otra, al revés. Como resultado, dado que no podemos rastrear la posición, las líneas solo se pueden mostrar mientras el motor gira de una manera particular. Dado que solo se muestran 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 llega al fotodiodo, el microcontrolador genera una interrupción. En esta interrupción, 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 SPI de MOSI en el momento correcto, un bit a la vez.
- Una vez finalizada la salida de la imagen, el láser debe encenderse nuevamente, para que el fotodiodo pueda aceptar nuevamente 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. Se instala 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 altura):
El texto es 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 lo que comienza a mezclarse con otras líneas, corrompiendo la imagen.
La foto al principio también utiliza una fuente de 8 líneas, lo que hace posible mostrar incluso dos líneas de texto un poco bien.
Las fuentes 11×7 y 6×4 también son compatibles con el código:
