Voile et Electronique : Christian Couderc

En ces temps reculés, il n’existait pas Youtube, il n’y avait aucune information en ligne sur le sujet et les petits pointeurs laser rouges étaient rares.
Maintenant le marché est énorme et des bricoleurs (surtout américains) ont mis en lignes de multiples petits films montrant de meilleures réalisations.
Je ne conserve cette page que pour des raisons historiques.

Ces pages ne sont en aucune manière destinées à vous fournir un laser de spectacle clefs en mains !
Je ne vends rien, je n'envoie ni kits ni miroirs... Il s'agit simplement de regrouper le maximum de réflexions sur le sujet et d'aider chacun à réaliser un projet en bénéficiant de l'expérience des autres. Ces pages sont un embryon de FAQ (Frequently Asked Questions).
Le critère fondamental est de réaliser le projet avec des fonds de tiroir, à coût de revient faible. Il ne sera jamais question d'acheter des éléments commerciaux à quelques dizaines d'€. Le plus cher sera le laser, commencez avec un porte-clefs dev 1 mW (10 €) (ruineux en piles) ou par un petit bloc alimenté par un bloc secteur. Quand tout marchera, vous changerez de modèle pour un plus lumineux. Ne commencez pas par fabriquer un laser de puissance, il faut respecter les étapes.

Le projet est très réalisable, mais il vous semblera de plus en plus compliqué pendant la lecture de ce texte. Il n'en est rien, aucune étape n'est insoluble. J'attends vos remarques et correctifs !

Je balance tout en vrac, il faudrait compléter par dessins, photos et approche mathématique, en particulier pour les problèmes d'inertie et d'homogénéité et d'intensité de l'éclairement, plus l'électronique et les programmes.

Il y a deux systèmes complètement différents ! Les deux utilisent la persistance rétinienne qui permet de voir une figure continue en déplaçant très vite un spot. Par sécurité, seules les leds laser de petite puissance (1 à 5 mW) sont utilisées (mW milli watt et pas MW, méga watt comme certains l'écrivent…).

Le faisceau laser n'est pas modulé, il subit deux réflexions presque orthogonales, par deux petits miroirs montés décalés sur des moteurs. En jouant sur la vitesse des deux moteurs, tout type de figures de Lissajou (incluses dans un cercle) peut être obtenu.
Ce gadget est très limité, c'est l'animation du pauvre, d'un intérêt quasi nul. Il dispose toutefois de deux miroirs tournants et peut servir à faire ses premières armes sur la modulation.

Ce dispositif permet d'écrire comme sur un écran d'ordinateur, en projetant sur un mur ou de la fumée.
Les possibilités sont très grandes, depuis les bandeaux de texte, des courbes type oscilloscope, des dessins animés.
La réalisation est plus compliquée, car il faut maîtriser 4 techniques pour réaliser un balayage de type téléviseur.

C'est le plus simple, et le moins critique, il suffit d'utiliser un moteur continu, entraînant un miroir à facettes, donnant un balayage d'environ 30 images par secondes. En utilisant un disque à 10 facettes, la vitesse de rotation est donc de 3 tours/seconde soit 180 tours/minutes, c'est trivial si l'on a récupéré le miroir et son moteur.
Il est possible d'utiliser un pas à pas à la place du moteur continu pour éviter l'inclinaison des horizontales à cause du déplacement constant. En contrepartie, il faut perdre du temps (donc de la luminosité) pour la stabilisation au changement de pas.
Un calage peut compenser simplement cette inclinaison parasite, mais ce sont alors les verticales qui deviennent obliques...
Il faut sortir un top synchro V, en installant une cellule interceptant le point haut du balayage, les miroirs n'étant pas réguliers, il faut se synchroniser pour chaque facette sous peine de voir l'affichage final vibrer. Un capteur à effet Hall sur l'axe n'est donc pas possible.

Il est plus complexe car très rapide. Il n'est plus possible d'utiliser un moteur, car en supposant que le résultat cherché soit une résolution de 128*32 (c'est déjà beaucoup !), il faudra tourner 32 fois plus vite, 32 lignes horizontales pour une verticale.
En reprenant nos 10 facettes 180*32= presque 6000 tours/minute, irréalisable en pratique, car il faut ajuster la vitesse avec une très grande précision sur le balayage H, sinon le texte vibre.
Il faut donc utiliser des lames vibrantes réfléchissantes (diapasons ou quartz) et sortir aussi une synchro H.
Un des problèmes est que la vitesse de balayage n'est plus linéaire comme avec les miroirs à facettes.
La vibration est sinusoïdale, la vitesse étant nulle aux extrémités, maximum au centre, il n'y a pas moyen de faire autrement.
Il faut donc faire une compensation optique sinon l'image sera très brillante à gauche et à droite, sombre au centre.

En reprenant nos 128*30, 30 fps (frames per second = images par seconde), il faut donc 128*32*30 soit 122800 points actifs par seconde, en tenant compte des temps morts des extrémités de balayage, environ 150 k points à gérer par seconde.

Il faut donc interrompre le faisceau 150 k fois par seconde. Il existe beaucoup de solutions, généralement à placer en début de la chaîne optique.

C'est bien sur l'idéal absolu, mais les petites diodes laser ne se modulent pas très facilement. Je décrirai à la fin comment tester les réponses impulsionnelles.
Il faut un driver rapide, c'est un long sujet à développer si cela intéresse des lecteurs qui veulent réaliser ce projet.

Trop complexe, il faut défocaliser avant puis refocaliser le faisceau après le panneau pour ne pas le cuire, mettre un verre anticalorique et un ventilateur.
Le panneau transparent absorbe beaucoup, plusieurs dB en position passante, le rendement est médiocre.
Un panneau réflectif est inutilisable, il contient plusieurs couches de matériaux réfléchissant de nombreux faisceaux parasites, procurant un rendement déplorable (impossible de l'attaquer perpendiculairement !). Cette technique me semble trop complexe pour le moment.

Une troisième réflexion (en tête) et utilisée pour faire sortir le faisceau du champ et l'éteindre à des moments très précis.
Ce miroir est déplacé mécaniquement comme évoqué par ailleurs.

Solution purement mécanique. Elle utilise une croix de Malte avec de nombreuses dents pour occulter le faisceau.
La réalisation est assez simple et se trouve en récupération sur des compteurs.
A titre d'exemple, avec un disque 150 dents (c'est déjà beaucoup !), un moteur tournant à 3600 t/min, soit 60 t/s, la fréquence d'obturation est seulement de 60*150=9000 Hz.
C'est bien trop faible, il n'est guère possible de faire mieux !

Il faudra moduler suivant la position en envoyant les bits 0 ou 1 suivant le contenu d'une mémoire. Le plus simple est d'utiliser des RAMS double port, le microcontrôleur fabrique ses pages à son rythme et écrit sur l'entrée, de la RAM, des compteurs rapides, synchronisés par les tops H et V font sortir les données en série sur l'autre port.
Pour notre exemple, 128*32 = 4096 pixels soit 512 octets.
Les mémoires actuelles courantes ont de bien plus grandes capacités, il est donc simple de paginer en gérant plusieurs blocs.
Cela permet d'afficher rapidement diverses pages, crées au rythme des données reçues par le microcontrôleur, asynchrone et lent.
Cette interface est la partie la plus simple à réaliser du projet, elle fonctionnera à la perfection.

Une variante de ce balayage TV est plus appropriée pour le dessin de lignes continues, type personnages au trait de dessins animés.
Il faut alors balayer indépendamment en X et Y, par deux miroirs à déviation commandée en proportionnel.
Une alternative est à considérer : Pour les balayages lents seulement, les moteurs pas à pas, (récupérés sur les vieux lecteurs de cdr, de disques durs, de floppies, d'imprimantes...) sont parfaits. Ils ont l'avantage de se caler (relativement) rapidement sur des positions fixes sans trop vibrer, à la différence des moteurs analogiques qui pompent en cas de sollicitations brutales. Ils se pilotent facilement avec un petit microcontrôleur. Je parlerai de leur exploitation dans un chapitre dédié aux tables XY et à la stéréolithographie.

Deux convertisseurs Digital-Analogique pilotent deux déviateurs à miroirs de Poggendroff, montés sur :

* Lames piézo-électriques
* Quartz
* Diapasons
* Galvanomètres à cadre
* haut-parleur s
* Fibres optiques
*…

Il faudra développer chacune de ces techniques, aucune n'est bonne, ce ne sont que des compromis. Le tracé en continu est très brillant.
Si une grande puissance est nécessaire (salle de spectacle), le principe reste identique, il suffit d'investir dans un gros laser.
Le problème de la modulation reste identique.

Autre solution simple, en utilisant la mécanique toute faite des petits gadgets bas prix. Il suffit de fabriquer une synchro angulaire et une synchro rayon. Ce système permet de projeter très simplement une image circulaire de type radar. Cela suffit pour projeter des dessins au trait simples (avec un trou au centre), mais pas question d'écrire fin !
La luminosité est beaucoup plus forte au centre et décroît vers l'extérieur. Il est délicat de centrer une lentille de compensation.
Le problème de la modulation reste identique.

C'est l'inventaire des principales techniques simples de déviation donc aussi de modulation par masquage du faisceau.

Déviation par haut-parleur
Déviation par miroir collé an centre d'un hp. Il faut utiliser un bon tweeter pour monter en fréquence.
L'inconvénient est que le mouvement est une translation parallèle.
Cela pourrait servir en déviation primaire pour moduler le faisceau, passant ensuite par un sténopé ou un bord de lame de rasoir.
Le problème est que la réponse impulsionnelle des hp est lente (même les meilleurs tweeters), les positions passantes et coupées fonctionnent, mais à la transition, quand le faisceau est partiellement masqué, les interférences sont très gênantes.

Il existe une autre approche prometteuse en utilisant un hp, en déviation angulaire cette fois.
Coller un miroir en un point au centre du hp, et en deux points sur le châssis fixe, par l'intermédiaire de fils souples (inox, téflon...).
C'est l'alternative au diapason, mais la membrane de hp est alourdie. Il ne faudra pas espérer dépasser 20 kHz, l'inertie devient trop forte.
Il existe une autre utilisation du haut-parleur, sans miroir. : Placer au centre de la membrane une lentille, collée par un point sur le bord. Au repos le faisceau est axial. Quand la membrane se déplace, le faisceau est dévié.

Percer toujours la membrane au fer à souder, cela a aussi l'avantage de faire moins de bruit.

L'approche est radicalement différente, elle n'utilise aucun miroir mobile. Les fibres optiques et les dispositifs de raccordement se trouvent maintenant à des prix très bas. Le principe est d'éclairer une extrémité de la fibre par le laser, et de déplacer l'autre extrémité par un moyen électromécanique.
L'avantage est la possibilité de changer très simplement de source, et d'éloigner celle ci du bloc de déviation afin d'en diminuer l'encombrement. Cette voie est à explorer. Elle permet d'utiliser simultanément plusieurs couleurs, ce qui n'est pas trivial avec les miroirs mais évident avec une fibre.
L'inconvénient est que l'inertie de la partie mobile limitera la fréquence de balayage. A réserver pour dessiner des formes simples au trait.
Il reste toujours le problème de la modulation.

Quelles que soient les options choisies, le projet doit se décomposer en plusieurs étapes.

Dans cette phase, ne pas se préoccuper de la modulation ou de l'obturation, le faisceau est continu. Il faut arriver à obtenir un rectangle rouge d'intensité le plus uniforme possible et suffisante, en ne se préoccupant pas des retours de ligne et de trame. Les deux déviations sont commandées par de simples rampes analogiques.
Pour le choix du balayage HV, le système sort les tops trame, horizontal, vertical.
Pour le balayage XY les tops ne sont pas nécessaires.
Dans cette partie, il n'y a aucun micro contrôleur ni PC, seulement de l'analogique, éventuellement des compteurs pour fabriquer les rampes via les convertisseurs DA.

Cette phase étant réglée dans le cas XY, il faut maintenant tracer des grilles et des barres H et V pour résoudre les problèmes de linéarité et de dynamique.

Maintenant réalisation du système d'obturation ou de modulation. Il n'est toujours pas utile d'avoir la carte micro contrôleur.
Il suffit de charger des pages types dans une vulgaire EPROM, de monter quelques interrupteurs pour changer de pages par les bits hauts des adresses, les bits bas étant reliés aux compteurs.

Que des 1, donnant la matrice de points totale,
Que des 0, donnant le noir (enfin il faut espérer),
Un bit sur deux,
Un bit sur trois,
Un bit sur N (quelques nombres premiers) pour faire des barres,
Etc ... pour une ligne sur N,
Et pour les optimistes quelques pages avec un dessin BMP, textes et images.

Arrivés à cette étape, sortez le champagne, c'est fini.
Remplacez la vieille EPROM par une carte micro avec RAM double port.
Vous n'avez plus besoin d'aide pour dialoguer avec un PC et télécharger des pages en série.
La partie PC avec interface, pour commander la carte, écrire et envoyer des pages BMP est simple.
La carte micro contrôleur travaille aussi seule, affichant ses capteurs et ses pages mémorisées.

La modulation étant un réel problème, il est préférable de commencer par cette étape.
Collez un miroir sur un petit moteur, face arrière peinte en noir mat, équilibrez bien pour éviter les vibrations.
Alimentez par une tension finement ajustable et projetez un trait sur le mur.
La vitesse du moteur se mesure très simplement, mettez une cellule sur le trait rouge, regardez le pulse (impulsion for french speaking people) à l'oscilloscope, vous connaîtrez immédiatement la période de répétition, donc la vitesse moteur (un pulse par tour).
Cette mesure n'a pas besoin d'être précise.
Maintenant attaquez la diode avec votre modulateur, régler finement la tension pour stabiliser les pointillés.
Faites le noir dans la pièce, et si vous voyez des traits brillants séparés par des noirs égaux, vous êtes le meilleur !
Observez la qualité des transitions noir/rouge et rouge/noir à la loupe, vous pouvez juger de la qualité de votre modulation.

Réalisation pratique :
Vous attaquez votre modulateur au générateur par un carré à 100 kHz, n'ayons pas peur.
Si vous êtes timide, commencez bas, c'est moins frustrant.

Le moteur tourne à 3000 tours/minute (n'accélérez pas trop, vous prendriez le miroir dans la figure...) soit 3000/60= 50 tours*seconde. Tiens, mais c'est du 50 Hz ! Cela ne vous rappelle rien ?
C'est pratique pour mesurer la vitesse réelle par Lissajous sur l'oscilloscope avec le secteur.
Vous projetez sur un mur à 3 mètres.
Considérons le centre de l'image, zone la plus linéaire et brillante, tangente au cercle.
Pour un tour de miroir, le spot se déplace linéairement (au centre) de 2*Pi*R par tour soit 2*Pi*3= 19 m
Le moteur tourne à 50 tours*seconde, donc le spot parcourt 942.5 m*sec sur le mur (au centre), disons 1000 m*sec, et oui c'est rapide…

Comme vous modulez à 100 kHz, la période linéaire sera de 1000/100.000=0.01 m soit pile 1 cm !
Vous devrez donc voir, en ajustant la tension moteur pour stopper le glissement, des pointillés, rouge 5 mm, noir 5 mm.
Observez à la loupe les transitions. Si le résultat est mauvais, ne continuez pas, il faut résoudre ce problème d'abord.

Quel que soit le système utilisé, vous pouvez commencer par tester vos déviations avec des tensions continues, pour dégrossir les réglages mais il vaut mieux commencer par maîtriser la modulation.
Quand vous passerez en dynamique, l'inertie sera votre ennemie, les choses vont devenir moins simples, il faudra compenser par le logiciel de pilotage.

J'avais travaillé sur ce projet au départ, pour afficher en alternance sur le mur du bureau, divers panneaux :

Horloge calendrier,
températures et consignes de climatisations,
barographe (enregistreur de pression barométrique),
girouette anémomètre (j'ai le virus de la voile !),
présentation du numéro de téléphone entrant (avec nom d'après annuaire interne),
agenda des prochains rendez-vous, etc…

La ligne inférieure de balayage est utilisée pour recopier l'état de diverses leds sur le serveur placé dans une pièce séparée ainsi que des «bargraph». La carte à micro contrôleur gère ses capteurs en autonome et reçoit les ordres d'un PC par link infra rouge pour piloter les affichages. Le projecteur est placé dans mon dos, sur le dessus d'une armoire, dans un caisson absorbant les bruits de moteur et de ventilation.

Trouvez une mine pour récupérer des douchettes lecteurs code barre laser, elles contiennent un miroir collé sur diapason.
Ce matériel se casse beaucoup, ayez des copains dans le SAV.
Les caisses de super marchés possèdent de superbes lecteurs fixes, c'est de la récupération de premier choix, il y a tout ce qu'il faut pour bricoler !

Je décline toute responsabilité suite à des agressions de caissières pour voler le bloc optique après lecture de ce texte.

Les piles sont ruineuses pour les pointeurs porte-clefs.
Alimentez par un petit bloc secteur avec une très bonne carte de régulation, sans pic de tension à l'allumage et l'extinction.
Vous n'avez aucun droit à l'erreur, la surtension est fatale, lisez bien les documentations si vous utilisez un bloc.
Soignez les protections (thyristor de blocage au ras du bloc, fusibles, diodes de sécurité ultime…).
Étalonnez votre multimètre avant réglage de l'alimentation sur charge.
Attention en modulant à la dynamique, pas de pic de tension sur la diode !

Les imprimantes laser utilisent une barrette de diodes modulables (mais dans l'UV, pas dans le visible !).
Cette technologie est très prometteuse, elle résoudrait d'un coup deux problèmes lourds :

En récupérant une barrette de 32 diodes (rouge en 635 nm), suppression du balayage horizontal.
Rêvons un peu, encore plus fou, récupération d'une barrette de 128 diodes, suppression du balayage vertical.
Le problème deviendrait alors trivial, il ne resterait plus qu'un seul miroir tournant à facettes. Je ne sais pas si ce matériel est récupérable. Il est très simple alors de faire une carte de pilotage.

En début d'expérimentation, vous tirez avec votre pointeur laser porte-clefs sur le mur, et la luminosité du spot vous laisse à penser que le l'affichage final sera fabuleux, mais réfléchissons un peu à notre affichage 128*32 doit 512 points.
Pour afficher un point nous aurons 1/512 du temps total.
Entre les points, il y a un noir, donc la moitié du temps est perdue à coup sûr. Au mieux un point sera affiché moins de 1/1000 du cycle. De plus cela suppose que les retours de balayage sont nuls, c'est à dire que le balayage horizontal est en aller retour, c'est acceptable en entrelaçant.

Négligeons la perte due aux miroirs, elle est faible, la luminosité de chaque pixel sera donc très inférieure au millième de celle du spot statique, plus de 30 dB de pertes sur la luminosité, c'est énorme !
Il faudra un mur blanc dans une pièce sombre pour voir le résultat.
Cela n'est pas un problème, quand vous aurez maîtrisé la technique, vous remplacerez la led 5 mW par une fibre optique, jusqu'au laser de puissance dans la cave.

Diode laser

Dans ces applications à faible puissance, les images projetées sont souvent quasi-statiques.
Comme déjà évoqué, elles manquent beaucoup de lumière.
Une méthode devra être explorée pour améliorer la luminosité en monochrome.
Au lieu de projeter sur un mur clair, projeter sur un écran rémanent.
La difficulté est de trouver des panneaux de format au moins A4, le mieux serait A3 ou A2.
Ces panneaux doivent avoir une bonne réponse au rouge.
J'ai trouvé des petits bristols recouverts de pigments au phosphore qui répondent, mais la couche est toxique et je ne sais pas comment en récupérer de taille acceptable (hormis l'achat au prix très fort).
Le test est très facile à faire, balayez rapidement avec un porte-clefs de 1 mW tenu à la main et observer la persistance de la trace.
Si vous avez une information sur la disponibilité ou sur le moyen de faire mieux, faites suivre.
L'idéal serait de trouver sur des sandwiches verre ou plastique avec bords étanches.

Dans ce chapitre j'ajouterai au fur à mesure les réflexions des participants. Cette page, comme les autres, est en évolution permanente. "Mes commentaires aux citations sont en italiques ". J'ai soumis ce texte à Hubert Pissavin (cité dans les liens) avant publication, voici ses intéressantes réflexions complémentaires à mon premier texte.

/* Une mécanique d'imprimante laser contient presque tout ce qu'il faut (il y a même la sortie optique de synchro sur une fibre optique) en remplaçant la diode par une autre dans le visible. En utilisant un moteur pas à pas et un miroir rectangulaire pour le balayage vertical, on pourrait faire un système "vidéo " de résolution limitée, style 200x50 (au-delà j'ai des doutes sur la luminosité).
A partir d'une tète optique CD, on ôte la lentille, on la recolle, axe perpendiculaire à l'axe du moteur linéaire, on dispose le laser devant et on a un système XY miniature d'affichage vectoriel (et de résolution limitée) l'affichage vectoriel augmente considérablement la luminosité (Note C.C. : Mais le déplacement est trop lent pour un balayage TV horizontal).
Les moteurs pas à pas sont ce que les americains appellent des "galvos " ultra rapides (certain en dessous de la ms).

Au delà de quelques dizaines de kHz, les diodes laser deviennent difficiles à moduler et très faciles à casser !
Ceci dit, il est possible de moduler des diodes laser à quelques centaines de MHz... (note C.C : oui pas à 100%).
Un des ces jours, je ferai un petit prototype de modulateur XY avec un moteur de bloc optique laser et je mettrai les photos et les résultats sur le Web.

Ceci dit, le gros problème, c'est la luminosité, j'ai fait des essais avec un laser 650 nm 50 mW, c'est tout à fait insuffisant. A mon avis, il faudrait au moins 500 mW, après ça devient dangereux (panne de déviation...).
Les lasers puissants sont chers. Fabriquer un laser continu vert NdYAg double KTP 532 nm, c'est très compliqué.
Mais le temps travaille pour nous, la longueur d'onde, la puissance augmentent et le prix des lasers baisse tous les jours.

Je suis en train de bricoler un laser à colorant (Rhodamine 6G).
A propos d'un système d'affichage laser "bitmap " (non vectoriel), une idée toute bête pour avoir un aperçu de la luminosité !
Disposer à la sortie d'une diode ou du pointeur laser une lentille ou optique pour projeter un cercle d'environ 50 cm.
Ce rond rouge sera en général invisible de jour.

Il représente ce que l'on verra sur l'écran quand tout sera actif.
En pratique le contraste améliorera la vision et le texte pourra être affiché avec des lignes non adjacentes.
On se rend vite compte que de la puissance lumineuse, il en faut pas mal. */

/* Canon, pour ses imprimantes LASER, utilise 3 miroirs montés en triangle équilatéral, avec top tous les tiers de tour généré par réflexion de la lumière sur le bord du miroir vers un capteur.
Cela implique un balayage horizontal "facile " et régulier, mais j'ignore si la mécanique est facile à réaliser ou s'il faut récupérer sur une laser (ou acheter une pièce détachée). */
Qui a des informations ?

Il connait bien le sujet, aussi j'ouvre une page spéciale sur nos derniers échanges. Sa proposition a le mérite d'être simple et facile à réaliser, en utilisant une petite matrice.
Page complémentaire : Un petit affichage vectoriel

Quelques pages à voir sur le sujet (à compléter)
Les porte-clefs laser se trouvent facilement autour de 10 €, et en promotions supermarchés les 1 mW se trouvent encore à beaucoup moins cher...

Utilisation d'un petit pointeur laser pour réaliser simplement des hologrammes : photologie.fr

Science pour tous Hubert Pissavin, ma page suivante montre aussi ses travaux : lien mort
Simple laser Tranceiver : qsl.net/kk7lk/lasers
Catalogue papier indispensable (tout, mais cher !) : edmundoptics.com
Nombreux liens : epanorama.net/links/laser

Merci aux journalistes qui pillent sans vergogne mon site,
d’avoir au moins la courtoisie de citer leurs sources…

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Dernière retouche le 27 Décembre 2009 à 11 h