Voile et Electronique : Christian Couderc

H.P. : J'ai fait quelques essais pour un afficheur laser vectoriel, voici ma suggestion :

- Un pointeur optique laser rouge
- un bloc optique CD ou plus exactement la partie des moteurs qui assurent le déplacement de la lentille finale
- une lentille de sortie de bloc optique CD
- un peu d'électronique (ampli op...)
- un PC avec une prise // et de quoi écrire un programme pour la gérer en C ou Java.

On enlève toute l'optique du bloc, on ôte la lentille de sortie (collée) et on la recolle au même endroit, sur la tranche, axe de la lentille perpendiculaire a l'axe du moteur et qui passe par l'axe du moteur linéaire de mise au point. On installe l'autre lentille a la sortie du pointeur. On dispose le pointeur avec sa lentille face à la lentille mobile a 7 ou 8 mm environ (cette distance règle la mise au point selon la distance de l'écran).

Le déplacement d'un des axes des moteurs linéaires induit un fort déplacement du point sur l'écran :
à 2 m par exemple, 0.1 mm produit une déviation de 1cm environ en X ou Y.
Sur les 8 bits de la prise //, on installe 8 résistances et 8 transistors dont les collecteurs sont reliés à :
Voir le schéma :

Les 4 premières résistances sont reliées à l'entrée inverseuse d'un ampli op alimenté en 12V dont l'entrée + est à 5V, une résistance de 470 ohms entre sortie et entrée"moins".
La sortie de l'ampli op est relié à une résistance de 1k et un condensateur de 100uF (+ cote ampli op)
On refait le même montage avec les 4 bits suivants :
On relie le 1er bobinage du moteur entre le 1er 100 µF et la masse, le 2e moteur entre le 2e 100 µF et la masse.

4 bits = 16 combinaisons
On peut donc afficher une matrice de 16x16 points et passer de l'un à l'autre. Est-ce assez rapide ? je pense...
si on envoie 0000 0000 sur la prise : point (0,0)
1111 1111 point (15,15)
0010 0101 point (2,5)...

On peut écrire un programme en C pour dessiner une horloge analogique mais les aiguilles seront tordues (vitesses X et Y de déviation différentes) et épaisses (trajet aller diffèrent du trajet retour).
- Une horloge numérique avec des chiffres mais on verra la liaison entre les chiffres a moins de disposer un masque optique sur les points du bas.
- Des lettres qui défilent...
- La silhouette d'une girafe...

J'ai fait les premiers essais avec un bloc optique modifié, un pointeur avec une lentille. Je n'ai pas réalisé l'électronique pour gagner du temps. Ca marche assez bien, ce n'est pas trop sensible aux vibrations mais la fréquence limite de fonctionnement du bloc teste est de l'ordre de 10 Hz : Cela scintille, il faudrait au moins 3 fois plus, je vais essayer d'alléger la partie mobile. En ce moment dans une pièce claire mais un jour gris, je projette un rond de 20 cm de diamètre a 3 m de distance sur une porte gris clair, c'est très visible.

Les lentilles ont une focale un peu faible : si on s'écarte beaucoup du centre, le faisceau prend de l'épaisseur...

Ci-joint une photo du bricolage, on voit la pince optique de haute précision qui maintient le laser...
Étant donnée la sensibilité de ce montage a lentilles a courtes focales, je me demande si on ne pourrait pas monter la lentille mobile sur 2 piézos a 90°...

Tant que j'y suis, j'ai testé aussi les piézos. Les PXE standard ont un deplacement vraiment trop faible, il faudrait tester les"feuilletés"avec déplacement important mais je n'en ai pas. (à votre bon coeur).

J'ai donc démonté 2 buzzers :
J'ai soude le 1er sur un support et le 2 eme sur le 1er (qui n'apprécie pas pour vibrer)

Ca marche, sous qq volts, on déplace le spot de qq cm à 3 m. Il y a interférences entre les 2, je pense qu'il faudrait monter une lentille sur le 1er et une lentille sur le 2eme, les 2 montés orthogonalement.
Si je teste, je ferai une photo... On aurait alors un"modulateur optique"qu'il suffirait d'intercaler dans le trajet du laser(de la taille d'un dé a coudre...).Ca marche jusqu'à qq centaines de Hz ce qui est suffisant pour cette application.
Pour balayer efficacement, il faudrait prévoir au moins +/- 10V de tension.
Vu ce que consomment les piézos, il y aurait peut être moyen de les relier directement sur les pins des sorties // avec des pull-up ! (miracle : plus d'alimentation) (C.C. : Attention au claquage !)
Par exemple 8x10k de pull up et 47k, 100k, 220k, 390k + 10µF série sur le premier et autant sur le deuxième (si la capacité des piézos n'est pas trop grande...).

(Remarque C.C. : Mes tests piézo avaient montré que la limite en fréquence était vite atteinte et qu'il faut s'éloigner beaucoup de la fréquence de résonance sous peine de claquage immédiat., il faut impérativement alourdir le moins possible la lame et pour cela faire un dépôt métallique. J'avais testé sous vide avec un fil d'or mis en fusion par un courant avec une ddp de plusieurs dizaines de kV pour accélérer les atomes, mais le dépôt n'a jamais été homogène. Avec un dépôt électrolytique dans une solution de cyanure, le dépôt était toujours mat, le coefficient de réflexion était mauvais et la couche diffusait. A suivre…)

Encore une idée pour un afficheur laser à balayage :
Sur l'axe d'un moteur à courant continue ordinaire, on fixe un disque en alu de 100mm de diamètre, tout autour du disque, on fixe 8 miroirs rectangulaires (40mmx5mm) collés sur leur grand coté. On réalise un miroir polygonal style imprimante laser. On scie 8 rayons sur le disque sur 40mm entre les miroirs pour pouvoir déformer le disque et les miroirs.
On tord les rayons pour que le 1er miroir dévie 3 degre au-dessus , le 2e 2, le 3e 1, le 4e 0, le 5e -1, le 6e -2, le 7e-3 et le 8e -4.
On réalise ainsi un système de projection 8x ?? ? mettons 128 points, système comparable aux afficheurs à Led pour les commerces.
On dispose un phototransistor au début du faisceau du 1er miroir. Ce phototransistor remet a zéro un compteur CD4040... relie a un oscillateur réglable à NE555... Un 2 ème 4040 avec un 2ème oscillateur lent (1 Hz).
Les sorties des 4040 sont reliées aux adresses d'une EPROM 256 k.
La sortie de l'EPROM module la diode laser. On peut donc écrire 16 caractères qui changent toutes les secondes (ou simuler un balayage...).
(Remarque C.C. : Si l'on divise la fréquence de balayage résultante par 8, le scintillement sera énorme ! Il faudrait trouver un écran rémanent…)

Un modulateur laser X Y permet de dévier un faisceau laser visible pour dessiner des figures sur un écran. Un modulateur suffisamment rapide permet de rafraîchir la figure plusieurs dizaines de fois par seconde et l'image parait immobile.
Nous proposons ici la réalisation d'un modulateur ultra-simple et économique qui, relié au port parallèle d'un PC (port imprimante), permet, avec le logiciel adéquat, de dessiner des figures fixes ou animées.
Pour réaliser le modulateur il y a 2 paramètres importants : les moteurs et les déviateurs (les dispositifs optiques qui dévient le faisceau laser).
Pour les moteurs, nous avons testé des moteurs linéaires de bloc optique de lecteur CD, des disques piézo, des résonateurs piézo et des haut-parleurs. Pour les déviateurs, nous avons essayé deux lentilles à courte focale (lentilles de sortie de lecteur CD) et des miroirs.
Finalement, la solutions retenue, la plus performante, consiste à utiliser deux petits haut-parleurs standard et d'installer un miroir sur chaque haut-parleur.

Matériel : (toutes les dimensions en mm)
- Un pointeur laser le plus brillant possible (Selectronic), aujourd'hui les moins chers coûtent moins de 10 €.
- 2 haut-parleurs de 56 de diamètre environ : récupération ou HP large bande.(plus l'aimant est gros, mieux çila vaut)
- 2 petits miroirs : environ 10 x 10 x 1 (imprimante laser, fax...) On peut à la rigueur découper un carré de 10 x 10 dans la partie non gravée d'un CD (bord extérieur brillant)
- Electronique : connecteur prise //, 4 x LM386 NS, quelques résistances (Selectronic), Medelor (04 77 75 80 56)...

Il faut faire pivoter les miroirs pour dévier le faisceau laser. Les haut-parleurs produisent une translation. Pour transformer le mouvement de translation en rotation, nous utilisons une pièce en forme de A dont les cotés font environ 30 (des allumettes collées sur le premier prototype !) Le sommet du A est collé (avec une petite cale) sur le centre du HP (Haut-Parleur). Les jambes du A sont collées sur le bord du HP.

Lorsque le HP vibre, le A pivote légèrement sur ses jambes. Si on colle un miroir sur le A au bord du HP le miroir pivote et permet le balayage du laser. On réalise donc 2 HP ainsi équipés avec chacun 1 miroir.
La photo montre un essai réalisé sur un haut-parleur elliptique :

Il faut ensuite monter les HP pour que les déviations soient à 90° : on les installe sur une tôle d'aluminium, l'un en face de l'autre, les A à 90°. On fixe le pointeur laser en face du premier miroir : son faisceau se réfléchit dans le 1er miroir X puis dans le 2ème miroir Y (en face) et repart vers l'écran. Un trou dans la tôle permet le passage du laser.

Il faut commencer par découper une tôle (alu 1.5...), y percer les (3 ou 4) trous de fixation de chaque HP, la fixation du pointeur laser et le trou de passage du faisceau. On allume le pointeur et on colle le A du HP X en face le faisceau. Une fois sec on colle le miroir X, faisceau au centre, sur le A.

Une fois sec, on colle le A du HP Y en face le faisceau réfléchit. Une fois sec, on colle le miroir Y, faisceau au centre, sur le A. La mécanique est à peu près terminée !
Voici une vue du premier prototype (le CD donne l'échelle) :

Sur ce prototype, nous avons monté un pointeur laser"maison"de 15 mW mais on peut utiliser les pointeurs moins puissants du commerce (Selectronic).
Il faut ensuite piloter les HP, pour cela nous utilisons des petits ampli audio, qui passent le continu et limités en fréquence à quelques centaines de Hz.

Nous utilisons 2 x 2 x LM386 (un peu justes en puissance) montés en pont (voir doc NS). L'ampli reçiloit 2 tensions continues. Pour utiliser le port // 8 bits, il faut donc un CNA (Convertisseur Numérique Analogique) : nous avons utilisé le plus simple : 2 fois 4 résistances (100k, 200k, 400k, 820k et non pas 390k comme sur la photo !) :
Dans cette première version les 4 bits de poids forts de la prise // représente les 16 positions Y, les 4 bits de poids faible, les 16 positions X, le CNA a été installé dans le connecteur relié à un câble 4 fils : masse, X et Y (4ème fil pour la modulation du laser plus tard) : Voir le schéma : Il faut ensuite réaliser l'électronique :

Nous avons ensuite réalisé un petit programme en C (que nous enverrons à ceux qui le demanderont) qui contient une police vectorielle des 26 caractères (majuscule) alphabétique et une routine pour l'affichage. Les essais montrent que pour limiter les défauts (et le bruit) il faut parcourir tous les points adjacents d'une figure : pour aller de 0,0 à 15,15 il ne faut pas envoyer 0,0 puis 15,15 mais 0,0 1,1 2,2... 15,15.
En C, l'instruction de base du programme est : i=biosprint(0,x+(16*y),0)
Cette instruction positionne le faisceau sur x,y en LPT1 de la matrice (16x16) (0<x<15, 0<y<15)

Voici les premiers résultats (avec ce prototype simplifié) : les lettres HP (Le CD donne l'échelle) : le laser est à 10 m de la feuille. Un défaut dans l'optique du laser dédouble le faisceau, avec l'aller et retour du tracé, certain traits sont quadruplés. Ici la fréquence est de 27 Hz, il n'y a absolument pas de scintillement !

Pour améliorer la linéarité sans produire de scintillement, il faut utiliser des HP plus rapides (l'amplitude de ceux-ci baissent vers les 300Hz).
En ville de nuit, nous l'avons expérimenté pour afficher les uns après les autres tous les chiffres d'un numéro de téléphone sur un mur de pierre à 100m de distance !

La nuit, le résultat est spectaculaire : à 20 m, on peut afficher des caractères de plus de 1m de haut sur une surface blanche et plane : des caractères venus de nulle part ! effet garanti !
On se rend rapidement compte que la résolution de 4 bits est très insuffisante et que le système (que l'on peut optimiser) permet beaucoup mieux que cela en particulier en remplaçilant nos haut-parleur à 15 € par des vrais petits large bande avec un bon aimant, de la bande passante et du rendement.
On remplacera les allumettes collées sur le HP par des lyres ultra-légères découpées dans de l'époxy (circuit imprimé de 0.8) et collées à l'Araldite.
Nous allons donc modifier le CNA : les 8 bits du port // seront utilisés de la manière suivante :
les 2 bits MSB :
00 : extinction (à terme nous éteindrons le laser)
01 : suivi des 6 bits X (64 positions X)
10 : suivi des 6 bits Y (64 positions Y)
11 : suivi de 6 bits auxiliaires : synchroniser des effets spéciaux : jets d'eau...
Par exemple pour x=0, y=32 : 01000000 puis 10010000
Pour cela, nous allons rajouter dans la prise //, 2 circuits intégrés 74HC573 NS... (alimentés par la prise //) dont les entrées E seront reliés chacun à un bit MSB. 2 diodes seront reliées à ces 2 bits et au 4e fil du câble pour la modulation du laser.
A terme, nous installerons un pointeur laser vert dans le système.
La possibilité d'éteindre le laser avec le PC permet d'animer plusieurs figures indépendantes et simplifie le tracé en évitant de parcourir 2 fois les points d'une figure ouverte comme le E.
Nous allons aussi remplacer les HP par des modèles à plus large bande et à plus longue élongation et les ampli BF par des plus puissants pour pouvoir dessiner des grandes figures même à courte distance. La taille maxi de la matrice divisée par la distance de projection est égales à 2 fois la course totale du HP divisée par son rayon.

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 08 Mai 2003 à 19 h