Jak lasery mierzą krótkie odległości (<1 cm), gdy elektronika jest zbyt wolna, aby zadziałał czas lotu?

50

Zastanawiałem się, w jaki sposób czujniki LIDAR są w stanie mierzyć odległości mniejsze niż 2 mm. Nie rozumiem, jak mogą to zrobić.

Prędkość światła wynosi 300 000 000 m / s, więc czas podróży w obie strony powinien wynosić 14 ps, co znacznie przekracza możliwości współczesnej elektroniki (> 71 GHz).

Jak oni to robią?

Ron Vais
źródło
Oto przykładowy projekt, który możesz obejrzeć: ti.com/lit/ug/tiduc73b/tiduc73b.pdf
John D
8
Nie doceniasz możliwości nowoczesnej elektroniki. Jest czas na cyfrowe konwertery, które oferują rozdzielczość 10 ps. Opierają się one na oscylatorach pierścieniowych.
Arsenał
5
Obie obecne odpowiedzi sugerują, że do pomiaru odległości w bliskiej odległości stosowana jest inna technika, ale VL6180X i VL53L0X twierdzą, że używają „bezpośredniego pomiaru TOF”, więc może prawdziwa odpowiedź brzmi: jest to możliwe przy odpowiednim sprzęcie w niewielkiej obudowie.
AndreKR
3
Nie potrzebujesz licznika 100 GHz do pomiaru 10ps. Trochę inżynierii analogowej pozwala na cyfrowy pomiar okresów krótszych niż jeden cykl zegara.
hobbs

Odpowiedzi:

43

Przy 2 mm czas lotu nie jest używany. Interferometria jest. W przeciwieństwie do czasu przelotu, który może jedynie pośrednio określać odległość (i prędkość), interferometria może być używana do pomiaru wielu innych właściwości i ma znacznie wyższą częstotliwość próbkowania. Przy pomocy tej zasady dokonano niesamowitych rzeczy, w tym LIGO, lub zweryfikowano wpływ grawitacji Ziemi na prędkość fotonów przemieszczających się w kierunku i od powierzchni Ziemi. Lub podsłuchiwanie kogoś spoza domu poprzez pomiar drgań czegoś w pokoju.

Interferometria najbardziej bezpośrednio mierzy prędkość. Pomiar odległości jest nieco mniej prosty.

Możesz grać z tym samemu dość prosto (o ile masz oscyloskop), stosując technikę samozmieszania, która wymaga diody laserowej ze zintegrowaną diodą monitorującą, w przeciwnym razie potrzebujesz dużo drogiej optyki, która następnie stawia ją poza zasięgiem twojego typowy hobbysta.

To jest super fajne. Powinieneś spróbować. Wymagane diody laserowe ze zintegrowaną fotodiodą można kupić za kilka dolarów (1/10 normalnej ceny), jeśli spojrzysz na nadwyżki sklepów elektronicznych takich jak Jameco, a nie na miejsca takie jak Mouser czy Digikey. Wystarczy sprawdzić arkusz danych, aby upewnić się, że w środku znajduje się fotodioda. Nie chcesz również, aby moduł laserowy, który mógł być już podłączony do monitorowania fotodiody, utrzymywał stałą moc optyczną, ponieważ potrzebujesz dostępu do diody laserowej.

Demonstracja wideo dla laika: https://www.youtube.com/watch?v=MUdro-6u2Zg

Artykuł, który ma o wiele większy sens po obejrzeniu filmu, jeśli jeszcze nie wiesz: http://sci-hub.tw/http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1464-4258/ 4/6/371 / pdf, który można również przeczytać na stronie semanticscholar.org i jest on tutaj dostępny . Giuliani i in. J. Opt. Odp .: Pure Appl. Optować. 4 (2002) S283 – S294

DKNguyen
źródło
jameco.com/z/…
DKNguyen
11
Nawet interferometr Michelsona można zbudować z tego, co stanowi śmieci - półsrebrzyste lustro z napędu DVD, kilka normalnych lusterek, wskaźnik laserowy i szkło powiększające, aby lepiej zobaczyć wzór dyfrakcji. Potrzebujesz dużo cierpliwości, aby wszystko wyrównać, i odrobiny szczęścia z długością koherencji lasera. Widziałem cykl wzoru po bardzo delikatnym dotknięciu stołu.
jms
3
Ups, miałem na myśli wzór interferencji. Jeśli chcesz zainwestować więcej pieniędzy i starać się o lepsze wyniki, możesz kupić większe półsrebro zwierciadło, retroreflektory z narożnymi kostkami (znacznie łatwiejsze ustawienie) i laser o znanych specyfikacjach, np. Z eBay. Być może oznacza ich druk 3D.
jms
może wspomnieć OCT en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography, która rozszerza tę zasadę w sposób ultradźwiękowy, często do obrazowania medycznego. Bardzo fajny.
Evan Benn
1
Tylko punkt danych: charakterystyczny wzór odbicia lustrzanego, który pojawia się, gdy LASER świeci na powierzchni, wynika z samozakłócania się wielokrotnych odbić wiązki od nierównej powierzchni, co skutkuje nieznacznie różnymi długościami ścieżek.
Russell McMahon
24

Podczas gdy ta odpowiedź mówi „interferometry”, te liczą tylko prążki, nie mierzą odległości bezwzględnych. Możesz coś przesunąć, policzyć frędzle i ich frakcje i powiedzieć „porusza się o 42 długości fali” i sprawdzić ciśnienie powietrza i wilgotność oraz oszacować aktualną długość fali w powietrzu, ale nie możesz użyć jednego, aby powiedzieć, że przesunął się z 2 mm na 2 mm plus 42 długości fali.

Istnieją interferometry o podwójnej długości fali, które mogą próbować rozwiązać tę niejednoznaczność, ale często występują inne niejasności.

Podczas pomiaru odległości od milimetrów do metra za pomocą lasera często stosuje się laserowy czujnik przemieszczenia . Ten link i trzy poniższe linki wyjaśniają zasadę.

Wiązka laserowa zapewnia skolimowaną wiązkę światła, a czystość długości fali nie ma podstawowego znaczenia, z wyjątkiem tego, że można użyć filtra do blokowania silnego światła otoczenia. Wyświetla punkt około 1 mm na twoim celu w szerokim zakresie odległości i wykorzystuje soczewkę obrazującą oraz czujnik obrazu 1D lub 2D z odległości przesuniętej od wiązki.

Laser jest często pulsowany, a pary obrazów „włącz” i „wyłącz” można odjąć, aby dodatkowo poprawić plamkę lasera w stosunku do zakłóceń obrazu.

Przemieszczenie wzdłuż czujnika odpowiada przesunięciu od urządzenia. Po dokładnym wyzerowaniu można go wyłączyć, a następnie zmierzyć bezwzględną odległość do innego obiektu, nawet jeśli nie ma ruchu. Jest to o wiele bardziej przydatne niż liczenie prążków za pomocą interferometru, w którym zawsze trzeba zaczynać od zera, a następnie przesuwać się aż do końcowej pozycji, licząc prążki przez całą drogę.

W komentarzu wspomniano o tomografii koherencyjnej i jest to kolejny bezdotykowy, optyczny, absolutny pomiar odległości. Ale ogólnie nie używa laserów.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Źródło

wprowadź opis zdjęcia tutaj wprowadź opis zdjęcia tutaj

Źródło i źródło

O o
źródło
7
Właściwie pracuję w miejscu produkującym sprzęt do nanopozycjonowania. W niektórych zastosowaniach, w których laser i cel są bardziej ograniczone, często stosuje się pojemnościowy czujnik położenia, który zapewnia początkowy odczyt położenia dla odległości między nimi, która jest wystarczająco łatwa do śledzenia nawet światła UV przy 400 nm. Lub pozycjonować coś mechanicznie w wybranej odległości (nasze rzeczy są łatwo dokładne poniżej rozdzielczości nanometrycznej). Wtedy zazwyczaj elektronika interferometru jest wystarczająco szybka, aby śledzić ruch celu, aby nie uzyskać „skoku na marginesie”, który handlowałby prędkością z hałasem.
Graham
2
@Graham to całkiem fajne! Możesz rozważyć dodanie tutaj innej odpowiedzi i rozwinięcie jej, ponieważ lasery są używane w ramach tego scenariusza. Czyli pomiar pojemności wystarczy, aby rozwiązać do najbliższego skraju, a interferometria sprawia, że ​​„jest łatwo dokładny poniżej rozdzielczości nanometrowej”?
uhoh
1
Dzięki! Nie sądzę, aby warto było osobno odpowiedzieć osobno, ponieważ znacznie lepiej poradziłeś sobie z podstawową kwestią, a wersja czysto laserowa jest zgrabnym zestawem. Zauważyłem, że to kolejny sposób na skórowanie tego konkretnego kota.
Graham
Czy mógłbyś przeczytać 3.1 z artykułu, który zamieściłem w mojej odpowiedzi? Wydaje się, że można powiedzieć, że możliwy jest niejednoznaczny pomiar przemieszczenia. Również ostatni akapit na stronie 287 (lub 5 z 13). Wydaje się, że jest to możliwe tylko w przypadku miksowania, ale tak naprawdę nie rozumiem dlaczego.
DKNguyen
2
@DKNguyen Dwuznaczność, którą można rozwiązać za pomocą wykrywania kwadratury (sinus i cosinus), to kierunek przemieszczenia. Jeśli policzysz tylko frędzle, nie zawsze możesz stwierdzić, czy zwiększasz, czy zmniejszasz dystans. To nie wydaje się mówić o dwuznacznościach dotyczących „gdzie jest zero?” Pozwala tylko mieć pewność, czy w danym momencie powinieneś liczyć się w górę, czy w dół.
uhoh