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The Lab - Vectorchrom Laser Graphics Projector

Die Idee:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern In meiner Freizeit beschäftige ich mich ja immer mal wieder gerne mit Lasern und deren Anwendung als Anzeigegerät. Deshalb habe ich mir jetzt wieder einen kleinen Laserprojektor zusammengedängelt. Es ist mein zweiter Anlauf. Bei dem ersten hatte ich noch nicht sonderlich viel Erfahrung. Raus gekommen ist damals eine riesige Laserbank Laserbank mit schlecht funktionierenden Effekten. Das wollte ich bei dem neuen Gerät nun besser machen. Es sollte nicht viel größer sein als ein etwas besserer Beamer, einen schnellen Scanner als einzigen Effekt haben und voll differentielle ILDA-Eingänge. Auch die Sicherheit sollte nicht zu Kurz kommen. Die Anlage ist weitgehend 1-Fehler-Sicher, das bedeutet das keine Gehfahrensituation entstehen darf falls einer der Sicherheitskreise ausfällt. So hat die Anlage zum unterbinden von Laseremission einen Shutter und die normale blankmöglichkeit der Laser. Bei der Namensgebung habe ich ich mich an John Logie Baird orientiert. Dieser experimentierte anfang des Jahrhunderts mit Fernsehtechnik (insbesondere mechanischer) und gilt als der Erfinder des Fernsehens. Seine letzte Entwicklung war die Telechrome Farbfernsehröhre. Ich habe deshalb nach einem Namen gesucht der so ähnlich wie "Telechrom" klingt aber mehr mit Vektorgrafik zu tun hat. So bin ich auf "Vectorchrom" gekommen. Auf diese Weise möchte ich die Nähe zu Bairds mechanischen TVs und zu den Farbfernsehexperimenten ausdrücken. Hätte es damals schon laser gegeben - da bin ich mir sicher. Baird hätte ein mechanisches Scanning-TV damit gebaut.

Laser:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Bei der Wahl der Laser habe ich auf ausgewogene Leistungen geachtet. Bei meinem ersten Showlaser mit 100mw grün und 100mw Rot habe ich trotz Rot immernoch Grün erhalten. Es ist nämlich so das das Auge die Farbe Rot 4 mal schwächer wahrnimmt als Grün. Für ein brauchbares Gelb braucht man deshalb etwa 4 mal so viel Rot wie Grün. Bei Blau ist die Situation etwas besser. Hier benötigt man nur etwa 2x so viel wie Grün. Bei meinem Projektor sind etwa 100mw Grün und 200mw, und 300mw blau (445nm) verbaut. Um ein ausgewogenes Weiss zu erhalten sind den Lasern Potis vorgeschaltet. So kann ich die Leistung und die Farbtemperatur kalibrieren. Die Laser selbst sind von der Firma Laseruniverse, die Module waren sehr günstig. Klar das es keine Weltklasselaser sind aber für mich sind sie ok. Zu dem blauen Laser muss man sagen das die Strahlqualität sehr schlecht ist. Die verwendete Diode ist eigentlich dazu gedacht als Leuchtmittel in Beamern verwendet zu werden und strahlt je nach Ebene mit unterschiedlicher Divergenz. Das macht natürlich Probleme beim kollimieren. So wird bereits nach kurzer Entfernung aus dem Punkt ein Strich. Es gibt Prismen um das zu korrigieren. Habe ich allerdings erstmal drauf verzichtet. Mechanisch habe ich die Module noch etwas aufgewertet in dem ich sie in Optikhalter von Thorlabs eingebaut habe. Für die kleinen Module habe ich mir sogar Rosetten fräsen lassen die genau in die Halter gepasst haben. Die Optikhalter sind feinjustierbar was wichtig für die Farbmischung ist.

Farbmischung:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Früher wurde in professionellen Projektionsystemen in der Regel ein Gaslaser mit einem Argon-Krypton-Gemisch eingesetzt. Diese Laser haben Linien über das gesammte Spektrum und leuchten deshalb weiß. Mittels eines besonderen, mit Hochfrequenz angeregten Kristall (PCAOM) wurden dann selektiv Linien aus dem Strahl herausgebrochen. So konnte man entscheiden welche Linien das AOM passieren durften und welche nicht. Diese Art der Farbmischung war und ist eine teure Angelegenheit. Sowol Gaslaser als auch die AOM-Technik sind heute veraltet. Moderne Projektoren nutzen Laserdioden in den drei Grundfarben. Gemischt werden diese Farben mit Hilfe Dichrotischer Filter. Also Spiegeln die jeweils für nur eine Grundfarbe (Dichros sind in der Regel breitbandig) reflektieren, die anderen Farben allerdings passieren lassen. In der Praxis lässt man dabei den grünen Laser direkt auf den Scanner scheinen und koppelt dann zunächst den roten Laser und zuletzt den blauen Laser ein. Diese Konfiguration ist einerseits durch die verfügbaren Dichros vorgegeben. Anderseits war es bis vor kurzem noch so das blaue Laser sehr teuer waren. Da bei jedem Dichro und bei jedem Spiegel Leistung verloren geht war es also wichtig das die wertvollste Farbe als letztes eingekoppelt wurde. Grün hingegen ist die billigste Farbe. Deshalb kann man sich die großen Verluste die durch die zwei Dichros entstehen ohne Probleme leisten. Ein großes Problem bei dieser Technik ist die Kalibrierung. Kleinste Abweichungen führen schnell zu großen Konvergenzfehlern. Beim Abgleich ist sowohl darauf zu achten das die Laserpunkte (Streuung) am Dichro und auch an der Leinwand aufeinander liegen. Dazu muss entweder der Laser fein-justierbar gelagert sein (bei mir ist das so) oder der Strahl über einen zusätzlichen fein-justierbaren Spiegel geführt werden.

Scanner:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Das Scanning-System besteht aus zwei Galvanometern und einer Reglerbaugruppe. Die Aufgabe des Scanners die von von den Lasern erzeugten Strahlen abzulenken. Er ist maßgeblich für die Bildqualität verantwortlich. Konkret bedeutet das das je schneller die Scanner sind zum einen mehr Punkte bzw. Vektoren flimmerfrei dargestellt werden können. Der von mir verwendete Scanner kann laut Hersteller 35000 Punkte pro Sekunde anfahren. Dies ist allerdings nur ein theoretischer Wert. Da die Distanz der Punkte bzw. der Winkel um den sich die Spiegel bewegen müssen die Geschwindigkeit beeinflusst. Konkret bedeutet das, je weiter zwei Punkte auseinander liegen um so länger braucht der Scanner um den Zielpunkt zu erreichen. Um eine Vergleichsmöglichkeit zu haben hat die ILDA ein Testbild vorgegeben, welches bei 8 Grad gescannt wird. 35000 Punkte bzw. 35kpps bedeutet also in meinem Fall das mein Scanner das Ilda-Testbild in einer akzeptablen Qualität darstellt wenn die Scanner bei 35kpps und einem Winkel von 8 Grad laufen. Ich habe mich für Raytrack 35+ Scanner von der Firma Müller Elektronik entschieden. Diese Scanner zählen unter dem was im Hobbybereich verbreitet ist zu den besseren. Ich bin damit hochzufrieden. Das Handbuch ist leicht zu verstehen, bei der Inbetriebnahme gab es keinerlei Probleme. Sehr praktisch ist das diese Scanner gleich eine Schutzschaltung mitbringen die dazu genutzt werden kann im Fehlerfall die Laser abzuschalten. (PS: Ich weiß der Kreis im Viereck ist wegen Scannwinkel > 8 grad nicht perfekt)

Gehäuse:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Das Gehäuse stammt von der Firma Z-Laser aus Freiburg. Ich habe in einer Onlineauktion mal einen alten, zerfrickelten Laserprojektor dieser Firma ersteigert. Die Laser die diese Firma herstellt sind allerdings zur Projektion von Hilfslinien in der Industriellen Fertigung ausgelegt. Das Gehäuse ist im Grunde nichts weiter als ein Klemmkasten aus Alu-Druckguss in den eine Austrittsöffnung gefräst wurde. Z-Laser baut bis heute seine Projektoren so - an sich keine schlechte Idee. Vor allem die Druckgussgeäuse sind äußerst stabiel und verziehen sich nicht. Man könnte sich sogar fast die Bankplatte sparen. Ich habe den Projektor also ausgeräumt (Drin war ein schöner HeNe+Netzteil und zwei Galvos von General-Scanning.), angepasst und neu lackiert. Bei dem Projektor war auch schon ein entspiegeltes Austrittsfenster dabei, welches ich auch wiederverwendet habe. An der Seite habe ich noch einen Tragegriff angefügt. Der Projektor ist beeindruckend schwer geworden - was ja auch kein Wunder ist bei der Menge Metall die da noch drin steckt.

Software:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Für meinen ersten Projektor hatte ich die Software Popelscan. Popelscan ist eine früher bei Hobbyisten weit verbreitete Lasersoftware. Sie stammt noch aus der Zeit als man im Hobbybereich noch gar keine richtigen Scanner hatte. Damals wurde alles mit zu Scannern vergewaltigten Schrittmotoren (MOT-1) gemacht. Den eingeschränkten Möglichkeiten solcher selbstgebauten Scanning-Systeme ist Popelscan auch angepasst. Kurz: Es ist eine Lasersoftware wie sie einfacher und simpler kaum sein kann - sozusagen das Paint unter den Laserprogrammen. Ich benutze Popelscan sehr gerne zum testen und zum kritzeln. Heute findet man bei Hobbylaseristen meist die Software HE-Laserscan oder LDS-Dynamics. Bei LDS muss man wissen das es zwei Forks gibt. Dynamics-Fork wird im Moment am besten supportet, kostet aber auch am meisten. Das "Alte" LDS hingegen wird nicht mehr sonderlich gepflegt und ist deshalb für sehr kleines Geld zu haben. Ich habe mir zum testen auch erstmal das alte LDS zugelegt. Wenns Spaß macht kann ich immernoch zu Dynamics wechseln. Um Lasershowsoftware hat sich auch ein interessantes Kopierschutz-Ökosystem gebildet. Die meisten Produkte können nur mit Dongle genutzt werden. Shows können vom Hersteller an bestimmte Dongles gebunden werden. So kann man z.B. verhindern das Diskothek-A, Diskothek-B eine Show weiterkopiert. Auch um die Ausgabekarten wird ein Geheimnis gemacht. So gibt es Produkte die verschlüsselt mit ihren Ausgabekarten kommunizieren. Es wird auch sehr darauf wert gelegt das niemand einer Lasersoftware Fremd-dlls unterjubelt um die Ausgabe über eine Hardware eines Fremdherstellers laufen zu lassen. Es scheint mir da ein ziemliches hauen und stechen zu sein. Na ja, Hauptsache ich krieg am Ende ein Bild an die Wand.

Ausgabehardware:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Laserprojektoren sind üblicherweise analoge Geräte mit differentiellen Eingängen auf einem DB25 Stecker. Die Belegung und die Spannungspegel sind von der International Laser Display Association (ILDA) vorgeschrieben. Dies ist natürlich auch bei meinem Projektor so. Die Schnittstelle zwischen Projektor und Software bildet die Ausgabekarte. Es handelt sich dabei im wesentlichen um eine Vektorgrafikkarte deren Aufgabe es ist, Sollwerte für den Scanner und die Laser auszurechnen und diese als analoge Spannung über einen DAC auszugeben. Es ist verschiedenste Hardware am Markt welche beliebige Komplexität erreichen kann. Als Beispiel seien die Flashback-Karten von Pangolin erwähnt. Diese mit FPGA und reichlich RAM ausgestatten Karten rechnen nahezu alles in Hardware während einfache Karten nur die fertig gerechneten Punkte (Vektoren) übermittelt bekommen. Weit verbreitet (vor allem bei Hobbyisten) ist die Easyslase von Müller Elektronik. Dies ist eine einfache frei programmierbare Ausgabekarte die von HE-Laserscan, Popelscan, und von LDS-Dynamics unterstützt wird. Man hat also mit dieser Karte gleich für mehre Softwareproduke was. Sowas wie genormte Schnittstellen gibt es beim Software-Interface leider nicht. Jede Hardware ist anders und passt nicht automatisch zu jeder Software. Es gibt auch Versuche Soundkarten zur Ausgabe zu verwenden. Die Idee ist nicht schlecht, allerdings ist es so das die Vorteile die eine ordentliche Hardware bietet das Soundkartenfrickelzeug schnell alt aussehen lassen.

Steuerung:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Während der Laser fast nur aus kommerziellen Baugruppen besteht ist die Stuerung eine komplette Eigenentwicklung. In der Steuerung befinden sich neben diskreten Bauteilen nur Timer (NE555) und Operationsverstärker. Ursprünglich war mal geplant das ganze mit einem Mikrocontroller zu steuern. Nur irgendwie hatte ich gerade keinen Bock auf Controller weil ich gerade erst wieder ein Mikrocontrollerprojekt wegen Overengineering in den Sand gesetzt hatte. Deshalb habe ich mich für die Oldscool-Lösung entschieden die auch sehr gut funktioniert. Zunächst gibt es zwei Bereiche. Das Netzteil mit der Selbsthaltung. Beim Einschalten wird zunächst ein Hilfsnetzteil angeworfen. Mit diesem kann man dann bei Betätigung des Schlüsselschalters eine Selbsthaltung einrasten und das richtige Netzteil aktivieren. Dann hat die Anlage erstmal Strom. Da die Netzteile nachlaufen würde die Anlage beim betätigen des Not-Aus-Schalters nicht schnell genug ausgehen. Innerhalb von 250ms muss laut Vorschrift Ruhe sein! Deshalb habe ich noch ein 230V-Relais vor dem Netzteil welches zur Schnellabschaltung der Laser genutzt wird. Auch der Ilda-Anschluss wird überwacht. Zieht jemand das Kabel, schlägt die Schaltung auch an. Dem nachgeschaltet ist der sogenannte Signal-Conditioner - die eigentliche Steuerung. Hier gibt es zunächst eine Einschaltverzögerung für die Laser. Das schont die Dioden (hoffentlich). Die Einschaltverzögerung ist mit einem NE555 realisiert. Die Modulationsignale für die Laser kommen differentiell am Ilda-Port an. Mit TL071 werden daraus erstmal Single-Ended-Signale gemacht. Danach kommt noch ein Umschalter und mit dem man zum testen das Signal auf maximalpegel (5V) zwingen kann. Dem nachgeschaltet ist eine Z-Diode. Diese verhindert das das Modulationsignal einen unzulässigen Pegel annehmen kann. Zum Abschluss noch ein Poti zum einstellen der Maximalleistung. Mit auf der Platine ist noch ein Shutter-Treiber mit Stromabsenkung (auch wieder NE555) und eine Anschlussmöglichkeit für die Scannersafety (Bei Fehler: Laser aus und Shutter Zu!) Die Schaltung ist mit Lochraster und Fädeldraht aufgebaut - war schön mal wieder was mit NE555 und Opamps zu machen. Für interessierte, hier ist der Schaltplan vom Netzteil und vom Signal-Conditoner.

Ein Wort der Warnung:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Laser sind sehr, sehr gefährliche Lichtquellen. Auch ich hatte als Kind (14) einen Laserpointer und habe auch damit herumgefuchtelt. Nur war es ein 1mw Pointer den ich explizit mit dieser Vorgabe auch bei einem seriösen Händler gekauft habe. Später hatte ich dann eine 5mw Diode - für damalige Verhältnisse ein High-Power-Laser, der absolute Wahnisinn! Aber auch das war nur halb so gefährlich wie es aussah. Was heute am Markt verfügbar ist, ist wirklich gefährlich und erfordert wirklich eine gewisse Reife und Sachkenntnis. Ich habe jetzt wenn man so will 15 Jahre Lasererfahrung und gelegentlich passieren auch mir Sachen wo ich mir dann denke "Uhhh, das war knapp!" Man sollte wissen das bei Lasern der Schein oft trügt. Grün wird bei geringen Leistungen schon als unangenehm hell wahrgenommen. Während 445nm Blau oder gar 405nm Bluray auch bei großen Leistungen eher harmlos aussehen. Klar das große Leistungen imponieren und jeder einen high-power-laserprojektor bauen will. Das ist alles ok, auch wenn man Anfänger ist. Aber man sollte immer mit dem nötigen Respekt an die Sache rangehen. Fürs Kalibrieren und testen im Labor kann man die Leistung auf ein Minimum reduzieren (so das man die Laserpunkte gerade noch sieht) und später beim Showkucken stellt man die Leistung dann angemessen ein. Für den privaten Betrieb im Wohnzimmer sollte man aber beachten das es nahezu keine Möglichkeiten gibt die nötigen Sicherheitsabstände einzuhalten. Es ist also unmöglich den Laser im Sinne der Vorschriften sicher aufzustellen - deshalb gilt auch während der Genussphase. Klar im Kopf bleiben, außerhalb der Gefahrenzone bleiben, reflektierende Gegenstände aus dem Weg räumen usw... Mit den Sicherheitsvorschriften (BGV B2/GUV VB2 usw...) sollte man sich unbedingt beschäftigen. Und bevor ich euch jetzt entlasse: Ihr seit für euer Tun selbst verantwortlich. Ihr wisst jetzt das Laser gefährlich sind. Wenn ihr euch oder anderen die Augen damit ausschießt müsst ihr dafür gerade stehen nicht ich! - Viel Spaß am Gerät!

Zusammenfassung:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Insgesamt bin ich sehr zufrieden mit meinem Ergebnis. Es ist zwar immernoch weit weg von dem was man bei Kollegen so sieht die das schon länger machen. Aber im großen und ganzen ok. Ich habe beim Aufbau wieder einmal viel gelernt. Vor allem das man bei der Sicherheitsauslegung schnell vom Stöckchen auf das Hölzchen kommt. Ob mein Laser so wie er ist vom TÜV abgenommen werden würde kann ich nicht sagen. Ich habe an einigen Stellen - auch bei der Elektrik - ziemlich gepfuscht. An die wichtigsten Regeln habe ich mich jedoch gehalten. Ein Schlüsselschalter schützt vor unbefugter Benutzung. Not-Aus sorgt für sofortiges abschalten der Anlage. Für die Wiederinbetriebname muss man wider den Schlüsselschalter betätigen (Vorgeschrieben ist nur eine „Bewusste Handlung“) Man könnte sicher noch das ein oder andere verbessern. Vor allem auf der Laser / Farbmischseite gäbe es noch einiges auszuprobieren: Beamforming, Spiegelschnitt, Polwürfel - um mal ein par Schlagworte zu nennen. Aber ich denke jetzt ist erstmal ein bisschen Spaß angesagt. Vor allem freue ich mich schon auf den Winter wenn es früh dunkel wird. Vielleicht kann man dann sogar mal nachts draußen im Nebel... natürlich nur in Richtung Hauswand so das die Strahlen niemanden gefährden können. Alles in allem denke ich das mir das Projekt gut getan hat. Es ist immer wieder schön zu sehen wie was entsteht. Es ist für mich unglaublich wichtig (sowol seelisch als auch fachlich) immer was zu haben an dem ich herumfrickeln kann. Und vielleicht mache ich ja bald sogar die Schulung zum Laserschutzbeauftragten...

Laseruniverse.de - Lasermodule
mylaserpage.de (Müller Elektronik) - Scanner + Software (Dynamics)
zlaser.de - Gehäuse
Raycomposer.de - Popelscan
he-laserscan.de - Günstige und gute Lasersoftware
thorlabs.de - Optikteile
Laserfreak.net - Das Laser Forum
laserist.org - International Laser Display Association (ILDA)

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