Aufbau eines Laserprojektors

Ein Laserprojektor besteht aus den Laserquellen, optischen und oft auch elektrooptischen Komponenten um Farben zu mischen und die Intensität der Laserstrahlen zu beeinflussen sowie einer XY-Ablenkeinheit. Zusätzlich können weitere optische Effekte eingebaut sein.

Laserquellen

Kernkomponente jedes Laserprojektionssystems sind die Laserquellen.

Lange Zeit wurden für Lasershows fast ausschließlich Gaslaser verwendet. Für kleine Leistungen wurden Helium-Neon-Laser verwendet, die im roten Spektralbereich, mit sehr kleiner Leistung auch im grünen Spektralbereich emittieren.

Für die meisten kommerziellen Lasershows wurden jedoch Argon-Ionen-laser, Krypton-Ionen-laser oder Argon/Krypton-Mischgaslaser verwendet, da die Leistung des HeNe-Laser von bis zu 100 mW nicht ausreicht. Die Laserleistung für Lasershows liegt meist zwischen 1 und 20 Watt optischer Leistung, was sich lange Zeit nur mit Ionenlasern erreichen ließ.

Der Argon-Ionen-Laser erzeugt mehrere Spektrallinien vom grünen über den blauen bis in den violetten Spektralbereich. Die höchste Leistung wird bei der Wellenlänge 488 nm erreicht, die dem Farbton Cyan entspricht. Krypton-Ionen-Laser erzeugen Laserlicht im roten und gelben Spektralbereich. Laser, die mit einem Gasgemisch aus Argon und Krypton arbeiten können den gesamten sichtbaren Spektralbereich abdecken und sind daher auch unter dem Namen Weisslichtlaser bekannt.

Beim Argon- oder Kryptonionenlaser sind Ionen für die Laseremission verantwortlich. Damit Ionen im Laser vorhanden sind muss das Gas ionisiert sein. Dies setzt eine Plasmaentladung in der Laserröhre mit relativ hoher Stromdichte voraus. Aus diesem Grund haben Ionenlaser eine sehr hohe Stromaufnahme. Die Anschlussleistung beträgt zwischen 1 kW um 80 kW für eine optische Ausgangsleistung zwischen 0,1 W bis über 20 W. Damit liegt der Wirkungsgrad bei unter 0,1%.

Die in der Laserröhre entstehende Verlustleistung muss beim Ionenlaser über eine Kühlung abgeführt werden. Sehr kleine Ionenlaser werden über Leistungsstarke Gebläse gekühlt. Für Laserleistungen über 1 W arbeiten Ionenlaser in der Regel mit einer Wasserkühlung. Dabei wird Wasser mit 5-20 l pro Minute entlang der Laserröhre geleitet und führt die Verlustwärme ab.
Die hohe elektrische Leistungsaufnahme und die aufwendige Wasserkühlung der Laser war lange Zeit ein Hindernis für die Durchführung von Lasershows.
Fortschritte in der Lasertechnik führten zu neuen Laserquellen auf Festkörperbasis.

Für den Showlaserbereich sind vor allem DPSS-Laser interessant. Dabei wird ein
Laserkristall durch eine Laserdiode im infraroten Spektralbereich optisch gepumpt.

Infrarote Laserdioden sind am Markt mit hoher optischer Leistung verfügbar. Der Laserkristall ist mit einem nichtlinearen optischen Kristall in einem Resonator untergebracht. Der nichtlineare Kristall hat die Eigenschaft, die Frequenz der Laserstrahlung im Resonator ab einer gewissen Leistungsdichte zu verdoppeln. So entsteht aus unsichtbarem Infrarotlicht mit 1064 nm ein sichtbarer Laserstrahl mit 532 nm Wellenlänge.
DPSS Laser werden heute in vielen Showlasern für den grünen und blauen Spektralbereich eingesetzt.

Für den roten Spektralbereich werden heute meist Laserdioden eingesetzt, die direkt im roten Spektralbereich emittieren. Diese sind heute bis etwa 0,5 W optischer Leistung erhältlich. Auch für den blauen Spektralbereich sind seit einiger Zeit Laserdioden verfügbar, die nun die bisher eingesetzten DPSS-Laser verdrängen.

Eine andere neue Entwicklung, die im Showlaserbereich angewendet wird, sind OPSL-Laser. Dabei handelt es sich um optisch gepumpte Halbleiter-Scheibenlaser.

Es sind Modelle für den gesamten sichtbaren Spektralbereich erhältlich im Leistungsbereich zwischen 1 W und 10 W. (z.B. JenLas D2, Coherent Taipan).
OPSL-Laser gestatten es sehr kompakte Laserprojektoren mit hoher Leistung aufzubauen, die weder einen Kraftstromanschluss noch ein kompliziertes Kühlsystem benötigen. Sie verdrängen daher alte Technik auf Basis von Ionenlaser derzeit vom Markt.

Farbmodulation

Gaslaser wie Argon-Ionen-Laser oder HeNe-Laser lassen sich für Lasershow-Anwendungen nicht ausreichend schnell in der Intensität modulieren. Es sind also zusätzliche optische Elemente notwendig, um die Farben und die Intensität einzustellen.

Frühe Laserprojektoren verwendeten eine Reihe von Elektromagneten, um Blenden oder Farbfilter in den Laserstrahl zu schwenken (”Colorbox”). Damit konnte der Laserstrahl zwar an- und ausgeschaltet werden und eine Farbe ausgewählt werden, mehrere farbige Objekte in einem Bild waren damit aber nicht möglich.

Die mechanische Modulation wurde dann weiter verfeinert. Zur Modulation wurden Galvanometer verwendet, die wesentlich schneller reagieren und eine proportionale Steuerung der Intensität ermöglichten. Mit 3 Galvanometern war es möglich, die drei Grundfarben der additiven Farbmischung Rot, Grün und Blau einzeln zu modulieren und so Farbton, Sättigung und Intensität frei einzustellen.

Eine weitere Möglichkeit, die Intensität des Laserstrahls zu modulieren bieten Akustooptische Modulatoren (AOMs). Bei akustooptischen Modulatoren wird sehr hochfrequenter Schall im Bereich bis zu mehreren hundert MHz in einen Kristall eingekoppelt. Der Schall verursacht im Kristall Schwankungen der Dichte, die dazu führen, dass der Laserstrahl gebrochen wird. Anfangs war der Wirkungsgrad dieser Modulatoren sehr gering, da nur ein geringer Teil des Laserstrahls gebrochen wurde. Mittlerweile liegt der Wirkungsgrad über 95%. Akustooptische Modulatoren haben den Vorteil, keinerlei mechanische Bauteile zu verwenden. Die Modulationsbandbreite beträgt mehrere Megahertz und ist damit schneller, als es für Lasershow-Anwendungen nötig ist. Da jede Wellenlänge unterschiedlich gebrochen wird eignen sich akustooptische Modulatoren allerdings nur für monochromatische Laser.

Dieser Nachteil wurde dann mit der Entwicklung von Akustooptischen Filtern (AOTFs), im Lasershowbereich auch polychromatische akustooptische Modulatoren (PCAOMs) genannt, behoben. Beim akustooptischen Filter kann über die Frequenz des Schalls im Kristall ausgewählt werden, welche Wellenlänge des einfallenden Laserstrahls in den Ausgangsstrahl gebrochen werden soll. Wenn der Schall mehrere Frequenzen enthält können auch mehrere Wellenlängen gleichzeitig selektiert werden. Die Modulationsbandbreite von akustooptischen Filtern ist geringer als bei akustooptischen Modulatoren. Sie liegt bei einigen hundert Kilohertz, was für Lasershow-Anwendungen allerdings vollkommen ausreicht. Wird die Kennlinie des Modulators beachtet ist eine sehr lineare und reproduzierbare Modulation möglich. Akustooptische Filter sind daher Stand der Technik bei der Modulation von Argon-, Krypton- oder Ar/Kr-Mischgaslasern, wie sie für Lasershows eingesetzt werden.

In letzter Zeit haben Festkörperlaser bei neuen Projektoren Gaslaser fast vollständig verdrängt.

DPSS-Laser, die von einer Laserdiode gepumpt werden, lassen sich über den Strom der Pump-Laserdiode modulieren. Allerdings sind damit oft nur Modulationsfrequenzen im Bereich von einigen 10 kHz möglich. Das hängt oft mit Problemen mit der Temperaturstabilität der Kristalle im DPSS Laser zusammen, die chaotische Leistungsschwankungen verursachen können. Auch hat der DPSS-Laser an sich bedingt durch den Aufbau eine optische Kapazität, die eine schnellere Modulation verhindert. Oft ist das Verhältnis des Diodenstromes zur optischen Ausgangsleistung extrem nichtlinear, was das Einstellen der Intensität oder die Farbmischung erschwert.

Laserdioden sind erst seit kurzer Zeit mit sichtbarer Emissionswellenlänge und für Lasershow-Anwendungen geeigneter Leistung erhältlich. Direkt emittierende Laserdioden lassen sich sehr schnell über den Strom, mit dem sie betrieben werden, modulieren. Die Leistung ist ab dem Schwellstrom sehr linear zum Strom. Daher ersetzt man wo es möglich ist z.B. DPSS-Laser durch Laserdioden.

Die Ansteuerschaltung für die Farbmodulation ist im Laserprojektor in der Regel integriert. Zur Steuerung der Intensität  hat hat sich ein asymmetrisches Steuersignal mit 0. . . 5 V Spannungspegel bewährt. Viele Laser werden mit einer dazu passenden Ansteuerschaltung ausgeliefert, die einen entsprechenden Eingang besitzt.

XY-Scanner

Die eigentlichen Effektmuster entstehen im Laserprojektor durch die Galvanometer-Scanner, die den Laserstrahl in einer XY-Anordnung ablenken. Dadurch ist es möglich an jede beliebige Stelle innerhalb des Projektionsbereichs abzulenken. Das geschieht so schnell, dass das menschliche Auge der Bewegung des Laserstrahls nicht folgen kann und so anstatt eines einzelnen Strahls ein Linienzug und ein stehendes Bild wahrgenommen wird.

Galvanometer sind vielen Elektrotechnikern in der Form von Drehspul- und Dreheisenmessinstrumenten bekannt. Es handelt sich dabei um elektrische Antriebe, die ein Drehmoment proportional zum Spulenstrom erzeugen. Das Drehmoment arbeitet gegen eine Feder, so dass eine Auslenkung proportional zum Strom resultiert.

Bei Galvanometer-Scannern für Lasershow-Anwendungen kommen Galvanometer nach dem Dreheisen- oder Drehmagnet-Prinzip zum Einsatz. Das Drehspul-Prinzip lässt kein ausreichend hohes Drehmoment zu und lässt sich nur mit höherer Massenträgheit umsetzen.

Lange Zeit war das Modell G120 der Firma General Scanning das für Lasershow-Anwendungen am häufigsten eingesetzte Galvanometer. Dabei handelt es sich um einen Reluktanzmotor nach dem Dreheisen-Prinzip. Zwei Permanentmagnete erzeugen in zwei Polpaaren jeweils den selben magnetischen Fluss. Dieser hält den Rotor in der Mittelpostion. Über zwei Spulen wird ein magnetischer Fluss erzeugt der diesem überlagert wird. Dadurch dreht sich der Rotor in die eine oder andere Richtung. Da der magnetische Kreis zwischen den Spulen durch die Permanentmagnete geschlossen ist weisen die Spulen eine hohe Induktivität auf. Dies macht
die schnelle Ansteuerung der Galvanometer komplizierter, da die Induktivität eine zur Stromänderung proportionale Spannung erzeugt, die der Antriebsspannung entgegenwirkt.

Durch Fortschritte in der Magnettechnologie sind in neuerer Zeit Galvanometer mit Rotoren aus Seltenerd-Magneten populär geworden. Ähnlich dem Aufbau von bürstenlosen Gleichstrommotoren wird in eine zylindrische Hülle aus Eisen eine Spule gewickelt, die ein diametrales Magnetfeld erzeugt. Der ebenfalls diametral magnetisierte Rotormagnet richtet sich dann anhand dieses Magnetfeldes aus. Diese Luftspaltspule hat nur eine geringe Induktivität. Ein Beispiel für ein Galvanometer dieser Bauart sind die CT6800 Galvanometer der Firma Cambridge Technology.

Der Positionsendzustand eines klassischen Galvanometers wird dann erreicht, wenn das Drehmoment des Motors gleich dem Drehmoment der Feder ist. Die Feder und die Massenträgheit des Rotor bilden ein schwingungsfähiges System. Idealerweise soll dieses System eine kritische Dämpfung aufweisen, dass heißt in kürzester Zeit den Endwert erreichen, ohne dabei überzuschwingen. Die Dämpfung kann mechanisch wie auch elektronisch realisiert werden. Dies schränkt die Geschwindigkeit jedoch stark ein. Höhere Geschwindigkeiten lassen sich erreichen, wenn das Galvanometer in eine Positionsregelschleife einbezogen wird. Wird eine Positionsregelung verwendet kann sogar die Feder im Galvanometer entfallen, wie dies bei CT6800 Galvanometer-Scannern der Fall ist. Da diese dadurch keinen zum Strom proportionalen Drehwinkel mehr aufweisen sind diese Galvanometer dann nur noch zur Verwendung mit einer Positionsregelung geeignet.

Als Positionssensor sind sowohl kapazitive, optische als auch magnetische Sensoren bei Galvanometern für Lasershow-Anwendungen im Markt vertreten.

G120D Galvanometer von General Scanning verwenden einen kapazitiven Positionssensor. Der Rotor verstimmt hier einen Kondensator, der aus um die Achse angeordneten Elektroden gebildet wird. Durch Hochfrequenzanregung und anschließende Gleichrichtung kann daraus eine Gleichspannung proportional dem Drehwinkel gewonnen werden.

Die CT6800 Galvanometer von Cambridge Technology verwenden einen optischen Positionssensor. Eine Infrarot-LED beleuchtet eine Photodiode. Die Photodiode wird von einer auf den Rotor montierten Fahne je nach Drehwinkel verschieden stark abgeschattet. Durch die geschickte Anordnung der Photodioden in einer Brückenkonfiguration lassen sich Fehler durch Alterung, Temperaturschwankungen und axialen Versatz der Fahne ausgleichen. Der Photodiodenstrom wird durch einen Verstärker differentiell ausgewertet und entspricht ausreichend linear dem Drehwinkel der Achse.

Heute kommen fast ausschließlich Galvanometer-Scanner mit geschlossener Positionsregelschleife (closed-loop) zum Einsatz.

Die dazu nötige Elektronik wird Scanner-Treiber genannt. Dieser besteht aus der Auswertungsschaltung für die Sensorsignale und das Steuerungssignal, der
eigentlichen Regelung und einem Leistungsverstärker, der den Strom für den Motor bereitstellt.

Das Positions-Sollsignal wird in den Scanner-Treiber in der Regel als differentielles Signal einspeist. Der Spannungspegel beträgt üblicherweise 10 V... ?10 V. Die differentielle Ubertragung verhindert, dass bei längere Übertragungswegen  in die Leitung eingestreute Störungen die Bildqualität negativ beeinflussen.

Die Sprungantwortzeit liegt für kleine Winkel meist zwischen 150 us und 500 us. Bei großen Winkeln erhöht sich dieser Wert auf etwa 1 ms. Die -3 dB Bandbreite liegt bei kleinen Winkeln bei etwa 3 bis 5 kHz. Die Samplingrate der Ausgabekarte liegt aber meist um den Faktor 6 bis 30 höher.

Statische Effekte auf optischer Bank (Gratings)

Zusätzlich bieten einige Laserprojektoren die Möglichkeit, den Laserstrahl nicht über den XY-Scanner sondern durch spezielle optische Effektfilter zu lenken.

Hier kommen vor allem Gitter und holographische optische Elemente (HOE) zum Einsatz, die den Laserstrahl in viele Einzelstrahlen nach einem charakteristische Muster auffächern können.

Vor allem in Verbindung mit Laserquellen, die viele einzelne Spektrallinien enthalten bietet dies einen reizvollen Effekt, da jede Spektrallinie unterschiedlich gebrochen wird.

In letzter Zeit finden in Laserprojektoren hauptsächlich Festkörperlaser Verwendung, die nur jeweils eine einzelne Spektrallinie emittieren. Durch diese Entwicklung und durch Verbesserung der XY-Scanner werden statische Effekte nur noch in Einzelfällen eingesetzt. Laserprojektoren, die nur einen XY-Scanner enthalten sind deutlich kompakter als Projektoren, die eine optische Bank für statische Effekte enthalten.

Die statischen Effekte werden, soweit sie vorhanden sind, in der Regel über Motoren und Elektromagnete betätigt. Klassisch wurden diese Aktoren über einzelne Leitungen mit TTL-Signalpegel angesteuert. Bei neueren Geräten findet das aus der Lichttechnik stammende serielle DMX-512 Protokoll Anwendung. Es erlaubt die Steuerung von 512 Kanälen mit jeweils 8 Bit Auflösung über nur 3 Leitungen.

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