激光灯优化接线指南:                      

近年来，我注意到一个现象：很多人在激光灯内部各部件的布局和接线方面遇到不少挑战。错误的连接会导致输出图像变形或产生各种棘手问题，而往往这些问题又会被错误地归咎为振镜或其他部件的缺陷。错误的连接还会引发危险。例如，激光灯在没有连接的时候也会输出光束，可能导致火灾或伤人。所以，在帮助调节振镜的同时，我往往还需要对激光内部各元件进行重新布局和连线，以获得最佳图像输出效果。鉴于在这方面遇到困难的人不在少数，我决定撰写此文，为激光灯内部的正确接线提供指引。

本文主旨在于指导制造商对激光灯内部元件进行最佳接线组装，以使激光灯最佳匹配ILDA规定标准（ISP）。同时，也能给激光爱好者一个参考，因为文章同时也对激光灯工作细节进行阐述，剖析了激光灯内部构造和组成。要讨论激光灯内部接线，最好概念性地分开两部分：一是供电电路部分的相关连接（下称“供电连接”）；二是ILDA DB-25相关的信号部分连接（下称“信号连接”）。我们首先来讨论“供电连接”。

供电连接

图 1

图1是供电部分总体连接图示。我们首先探讨振镜供电部分，因为这部分处在图的上半部，而且这部分的思路理清后，其他部分的供电连接就很容易明白了。

电流首先由AC主电源进入激光灯。如图所示，这部分通常带有电源开关和保险丝。国际颜色标准定义棕色线为火线，蓝色线为零线，分别连接到电源的火线和零线接入端。细看电源，你会发现有“Line”和“Neutral”或者“L”和“N”字样分别指示火线和零线。

大多数交流电源插头不分极性，插在插座上时可以随意。但在激光灯内部接线时请一定要有火线和零线分开的概念，总是把火线和零线用不同颜色的线区分开来连接，最好按国际标准区分火线为棕色，零线为蓝色。要特别注意的一点是电源开关和保险丝要连接在火线上。

一般情况下，几百毫瓦的小功率激光灯或带塑料外壳的灯只需火线和零线即可，地线可有可无。但无论功率大小，一旦使用金属外罩，就一定要使用地线并如图所示进行连接。（按国际标准地线颜色通常为绿色。）

图中，我们使用两个独立的电源分别给振镜功放提供+24V和-24V电压，但也可以整合成一个单独的电源同时供给+24V和-24V，如浅灰色方框所示。无论分开还是整合，振镜功放的供电都由这里提供。和电源一样，可以把振镜两轴的功放独立开来，也可以整合为一个双轴功放，如图浅灰色方框所示。

图1最重要的部分是“中央接地点”。这是激光灯内部接线最重要的一个概念，也是很多人一开始不太明白的地方。基本上，激光灯内部任何需要接地的元件都需要以直接连接的方式连接到该“中央接地点”上。此连接图所示的连接方案叫“单点接地方案”，也叫“星型接地方案”。 “中央接地点”的位置应该靠近电源。

与图示的正负24V的链状连接不同，地线的连接（图示PG [Power Ground-电源接地端] ）需要更加周详的考虑，并且必须单独直连“中央接地点”。

当AC电源也使用地线时(图中绿线)，最简单的方法就是把它连接在“中央接地点”上。因为很多时候“中央接地点”最终都是通过“隐性接地”方式与光学板连接在一起的。若能完全排除“隐性接地”，那AC电源的地线应该直接连接激光灯外罩，而不是中央接地点。这种接法可以获得最佳效果，但是需要配合非常周密的元件布局设计，并且要非常小心避免出现“隐性接地”情况。详情请参考文章后面部分关于“隐性接地”的讨论和最后一页注解。

当AC电源无接地或AC电源的地线直接连接激光灯外罩并且完全没有“隐性接地”时，ILDA DB-25的第25针必须连接到“中央接地点”。

请注意，AC电源的地线与ILDA DB-25的第25针不能同时连接“中央接地点”，否则激光灯外部就会形成接地环路，产生不良后果。

为什么使用单点接地方案

图 2

要明白为什么单点接地方案是最佳方案，请看图2所示电源连接到单轴振镜功放时的情况。连接电源和振镜的每一根线都有一定的抗阻。举个简单的例子，假设每根线的电阻值是1欧，在激光束由于从投影区域的一边移向另一边而产生强力加速的过程中，振镜功放需要从电源瞬时获取较大峰值的电流，这种情况下峰值电流可达4安，如果电线的阻值是1欧，那么电源接地瞬时电压可达4伏！（下称“接地波动”）。如果这个“电源接地”信号通过链状连接到另一个振镜功放或者其他元件，那么其他元件也会瞬时遭受4伏电压的干扰，破坏了其它元件的信号完整性。

使用单点接地方案时，“接地波动”现象会仅局限于发生这个现象的元件本身（本例子中为振镜X轴功放），从而避免了“接地波动”对其他元件信号的破坏。因为振镜功放有差分输入，功放本身可以抵冲“接地波动”现象的影响，保持自身信号的完整性。

图例说明了为什么单点接地方案是内部元件连接的最佳方案。如果不用这种方案，图像往往会出现图3那样的扭曲和变形：

图 3

如图1所示，扫描失败监测器可以连接到振镜功放上。这往往应用于射向观众的光束表演激光灯，当然也推荐用于图形激光灯。大多数扫描失败监测器可以和振镜使用同一个电源。但无论如何，扫描失败监测器的地线必须直接连接到“中央接地点”上。
 

光源的供电接线

除了振镜部分供电接线，图1还包括光源接电部分。但是和振镜功放部分的连接不同，光源部分的接线图例更加倾向于一些概念性的指示。原因是，振镜一般都是高度标准化的部件，供电和接线基本一样，但光源本身却可能已经带有合为一体的电源和二极管驱动，或者每个光源本身使用了独立的电源和驱动，需要区别对待。

图中单个电源连接了三个固态激光二极管，但是实际情况中却可能只有一个光源，或者使用的是需要完整单独供电的气体离子光源。不管实际情况怎样，图中概念性地指示了怎样连接才能获得最佳效果。如果电源小到可以放进激光灯里，那么电源的地线和激光二极管驱动板的地线都应该独立连接到“中央接地点”。如果使用的是离子激光，那么会使用PCAOM对光束进行调制，这种情况你需要同时把PCAOM驱动板本身以及其电源分别直接连接到“中央接地点”上。
 

激光灯联锁装置(ISP标准的要求)

图1中你还可以看到光源电源串联着一个中继器。这个中继器用于辅助ILDA标准激光灯 “联锁（interlock）”功能的使用。按如图所示方式连接时，只有当联锁装置闭合时激光二极管驱动器（以及可选的光闸）才会被加电。

联锁装置为激光灯添加一层额外的安全保护，也是ISP标准的要求。联锁信号形成一个回路，从激光灯沿着信号线走到信号源（通常是一台电脑）然后返回激光灯。如果这个回路被中断，比如有人不小心把数据线绊掉了，此时激光灯不应该有光束输出。也可以在联锁回路上与ILDA数据线串联安装一个“红蘑菇”形状的开关按钮，方便操作人员按需中断激光输出。最后一点，因为ILDA标准接口是一个DB-25接口，而台式电脑的SCSI设备、打印机以及串行口用的也可能是DB-25接口，这样可能导致操作人员把数据线误插在这些接口上。SCSI、打印机或者串行DB-25接口会输出某些信号，这些信号可能导致激光无规则地输出光束。ISP标准要求使用联锁装置是为了避免激光灯由于错误连接到非激光信号源而输出光束。

虽然图示的联锁装置是一个中继器，用于给激光光源加电或者断电，但是联锁装置系统的实现不止一种方法，比如，你还可以通过在激光灯内部安装一个额外的光闸来实现。

ISP规格允许DB-25接头的针脚最大电压是25伏，最大电流是160毫安。所以联锁装置必须限定电流电压值不能超标。但是，我推荐你给联锁装置设定一个比标准值小得多的数值—比如5伏和5毫安。要实现这个目标可以使用电子中继器代替电机中继器。联锁信号可以使用其他方法实现以增加安全系数—比如，可以在第4针输出一个较小的正弦波信号，然后与第17针的电压值进行差分比较。

另外，可以在联锁系统内安装一个LED指示灯或其他指示装置来指示联锁装置的开启和禁用状态，方便操作员的判断和操作。在图中，我们可以看到一个LED灯连接到系统作为“激光输出指示灯”。

信号连接

图 4

现在我们开始探讨ILDA DB-25信号部分相关的连接，先从振镜功放开始。

ILDA DB-25连接器主要传递控制激光光束的动作（比如 X-Y扫描）、亮度和颜色（比如红绿蓝光等）的信号。DB-25还可以包含其他信号，比如上面谈到的联锁系统信号、光闸信号、以及用户自定义的其他信号。但是这篇文章我们只讨论与动作和颜色有关的信号以及与联锁装置和光闸相关的信号。

动作和颜色相关信号是按差分成对分配的。用于激光灯时，“差分”指的是激光灯通过减法运算计算两路信号的电平差异获得实际信号电平。例如，ILDA DB-25第1针输出X+信号，第14针输出X-信号。通常，当第1针从0V变化到+5V时第14针会从0V变化到-5V。此时可以通过减法运算得到实际电平信号，也就是：+5V减去–5V = +10V。就是说振镜X轴功放感应到的电压电平为+10V。

请注意我上面说的是“通常情况”。实际上不一定要严格要求X+和X-信号的绝对值相同。如果X+是+10V，X-是0V，那么实际电压也是+10V（+10V减去0V=+10V），此时X轴的位置相同。同理，当X+是+20V，X-是+10V的时候也会得到相同的结果(+20V减去+10V = +10V)。这是一个很重要的概念，因为ISP标准严格要求激光灯通过两个信号的差分值获得所有动作和颜色的实际信号值。动作和颜色信号绝对不允许假定接地参考（referenced to ground），在激光灯内部，动作和颜色信号也绝对不允许接地。

居于这个概念，我们把ILDA DB-25的第1针连接到振镜功放的X+输入，第14针连接到X-输入。

虽然图中没有标明，但安装一个逆变转换开关可能会带来便利。这个开关可以安装在X+和X-的信号通道中，需要的时候可以方便反转投影图像。

ILDA ISP标准阐明，当X输入有正差分信号时，光束应该向右移动。这为正面投影方案提供了一个正确的方向参考。对于背投方案，X轴的正负极应该调换，此时，“逆变转换开关”的使用可以让你轻松达到目的。此外，逆变转换开关的使用也能给双激光灯同时打向观众的场景应用带来便利。

对于Y轴，我们把第2针连接Y+输入，第15针连接Y-输入。

请注意，虽然振镜功放本身可能会有一个“信号接地端（Signal Ground）”（图中SG位置），但这并没有被连接。原因是如果这个被连接，就会破坏了前面谈到的“单点接地方案”。因为振镜功放有差分信号输入，ILDA DB-25信号的获取所需要的仅仅是这些差分信号。需要的接地仅仅是把“电源地线”接到“中央接地点”。

如果要使用扫描失败联锁装置（scan-fail interlock），那么该装置应该和振镜功放的X轴和Y轴的位置信号连接。但是，这里有一点要特别注意的是：你应该向制造商核实该扫描失败联锁装置本身是否带有位置信号差分输入。如果没有，那么该联锁装置就不能与振镜功放的“信号接地”或者“位置接地”部分相连接，因为一旦连接，“单点接地方案”就会遭到破坏。前面电源连接部分已经说过，扫描失败监测器本身已经有一条接地线与“中央接地点”连接。只有当扫描失败监测器本身带有差分输入时你才应该把它连接到振镜功放的接地部分。Pangolin的PASS（Professional Audience Safety System）安全系统本身带有位置信号差分输入，其他产品则大部分都没有。

扫描失败监测器也同样需要连接到光闸或者激光二极管驱动板上，但是连接方法取决于你具体使用的是哪种监测器。请联系制造商获得相关资料。

颜色信号和XY信号的连接完全一致，也是使用差分信号。ILDA DB-25第5针连接红光的“正极调制输入”，第18针连接“负极调制输入”；第6针连接绿光的“正极调制输入”，第19针连接“负极调制输入”；第7针连接蓝光的“正极调制输入”，第20针连接“负极调制输入”。

上面颜色信号的讨论及图示很容易让人误以为所有激光二极管驱动器都有差分信号输入，其实不然。例如，Laserwave(镭志威)和Visho（榜首）的激光二极管驱动器带差分信号输入，CNI和Melles Griot的即没有。另外，离子激光会用PCAOM进行颜色调制，这种情况下连接方法和上面所讨论的情况也一样。NEOS生产的PCAOM带差分输入，而A.A产的却没有。（总体来说，大部分振镜功放带差分信号输入，一些低端产品可能不带）。

由于ISP标准要求所有动作和颜色信号都要通过差分信号获取，这意味着如果你的振镜功放或者激光二极管驱动不带差分信号输入，就需要安装一个独立的差分接收器。一个简单的方法就是使用独立的运算放大器，如图5所示。一个运算放大器加上4个电阻可以用来接收X,Y,R,G或B的信号，然后生成一个“单终结”的信号连接到振镜功放或者二极管驱动器上。图中有两个输入和两个输出。一个输出是用来驱动元件的“单终结”信号，另一个是“接地参考”。 “接地参考”需要连接到振镜功放或者二极管驱动的“信号接地”输入端。之所以这样连接而不连接到其他接地部分是为了让这个电路板能够检测和防御“接地波动”。为了保持主体部分清晰明了，图中并没有给出运算放大器针脚图示以及供电连接。运算放大器的最低供电要求是+5V和-5V。

图 5 差分接收器
 
 

TTL调制和模拟(Analog)调制 (避免起火！)

ISP标准要求颜色信号为模拟信号，这样0V的时候不会有光输出，2.5V的时候输出功率达到标称功率的一半，5V的时候输出全功率。ISP标准也假定在激光灯与信号源断开的瞬间不应该有任何光输出（因为颜色信号的差分值为零）。

近来我留意到不少激光用的是TTL调制，而非模拟调制。TTL调制意味着激光灯要么全功率开启要么完全关闭。这不符合ISP标准。更糟糕的是，TTL调制会突然输入“浮动高电平”，就是说激光灯在断开信号源的刹那会输出全功率的无摆向光束。在最近一次的中国之行，我目睹了两次这样的情况，两家不同公司生产的激光灯在拔开信号线的刹那射出全功率静止的光束，当时直射在黑布上，黑布着火！

有一样东西要记住的：在某些情况下，激光灯可能会对人眼造成伤害或者引发火灾。激光灯的设计应该首先考虑安全问题。安全设计要考虑的其中一点是在联锁装置回路断开的时候要避免有光束输出，在激光不连接或者切断连接的时候也不应该有光输出。如果可以，尽量不要使用TTL调制。但是，如果一定要使用的话，至少应该安装一个差分接收器以迫使TTL激光输入瞬时“浮动低电平”而非“浮动高电平”以避免关闭时输出瞬时全功率光束。
 

光闸和DB-25的“共用”信号

ILDA DB-25第13针提供控制光闸的信号，但这是可选的，取决于当地法律对激光使用的要求。例如，对于固态光源的激光灯，由于激光二极管驱动本身可以快速完全切断光源，加上联锁装置的使用，光闸可以免掉。但是对于离子激光，即使用PCAOM调制，也需要使用光闸。总的来说，光闸可以为激光灯的使用提供一层额外的安全保护，使用这个装置还是很有必要的。

和动作与颜色信号不同，光闸信号不属于模拟信号。它本质是TTL信号，所以，光闸要么完全开启，要么完全关闭。当第13针和第25针的差分值约为5V时光闸完全开启。光闸信号不是一个真正的差分信号，因为它不需要抗干扰，这是由其TTL本质决定的。但是为了遵循规则，我们把它当作差分信号并与第25针配对校验差分值。

ILDA DB-25第25针被当作ILDA连接器的“共用”信号针脚。但是这个“共用”信号针脚不一定必须是“接地”信号针脚，因此大多数情况下激光灯内部并没有把这个信号“接地”。

因为光闸信号本质是TTL并且与第25针配对，接收此信号的一个好办法是使用光频隔离器。光频隔离器接收第13针和第25针的TTL电平信号并且允许把这两针的信号与其他元件隔离开来。
 

DB-25接头类型

ISP规格阐述了激光灯的DB-25接头应该为公头。但是我推荐在激光上同时安装公头和母头。这大大增加了信号源和激光灯系统连接的灵活性，同时也为多激光灯链状连接提供便利。
  

注意“隐性接地”

前面我们已经讨论了单点接地方案的好处。需要注意的一点是尽管我们很小心接线，还是会出现某些元件有隐性接地的情况，从而破坏了单点接地方案，产生蜘蛛网状接地电路。例如，当DPSS光源的金属外壳连接到激光二极管驱动器接地部分时就很容易产生这种情况。把DPSS光源的金属外壳直接用金属螺丝固定到激光灯主外罩的金属底座时就很容易产生隐性接地。所以，当组装激光灯时，你需要一个电阻表来分辨哪些部件有金属部分连接到了电路接地部分，哪些部件连接到了激光灯的底座或者其他导电部分。一旦这些部件被确认，就需要把他们从灯的底座分离开。我一般推荐使用不导电的间隔材料（如尼龙材料）垫在激光光源下面，把光源和底座之间的物理和电路部分绝然分开，避免隐性接地。振镜的金属外壳以及X-Y轴基座是另外一个容易产生隐性接地的地方，也应该跟激光系统外壳或接地点分隔开来。
 

其他可能需要的部件

除了上面所说的必需部件外，还可能需要按照实际情况安装其他部件。例如，美国以及其他一些国家要求安装一些与安全相关的部件，如“激光出光指示灯”、钥匙开关、外罩联动锁、外部联动锁、延时开关及手动重置系统等。“激光出光指示灯”前面说过了，下面说说其他部件。

• 激光灯需要一个“钥匙开关”是因为在错误环境或操作的情况下激光灯可能会导致危险。激光灯一般应该由受过专业训练的人操作。为了避免没有受过培训的人对激光进行操作，最好安装“钥匙开关”并且把钥匙交给专门操作员保管。

• 如果激光灯外罩较易被开启，那么应该安装“外罩联动锁”，当外罩被打开时激光会被自动关闭或者不能启动。最好使用两个弹簧开关，串联到上面讨论过的激光灯联锁装置回路上。使用两个而非一个可以进一步加强安全性。

• 有些国家要求激光灯上安装一个额外的连接器，叫“外部联动锁连接器”。电学上这个连接器只需要两个针，串联在总联锁装置回路上。触发激光灯在某一特定时间表演某一特定效果（比如锥状体）是该连接器的一个应用实例。比如当表演者站在某个特定的位置时要求激光射出一个圆锥体光束把表演者包围住。此应用可以这样实现：把外部联锁装置连接在一个“压力垫”上，当表演者站到压力垫上时就会触发激光灯射出圆锥体光束把表演者包围住。

• “延时装置”可以使激光灯在开启时需等待一定时间才出光，使得操作员在激光灯启动后还有充足的时间通知室内人员激光即将输出。延时装置可以使操作员和激光附近的人有足够时间在必要的时候做好防护措施。当然，这是居于激光会造成危害的一个假想。实际情况往往不会这样。不过，包括美国在内的部分国家还是要求激光灯必须带有延时装置。延时装置控制的延时时长一般为20到30秒。

• “手动重置”用于防止意外停电再来电后激光自动开启和出光。当停电再来电时，你必须使用手动重置才能使激光灯再次正常打开和出光。（一般是按某个按钮或者拧某个钥匙，取决于手动重置装置的安装和配置方法）。“手动重置”为激光提供了多一层安全保护。想想这样的情景：酒吧突然停电，然后所有人都离开了，到了深夜突然来电。此时如果激光自动打开并射出高聚焦的静止光束，若射在易燃物上就很容易引起火灾。居于此，一些国家要求激光必须带有手动重置装置。

钥匙开关、外罩联动锁以及外部联动锁都比较容易理解和安装。但是延时装置和手动重置可不是随便就能实现的，因为很多部件，如激光二极管驱动器等，都没有延时或者手动重置功能。大多数情况下，这两个功能都是由激光制造商额外添加功能模块电路实现的。

顺便提一下，Pangolin的专业观众安全系统(Professional Audience Safety System,简称PASS)不仅提供了颜色信号和位置信号的差分接收功能，还整合了延时和手动重置功能模块，所以，这个多用途的激光灯控制板可以帮助解决在组装激光灯过程中遇到的大部分难题。
 

总结

激光的最大特点是高可见性，你可以用它来进行震撼性的图形效果表演，也可以进行炫目的光束特效表演。激光有着其他光源所不具备的众多特性。保证激光灯内部接线的准确性不仅能最大限度保证输出激光图形的质量，还可以大大增强激光表演的安全性。

作者简介：

William R. Benner Jr. ，美国穿山甲激光系统有限公司（Pangolin Laser Systems, Inc.）总裁兼首席技术官，自1985年起活跃于激光演示业界。除了在Pangolin公司的任职之外，他还是ILDA董事会的成员以及ILDA技术委员会主席。Benner先生拥有众多发明专利，包括美国本土和国际性的。他曾获得美国前总统Ronald Reagan(罗纳德.里根)和佛罗里达州前州长Bob Graham的亲笔表扬信。

译注：

鉴于不同的英文术语在激光电路技术方面可能有着不同的中文对应术语或翻译，特于下列出可能另有他解的名词以及相关术语注释。未尽详情敬请对照英文原版理解或者发email到alex@pangolin进行探讨。

1. Phantom Ground：隐性接地，地回路，伪接地，仿真接地
这种接地一般是因为金属与金属之间的连接而可能间接接地但不被留意到，比较“隐蔽”，所以可称“隐性接地”。如果由于没有留意到这种隐性接地而再次连接到“中央接地点”形成第二次接地，会形成循环或者重复接地，导致信号干扰，所以也有人把这个术语广义理解为“地回路”。
2. scanner amplifier：振镜功放
3. single-point grounding scheme：单点接地方案
4. Ground Bounce：接地波动，地弹反射，地线波动
5. Optical Isolator：光频隔离器
6. interlock: 联锁装置，联动锁装置，联动装置，防中断装置，机箱防侵入系统
7. shutter: 光闸
8. referenced to ground: 接地参考
9. ground reference: 接地参考
10. scan-fail monitor ：扫描失败监测器
11. differential signal：差分信号
12. op-amp （operational amplifier）： 运算放大器
13. PASS：美国Pangolin激光系统有限公司出品的专业观众安全系统 Professional Audience Safety System的缩写。
14.Central Grounding Point：中央接地点；中心接地端；中控接地端