Selbstbau eines Laser-Scanners

Selbstbau einer XY-Ablenkung (Galvanometer) für Laserstrahlen

Mit Lasern ("Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation") kann man viele schöne Effekte erzeugen. Meistens werden dabei mehrere Motoren verwendet die den Laserstrahl über leicht schräge Spiegel ablenken. Die dadurch entstehenden Lissajous-Figuren sind schon recht hübsch. Aber wenn man den Strahl schnell und genau positionieren kann, kann man damit auch geometrische Figuren, Text bis hin zu kleinen Animationen erzeugen.
Die Qualität der Darstellung hängt von der Positioniergeschwindigkeit ab. Zum einen kann man bei höherer Geschwindigkeit mehr zeichnen bevor ein flimmern auftritt und zum anderen werden scharfe Kanten bei zu langsamen Scannern abgerundet. In professionellen LaserShows werden zum schnellen Positionieren des Laserstrahls Eisenkern-Galvanometer verwendet. Diese erzeugen ein relativ hohes Drehmoment von ca 1.2 Ncm und erreichen damit Einstellzeiten von etwa 0,5 ms.
Allerdings kosten diese Geräte auch mehrere Tausender.

Für den gelegentlichen Einsatz auf Partys natürlich nicht denkbar. Also selber bauen !

Schrittmotoren lassen sich zwar genau ansteuern sind aber viel viel zu langsam (Grüße an Dennis).
Meine ersten Versuche mit einem modifizierten Lautsprecher waren nicht sehr viel versprechend (viel zu hören aber wenig zu sehen). Die erreichbaren Ablenkungen waren bei hohen Frequenzen einfach viel zu klein.

Also fing an nach Alternativen zu suchen. Die Idee war eine Spule drehbar zwischen zwei Magneten aufzuhängen. Das ist recht einfach aufgebaut und vor allem sehr klein und leicht. Mein erster Prototyp sah so aus:

Galvanometer mit Spiegel und Magneten

Das ganze besteht im Prinzip nur aus einer kleinen Spule die zwischen zwei Magneten drehbar aufgehängt ist.
Die ganze Spule ist etwa 3 cm lang. Sie besteht aus etwa 50 Windungen sehr dünnen Kupferlackdraht den ich aus einem 220V Relais habe und hat einen Widerstand von etwa 30 Ohm. Die Spule habe ich zwischen zwei dünnen Stecknadeln aufgewickelt und dann mit etwas Sekundenkleber fixiert. Die zwei Magneten sind etwas kürzer als die Spule so das ich an der einen Seite den Spiegel anbringen konnte. Die Spule habe ich dann an zwei Federdrähten genau zwischen den Magneten aufgehängt.

Skizze

Bild 2: Skizze

Die damit erreichbaren Ablenkungen sind mit 25 Grad gar nicht mal schlecht. Das ganze geht (Sinus) bis etwa 500 Hz.
An dem Aufbau habe ich dann noch etwas herum gefeilt und das ganze noch einmal gebaut - einmal für die X- und einmal für die Y-Ablenkung. Beide Ablenkungen habe ich dann senkrecht zueinander angebracht was dann so aussieht:

Selbstbau-Galvo im Betrieb

Den Laserstrahl liefert ein billiger Laser-Pointer (später soll es eine richtige HeNe-Röhre sein). Das ganze habe ich dann noch an den Lautsprecher-Ausgang meiner Soundkarte angeschlossen und mit Cool-Edit ein paar Testsignale erzeugt. Dort zeigten sich dann auch ganz schnell die Grenzen des Aufbaus.

Projektion eines 180 Grad phasenverschobenen Rechtecks

Der Aufbau mit der Spule fängt natürlich an zu schwingen. Das Bild zeigt das Ergebnis eines um 90 Grad verschobenen Rechtecks mit 100 Hz welches eigentlich ein Rechteck erzeugen sollte.
Damit kann man zwar schon einfache Lissajous Figuren erzeugen und Musik erzeugt auch recht schöne Effekte aber für Figuren oder sogar Text ist das alles noch viel zu ungenau

Test mit Musik und einem Sinus

Also müsste man irgendwie die Ist-Position des Spiegels feststellen und dies mit dem Soll-Wert vergleichen ... PID-Regelung ... elektronische Dämpfung ... *grübel*

Ich habe eine Reflexlichtschranke (CNY70) genommen die über einen kleinen Papierreflektor, den ich auf der anderen Seite der Spule festgeklebt habe, die Ist-Position der Spule mißt (funktioniert erstaunlich gut).

Soll/Istwert-Vergleich mit Oszilloskop - Sinus

Hier sieht man den Vergleich zwischen Soll- (gelb) und Istwert (grün) bei einem 100 Hz Sinussignal. Könnte (wenn man von der Phasenverschiebung mal absieht) eigentlich nicht besser sein

Soll/Istwert-Vergleich mit Oszilloskop - Rechteck

Wesentlich schlechter sieht das ganze dann mit einem Rechteck aus. Hier kann man auch sehen was der Gleichspannungsentkoppelte Soundkarten-Ausgang aus einem Rechteck macht (gelb) und wie die Spule mit einem geglätteten, verzerrten Sinus darauf reagiert (grün).

Dies brachte mich zu zwei Erkenntnissen:

1. Eine Soundkarte ist zur Ansteuerung vollkommen ungeeignet (da Gleichspannungentkoppelt)
2. Ich brauche eine elektronische Regelung mit Dämpfung.

Geplant sind die elektronische Regelung, zwei R2R-D/A-Wandler ... "Bilderzeugung" durch alten Atari ST ...

Hinweis: wegen akutem Zeitmangel derzeit "auf Eis gelegt"
Tags: Laser Galvanometer Scanner Effekt HeNe Helium Neon
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