Publié le 30 novembre 2015 - par

Système de supervision pour LASER de spectacle

laser_spectacle_250pxSébastien m’a contacté pour me parler d’un projet qu’il développe : un contrôle environnemental de LASER de spectacle à base de Raspberry Pi.
Il m’a demandé si cela pouvait intéresser les lecteurs du blog et ma réponse a été instantanée : VOUIII !
Et puis en discutant pour préparer cet article, j’ai pu découvrir l’univers de Sébastien, que je vais vous présenter : LASER de spectacle et Raspberry PI…

LASER et Raspberry Pi

Cette visite nous emmènera à la découverte des LASERs (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), une passion pour Sébastien, vous verrez aussi comment le Raspberry Pi lui permet de contrôler les conditions de fonctionnement de ses superbes réalisations.

Sébastien : passion LASER

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Sébastien et un de ses projets LASER – Août 2005

Pour tout vous dire, la folie des LASERs, Sébastien en est atteint (oui, comme la tarte) depuis de nombreuses années. Il a commencé à animer des soirées et à utiliser le LASER… en 1997 (il avait 20 ans !). Et comme il était fan de techno, il a reçu le surnom de Tekman après avoir décroché son BTS, lors d’une soirée techno dont se souviennent encore tous ceux qui y participaient !

Sébastien a commencé à travailler sur des projets à base de micro contrôleur depuis le BTS, et tient d’ailleurs à remercier ses profs (Armentières Sourire). Il a par exemple réalisé une une carte à micro-contrôleur 68HC11 avec mémoires et capteurs :

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Synoptique de la carte 68HC11

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Un des premiers LASERs de Sébastien – (ALC68 à gaz Argon)

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Carte 68HC11 et boîtier de commande

 

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Le boîtier de commande du LASER RGB

Ensuite Sébastien est « monté » à Paris pour ses études d’ingénieur. Il a fait de nombreuses  prestations dans des soirées, que ce soit en club à Paris ou bien en “teuf”.

Laser-symbol-text_200pxDepuis environ 2005 il a commencé à construire des projecteurs laser, avec des LASERs à gaz et aussi à diode. Actuellement il finalise son 4ème projet de LASER multi couleurs, mais il lui reste des améliorations et des nouvelles fonctionnalités à ajouter, ce qui se fera avec ce projet Sourire.

Ingénieur de production travaillant sur Linux, Sébastien a jeté son dévolu sur le Raspberry Pi pour assurer la sécurité de son laser : « Le Raspberry Pi permet de joindre l’informatique, mon métier, et l’électronique numérique. C’est vraiment génial pour cela, et il y a vraiment un énorme potentiel, d’où ce choix.« 

Protéger un LASER de spectacle avec un Raspberry Pi

Sébastien fabrique depuis plusieurs années des projecteurs LASERs multicolores et il a eu l’idée d’ajouter un Raspberry pi 2 à son nouveau projecteur.

assemblage bleu violetCe projecteur est fabriqué à partir de 4 sources LASERs (rouge, vert, bleu, violet) et il est doté d’un système de refroidissement de la partie optique avec un thermostat et 2 modules Peltier.

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Animation montrant les trajets des 4 faisceaux LASER

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Le Raspberry Pi et son écran – Cliquez pour agrandir

De multiples capteurs I2C sont intégrés dans le LASER (température TEC, température et humidité de la table optique, température et humidité de l’alimentation)… D’autres capteurs viendront prochainement s’ajouter et Sébastien  envisage aussi améliorer l’aspect du contrôleur.

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Console de sécurité du LASER

En effet, lorsqu’il a démarré ce projet, l’écran tactile officiel n’était pas encore disponible.

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Projecteur LASER et console de sécurité

C’est donc un projet complètement fonctionnel que nous présente Sébastien, puisqu’il en est à la sécurisation des LASER mais que tout le reste fonctionne déjà.

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Dans les domaines du LASER, où des dangers sont réel il faut être très attentif. Le LASER contient déjà une carte (2 prochainement) de sécurité faite par Medialas (Allemagne). Celle-ci coupe les faisceaux en cas d’erreur au niveau des scanners (ce qui réalise les dessins) ou au niveau alimentation.

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Pangolin – Logiciel de création d’animations LASER QuickShow

Le Raspberry Pi n’est utilisé que pour la sécurité, pas pour créer les dessins avec les LASER… Pour que le Raspberry Pi réalise les dessins il faudrait inclure des fonctions de watchdogs etc, mais de toute manière on ne peux pas concurrencer des entreprises comme Pangolin.

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Ce genre de système de surveillance environnemental des LASERs existe déjà mais pas avec un web serveur sous Apache, et surement pas avec un tel affichage et les graphiques que seule la puissance d’un RPI2 peut fournir (autant dire qu’avec les cron, le web server, etc, c’est déjà limite/limite)…

tableau_bord

Tableau de bord sur la console du Raspberry Pi

Le LASER utilise un système de refroidissement et doit parfois travailler dans des utilisations en conditions extrêmes :  au Portugal avec une température très élevée ou en Bretagne avec une humidité « de dingue » qui a provoqué la panne d’un LASER vert DPSS. C’est ce qui a amené à l’adjonction de ces capteurs au projet.

humidite

Suivi de l’humidité

temperature

Suivi de la température

Un système de log des données a été ajouté, et la console peut afficher des graphiques d’historique grâce à la librairie GD du langage Perl. Si le contrôleur est connecté à un web modem, alors il est possible d’obtenir les informations sur un appareil mobile, ce qui est quand même très pratique car le projecteur LASER se trouve souvent loin de la régie.

smartphone_600px

Surveillance à distance sur un smartphone

Le projet est amené à être amélioré, et est toujours en cours d’évolution. Vous pouvez suivre sa progression sur la page Facebook du projet.

principe

Synoptique global du projet

ILDA_logoLe RasPi est là uniquement pour le contrôle environnemental, sur le schéma ci-dessus il y a un câble ILDA (International Laser Display Association)  vers l’ordinateur.
La masse (0V) n’est d’ailleurs pas commune entre le Raspberry Pi (Controler) et le LASER, ni même avec l’alimentation.

L’assistant de Sébastien

En fait Sébastien ne travaille pas seul sur son projet…

ganeshSon chat Ganesh l’assiste pour un certain nombre d’opération 😉

ganesh2et il vérifie également la qualité du travail de Sébastien…

Quelques images

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Projecteur LASER éteint

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Console de contrôle environnemental… un Raspberry Pi

sans optique de sortie

Le DPSS bleu sans collimation de sortie : Le dual beam est un double laser DPSS

 

dual-beam+collimator

Optique de collimation de sortie ajoutée et le résultat : à l’aide d’une optique de collimation on obtient un seul faisceau laser. L’intérêt est de très légèrement décaler les faisceaux et de les réaligner ensuite, ce qui supprime beaucoup les divergences

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Laser bleu

 La sécurité

Habitué depuis des années à manipuler les LASERs, Sébastien rappelle les règles de sécurité à respecter impérativement : »Je pense qu’il ne faut pas oublier de dire que les lasers sont très dangereux et particulièrement les pointeurs, il ne faut jamais pointer un laser sur les yeux, et toujours avoir une carte de sécurité dans son projecteur laser« .

 D’où ça vient ?

Après vous avoir présenté l’application développée par Sébastien pour surveiller et contrôler son LASER quadrichrome avec un Raspberry Pi, j’invite ceux d’entre vous qui veulent en savoir un peu plus sur ces bestioles à rester encore un peu.

Albert Einstein

L’effet LASER repose sur une population d’atomes portés dans un même état excité et qui se désexcitent tous ensemble en émettant cette lumière intense. La transition des électrons d’un niveau d’énergie à un autre est un processus quantique. (source CEA)

Qui dit quantique dit… Einstein. Dans un article de 1917, il pose les bases de ce qui donnera naissance au LASER, l’émission stimulée. Il obtiendra le prix Nobel 1921 pour cette découverte.

Au passage il faut que je vous dise que je suis un fan d’Albert…
je vous offre quelques citations qui me font autant sourire que réfléchir :

La relativité

« Placez votre main sur une poêle une minute et ça vous semble durer une heure.
Asseyez-vous auprès d’une jolie fille une heure et ça vous semble durer une minute.
C’est ça, la relativité!
« 

Théorie et pratique, spécial maintenance !

« La théorie, c’est quand on sait tout et que rien ne fonctionne.
La pratique, c’est quand tout fonctionne et que personne ne sait pourquoi.
Ici, nous avons réuni théorie et pratique: Rien ne fonctionne… et personne ne sait pourquoi ! »

l’Intelligence Artificielle

« Les machines un jour pourront résoudre tous les problèmes,
mais jamais aucune d’entre elles ne pourra en poser un !
 »

Albert Einstein

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Les LASERs fascinent souvent les personnes qui assistent aux spectacles qui portent leur nom. Dans l’industrie, ils coupent, soudent et percent. Les faisceaux rectilignes des lasers servent aussi à aligner des routes, des tunnels… En médecine, ils réparent ou brûlent les zones malades sans toucher aux parties saines.

Pourquoi le faisceau d’un LASER peut-il faire tout cela, alors qu’une lumière provenant d’une simple ampoule ou d’une LED en est incapable ? Je vous explique ça tout de suite !

Comment ça marche ?

oscillateurLe principe est d’amener de l’énergie à un milieu dont les atomes vont être excités et dont les électrons vont passer sur des niveaux d’énergie plus élevés.
L’apport d’énergie peut se faire sous forme d’électricité, de lumière, sous forme chimique…
Lorsque les électrons excités retombent (spontanément) sur les couches inférieures, ils émettent un photon dans n’importe quelle direction. Lorsqu’un de ces photons traverse un atome excité, il provoque l’émission d’un photon identique et en phase avec lui. A chaque collision, le nombre de photons en phase double (amplification par émission stimulée).

ampli

Sur les côtés de la cavité, les photons sont absorbés et disparaissent.
Par contre, chaque extrémité de la cavité (oscillateur LASER) étant munie d’un miroir, les photons oscillent entre les deux miroirs et le nombre de photons circulant en phase dans l’axe de la cavité devient très vite énorme. C’est ce qu’on appelle le « pompage optique ».

coherenceL’un des miroirs est partiellement transparent et le faisceau LASER sort par celui-ci. Contrairement à la lumière d’une ampoule dans laquelle des photons de différentes couleurs, avec des phases différentes, divergent rapidement et n’ont pas d’effet sensible sur la matière, le LASER émet des photons de même couleur, en phase. Le faisceau ne diverge pratiquement pas et le faisceau transporte une énergie capable d’agir sur la matière : échauffement, découpe, soudure…

Les années LASER

Il faudra cependant attendre 1960 (5 ans après la mort de son inventeur) pour que  le physicien américain Théodore Maiman obtienne pour la première fois une émission LASER au moyen d’un cristal de rubis.

laser schema

Un an plus tard, Ali Javan met au point un LASER au gaz (hélium et néon)… (Note de framboise314 : J’utilise toujours un de ces tubes avec son alimentation THT pour montrer l’effet LASER 😉 ) – voir ci-dessous.

laser_he_ne

Laser à gaz – Hélium-Néon

taille_du_tubeLe Raspberry Pi donne la taille.
En haut l’alim THT (6Kv)
Le cylindre gris est l’enveloppe du tube LASER
sortie_faisceauFaisceau en sortie du tube
Quand je vois les superbes réalisations de Sébastien, j’ai un peu honte de vous présenter mon LASER, mais bon… En dehors de quelques pointeurs R,V,B c’est le seul que je possède 😉

faisceau_sortieLa projection du faisceau sur une feuille blanche permet de le visualiser.
Sinon, il faut envoyer de la fumée mais je ne fume pas 😀

 Depuis, les LASERs se sont installés dans notre vie quotidienne : CD, DVD, imprimantes, lecteurs de codes-barres des supermarchés, utilisations industrielles, militaires, médicales… sont des applications courantes du LASER.

Et la couleur ?

La couleur des faisceaux LASER a évolué au cours des années, en fonction de l’énergie que les chercheurs ont pu injecter dans les cavités. Actuellement la majorité des LASERs est à base de diodes semi-conductrices mais le principe de l’émission stimulée reste valable.

sensibilite_oeuil

Les premières diodes LASERs émettaient des faisceaux infrarouge (780 nm donc invisibles pour l’œil humain). Elles ont été utilisées sur les CD (attention donc si vous démontez un lecteur et surtout un graveur de CD. Le faisceau est invisible mais tout aussi dangereux !).

semicond

Diode LASER

Ensuite sont nées les diodes LASERs rouges (650 nm). La longueur d’onde étant plus courte, elles ont permis de créer les DVD (la taille des « trous » portant l’information est proportionnelle à la longueur d’onde de la lumière utilisée).

Le Blu-Ray a pu exister grâce à la mise au point de diodes LASERs bleues (405 nm) qui ont permis de réduire encore la taille des « trous » sur le support optique.

Il existe cependant une autre façon de produire des faisceaux lasers de différentes couleurs. C’est la technique dite DPSS (Diode-pumped solid-state lasers = LASER solide à pompage par diode).

DPSS

Dans les LASERs DPSS, une diode LASER provoque l’excitation d’un cristal qui, suite à ce pompage, va émettre un faisceau LASER d’une longueur d’onde différente de celle qui lui est envoyée.

DPSS_laser_600pxDans cet exemple une diode LASER infrarouge (808 nm) attaque un cristal de vanadate d’ytrium dopé au néodyme Nd:YV04. Ce cristal est suivi par un KTP (cristal de titanyl phosphate de potassium = KTiOPO4). Cette « cavité » est équipée de miroirs et va produire un faisceau LASER à 532 nm (couleur verte)

DPSS_473nmIci c’est le schéma d’un LASER bleu. On voit que la diode LASER servant au pompage optique (à gauche) est suivie d’un assemblage optique complexe destiné à produire le faisceau LASER qui sort à droite du schéma.

Les lasers de spectacle

gym

Pangolin – Logiciel de création d’animations LASER QuickShow

L’application (pacifique) qui nous intéresse ici étant l’utilisation du LASER dans le cadre des spectacles,

je vous propose de partir à la découverte des techniques mises en œuvre pour les animations, show et autres illuminations.

Ci-contre une des animations proposées dans le logiciel QuickShow. Ce logiciel de Pangolin permet de préparer un show LASER en y incluant des animations prédéfinies.

Oui, me direz vous… Mais encore ?

Dévier le faisceau LASER

scanCette tâche est confiée à un système de déviation composé de deux miroirs actionnés par des moteurs. En fait vu la vitesse et la précisions requises, les moteurs reprennent le même fonctionnement que les galvanomètres mobiles.

Cette similitude permet d’assurer un temps de réponse très court et une bonne précision.

OpenLoopScanner

Un Galvo utilisé pour la déviation du faisceau

L’animation ci-dessous qui montre comment fonctionne un système de marquage LASER est basée sur le même principe que celui utilisé pour la déviation dans un LASER de spectacle. Observez bien la position des miroirs pour voir leur mouvement…

animation_laser

Et dans la réalité ?

scannerVoici un système de déviation. Il est constitué d’un angle en métal dans lequel sont placés 2 galvos actionnant chacun un miroir. Les cartes situées de chaque côté sont les cartes de commandes des galvos. Les nombreux potentiomètres 10 tours sont destinés à peaufiner le fonctionnement de l’ensemble pour en obtenir les meilleurs performances. Regardez les photos des LASERs de Sébastien, vous y retrouverez les mêmes séries de potentiomètres…

galvos

Les miroirs sont montés à angle droit et la vitesse d’exécution des dessins réalisées par leur déviation est exprimée en KPPS (kilo-points par seconde). On trouve des systèmes à 30KPPS pour un angle de 8°. Le modèle Scanner Dragon Tiger DT30 annonce les caractéristiques suivantes :

  • Angle d’ouverture: max 60° (réglages d’usine ±20°),
  • Taille des miroirs: 5mm*10mm*0.8mm,
  • Traitement miroirs: film diélectrique de haute qualité
  • Reflectivité: >97% @45°incidence(400nm-700nm),
  • Alimentation: ±24VDC
  • Entrée: Analogique ±5V (Conforme à la norme ILDA)
  • Vitesse: 30KPPS @ ±8°
danse

Pangolin – Logiciel de création d’animations LASER QuickShow

Ensuite, en fonction de l’angle de balayage la vitesse d’écriture (nombre de points par seconde) peut varier et diminuer.

Lorsque le faisceau LASER doit être interrompu, on utilise un système qui est piloté par un système très rapide (type galvanomètre) qui vient s’interposer sur le trajet du laser à « éteindre ».

Ceci permet des animations comme celle que vous voyez à droite de ce texte…

galvo2

Un autre modèle de déviateur équipé de galvos

Quelques images vidéo des LASER de Sébastien :

laser_spectacle_02

laser_spectacle_05

 

Vidéos

Qu’est-ce qu’un laser ?

Voir la vidéo Qu’est-ce qu’un laser ? sur http://portail.cea.fr/multimedia/Pages/videos/culture-scientifique/physique-chimie/fonctionnement-laser.aspx

livret_CEA Si cette vidéo du CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives) vous intéresse, il existe un équivalent PDF disponible sous forme d’un livret que vous pouvez télécharger sur le site du CEA.

Dans ce livret vous retrouverez les bases du laser mais aussi ses applications :

  • La fabrication de la lumière laser
  • Les propriétés des lasers
  • Les lasers de recherche
  • Les lasers industriels

Conclusion

pouceJ’espère que cet article vous aura fait découvrir le monde étonnant des LASERs de spectacle.

Le fait qu’un Raspberry Pi soit sollicité pour sécuriser ces merveilles méritait d’être relevé!

Vous remarquerez que les liens figurant dans la rubrique « Sources » sont nombreux. Inutile de vous dire que j’ai pris un grand plaisir à rédiger cet article et à échanger avec Sébastien au sujet de ses réalisations… (en plus c’est un Linuxien, alors… 😉 )

Bien entendu si vous avez des remarques sur cet article, ou mieux encore si vous utilisez un Raspberry Pi dans ce genre d’application, n’hésitez pas à laisser un commentaire ci-dessous.

Sources

Les pages de Sébastien

Pour en savoir plus sur les LASER

 

 

 

 

 

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À propos François MOCQ

Électronicien d'origine, devenu informaticien, et passionné de nouvelles technologies, formateur en maintenance informatique puis en Réseau et Télécommunications. Dès son arrivée sur le marché, le potentiel offert par Raspberry Pi m’a enthousiasmé j'ai rapidement créé un blog dédié à ce nano-ordinateur (www.framboise314.fr) pour partager cette passion. .

7 réflexions au sujet de « Système de supervision pour LASER de spectacle »

  1. fred

    Ah la vache ca me rappel trop mes cours d’optique l’exam portait sur la génération du laser … comment j’en avais trop bavé … d’ailleur j’ai repassé ce partiel 2 fois … 😉

    c’etait un truc entre :
    http://physics.tutorvista.com/electricity-and-magnetism/laser-diode.html
    et
    https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_cascade_laser

    super travail en tout cas j’adore ces personnes qui prennent le temps d’expliquer d’une manière plutôt complète les choses …

    Répondre
    1. François MOCQ Auteur de l’article

      Merci Fred
      tout le monde n’a pas eu la chance d’étudier le LASER
      J’ai appris énormément en travaillant à la préparation de cet article
      et je partage pour tous ceux que ça peut intéresser
      cordialement
      François

      Répondre
  2. aidli

    Bonjour

    c’est un projet super !!!
    j’ai une question , je voudrai savoir est ce que y aurai un possibilité de contrôler les moteurs galvo en utilisant la raspberry PI?

    Merci 🙂

    Répondre
    1. Seb tekman

      Bonjour Aidli,

      Oui tu le peux, mais il faut que tu utilises un RPI uniquement pour ça et il faut coder bas niveau (exemple C++ ou bien une interface comme celle que je dvpt en ce moment, à voir sur la page facebook en Perl / SDL)

      Il ne faudrait pas (trop ou du tout) d’interruptions de l’OS.
      Dans tout les cas il faut ajouter une carte de sécurité (ex Medialas scan fail)
      Car si la modulation ne se fait plus alors la carte coupe la puissance des lasers.

      Ensuite il faut sortir un signal symétrique à l’image d’un amplificateur audio, j’ai même, à mes débuts enregistré un signal sinus ou triangle sur un CD audio, le lecteur sortait sur un symétriseur et directement dans le laser.
      Une fréquence de 10 à 30 Khz convient parfaitement.

      Si tu désires faire un projet de RPI pour lire les fichiers ILDA, tu peux aussi ouvrir en binaire ce fichier, et après lecture des entêtes tu obtiens les coordonnées X et Y et si les couleurs doivent être On et Off
      C’est franchement un super projet à faire 🙂 surtout si il y a un ptit écran avec.
      Mais c’est honnêtement pas comparable à un DAC comme ceux de Pangolin, Medialas, etc…
      Par contre niveau prix c’est bien moins cher!
      Il faut du DAC de 8 ou 10 bits et des symétriseurs audio pour obtenir +/- 10V
      http://www.laserist.org/StandardsDocs/techcomm/ISP05-finaldraft.pdf

      J’espère avoir répondu à ta question.

      Répondre

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