基于RP2040做一个空心时钟的升级版本——折射投影时钟

这个项目是对之前大家都比较感兴趣的shiura的空心时钟项目的改造，使用折射透镜将时钟表面投影到了墙上。





最初，我只想把时钟放在窗户旁边，让阳光穿过透镜，但最后还是制作了一个使用RGB LED的小型投影仪，可以放在时钟前面，这样晚上也能看到投影图像。



材料


时钟材料（类似于空心时钟V的零件清单）：

• 28BYJ-48 5V步进电机
• RP2040-zero微控制器
• 3个8x3mm钕磁铁
  

LED投影仪材料（使用手头现有的零件）：

• WS2812B LED灯条
• 30°塑料透镜（用于5050 SMD LED）
• Arduino Nano
• 3V至5V升压转换器
• 滑动开关
• TP4056充电模块
• 500mAh锂聚合物电池
  

工具：

• 3D打印机
• 烙铁
  

透镜是通过SLA打印制作的，我使用了在线打印服务。


步骤1：折射透镜设计


计算能够投影随机图像的折射透镜表面是一项复杂的任务。目前最为先进的算法可能来自EPFL（洛桑联邦理工学院）的研究人员。幸运的是，我发现了Matt Ferraro的GitHub仓库，他使用稍有不同的算法也能完成这项工作。

我对他的代码做了一些小修改（详见我的GitHub:https://github.com/vonsivers/CausticClock），以便能够尝试不同的焦距和折射率。这段代码会生成一个obj文件，之后我在Fusion360中对其进行编辑，将方形透镜改为圆形，并将文件导出为stl格式。

那么，如何确定你创建的透镜真的能投射出你想要的图像呢？为了验证这一点，我使用了Blender中的LuxCore Render进行光线追踪模拟。在光线追踪模拟中看到正确投影的图像，非常不错。


步骤2：折射透镜制造






我发现的大多数折射透镜都是通过精密CNC加工透明亚克力制成的，但我想尝试SLA打印。我使用了在线打印服务，得到的第一批透镜透明度很好，但投影图像无法识别。我认为表面高度的变化对SLA打印机的分辨率来说太小了，所以考虑了转向CNC加工。

然而，我无法从obj文件生成可用于任何在线CNC服务的step文件。原因可能是obj文件中的面数太多，所以我又进行了几次SLA打印迭代，逐步降低焦距，因为这会增加折射透镜表面高度的差异。我还将图像的细节从最初的12个数字减少到只有4个较大的数字作为时钟表面。最后，在3D打印上花费了数百欧元后，我得到了一个可用的透镜，这是我从Wenext订购的，由Somos® WaterShed XC 1112材料制成。这个透镜的设计焦距只有3厘米，所以我们必须非常靠近墙壁才能获得清晰的图像，尽管实际焦距大约是10厘米。

使用CNC加工应该可以获得更大焦距的透镜。SLA打印的优势在于几乎不需要后期处理。据我所知，这些部件只需要喷涂，而CNC加工的透镜则需要多个步骤的手工抛光。


步骤3：3D打印时钟部件


我不得不稍微修改空心时钟的stl文件，以便能够嵌入透镜，这个透镜只是简单地添加到时钟的背面。所有文件都可以在GitHub:https://github.com/vonsivers/CausticClock上找到。在打印这些文件时，请按照shiura提供的原始说明:https://www.instructables.com/Hollow-Clock-V/进行颜色更换。


步骤4：组装时钟
同样，遵循shiura关于如何组装时钟、连接电子元件和上传代码到微控制器的详细说明。


步骤5：制作LED投影仪（可选）






如前所述，在完成时钟后，我决定做一个小型RGB灯来照明。这里使用的零件是基于我手头现有的材料，可能有更简单的制作方法。特别是微控制器的选择并不理想，如果我要从头开始做，我会选择带LiPo背板的Adafruit ItsyBitsy。市面上也有循环变色的5毫米RGB LED，使用它们就不需要任何微控制器，但我发现它们的亮度太低。

对于我的这个投影仪，我将一个从LED灯带上取下的WS2812B LED、一块Arduino Nano、一个3V转5V升压转换器、一个TP4056充电模块和一个滑动开关焊接在一起。电源由一个小型500mAh锂聚合物电池提供。我在LED上方放置了一个30度的塑料透镜。然后，设计并3D打印了一个小型外壳（stl文件在我的GitHub上），用热熔胶将所有组件固定在里面。

GitHub仓库：https://github.com/vonsivers/CausticClock


步骤6：结语


感谢shiura的空心时钟项目给我的启发。

折射透镜很有趣，我还有一些改进项目的想法。不过在这之前，我首先需要找出一些便宜且可靠的制造方法，特别是对于更大焦距的透镜。

大家有想法也欢迎在评论区交流！

原文地址：https://www.instructables.com/Caustic-Clock/

项目作者：mosivers

译文首发于：DF创客社区

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