Как лазеры измеряют короткие расстояния (<1 см), когда электроника слишком медленная для работы во время полета?

Мне было интересно, как датчики LIDAR способны измерять расстояния менее 2 мм. Я не понимаю, как они могут это сделать.

Скорость света составляет 300 000 000 м / с, поэтому время прохождения сигнала туда и обратно должно быть в пределах 14 с, что намного превышает возможности современной электроники (> 71 ГГц).

Так как они это делают?

distance range-detector

— Рон Вайс
источник

Вот пример дизайна, который вы можете посмотреть: ti.com/lit/ug/tiduc73b/tiduc73b.pdf

— Джон Д

Вы недооцениваете возможности современной электроники. Есть время для цифровых преобразователей, которые предлагают разрешение 10 пс. Они основаны на кольцевых генераторах.

— Арсенал

Оба текущих ответа предполагают, что для измерения расстояния на короткие расстояния используется другая методика, но VL6180X и VL53L0X утверждают, что используют «прямое измерение TOF», поэтому, возможно, реальный ответ таков: это возможно с правильным оборудованием в небольшом пакете.

— AndreKR

Вам не нужен счетчик 100 ГГц для измерения 10ps. Немного аналоговой инженерии позволяет цифровое измерение периодов времени короче одного такта.

— Хоббс

Ответы:

На 2 мм время полета не используется. Интерферометрия есть. В отличие от времени пролета, которое может реально определять только расстояние (и скорость косвенно), интерферометрия может использоваться для измерения многих других свойств и имеет гораздо более высокую частоту дискретизации. Некоторые удивительные вещи были сделаны с использованием этого принципа, включая LIGO, или проверки влияния гравитации Земли на скорость фотонов, движущихся к поверхности Земли и от нее. Или подслушивать кого-то снаружи дома, измеряя вибрации чего-то в комнате.

Интерферометрия наиболее непосредственно измеряет скорость. Немного проще измерить расстояние.

Вы можете сами поиграть с этим довольно просто (если у вас есть осциллограф), используя технику самосмешивания, которая требует лазерного диода со встроенным контрольным диодом, в противном случае вам понадобится много дорогой оптики, которая затем сделает ее недоступной для вашего компьютера. типичный хобби

Это супер круто Тебе стоит попробовать это. Необходимые лазерные диоды со встроенным фотодиодом можно купить за несколько долларов (1/10 от обычной цены), если вы посмотрите на избыточные электронные магазины, такие как Jameco, а не на такие места, как Mouser или Digikey. Просто проверьте таблицу данных, чтобы убедиться, что внутри находится фотодиод. Вам также не нужен лазерный модуль, который уже может быть подключен для контроля фотодиода для поддержания постоянной оптической мощности, поскольку вам необходим доступ к лазерному диоду.

Демонстрация видео Layman: https://www.youtube.com/watch?v=MUdro-6u2Zg

Документ, который имеет больше смысла после просмотра видео, если вы еще не в курсе: http://sci-hub.tw/http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1464-4258/ 4/6/371 / pdf, которую также можно прочитать на semanticscholar.org и которую можно найти здесь . Giuliani et al. J. Опт. A: Чистое приложение Оптик 4 (2002) S283 – S294

— DKNguyen
источник

jameco.com/z/...

— DKNguyen

Даже интерферометр Майкельсона может быть построен из мусора - наполовину посеребренное зеркало от DVD-привода, пара нормальных зеркал, лазерная указка и увеличительное стекло, чтобы лучше видеть дифракционную картину. Вам просто нужно много терпения, чтобы выровнять все, и немного удачи с длиной когерентности лазера. Я мог видеть цикл паттерна от очень легкого прикосновения к столу.

— Jms

К сожалению, я имел в виду интерференционную картину. Если вы готовы потратить больше денег и усилий для достижения лучших результатов, вы можете купить более крупное наполовину посеребренное зеркало, ретрорефлекторы с угловым кубом (намного более легкое выравнивание) и лазер с известными характеристиками, например, от ebay. Возможно, 3D-печать означает их.

— Jms

можно упомянуть OCT en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography, которая расширяет этот принцип ультразвуковым методом, часто для медицинской визуализации. Очень круто.

— Эван Бенн

Только точка данных: характерный вид зеркального отражения, который вы получаете, когда ЛАЗЕР светит на поверхность, вызван самовмешательством многократных отражений луча от неровной поверхности, что приводит к немного отличающимся длинам пути.

— Рассел МакМэхон

Хотя в этом ответе говорится «интерферометры», они учитывают только полосы, но не измеряют абсолютные расстояния. Вы можете что-то переместить, сосчитать полосы и их доли, сказать «оно сместилось на 42 длины волны», проверить давление и влажность воздуха, а также оценить текущую длину волны в воздухе, но вы не можете использовать одно, чтобы сказать, что оно переместилось с 2 мм на 2 мм плюс 42 длины волны.

Существуют интерферометры с двумя длинами волн, которые могут попытаться устранить эту неоднозначность, но часто бывают и другие неоднозначности.

При измерении расстояний от миллиметра до метра или около того с помощью лазера часто используется лазерный датчик смещения . Эта ссылка и три ссылки ниже объясняют принцип.

Лазерный луч обеспечивает коллимированный луч света, и чистота длины волны не имеет первостепенного значения, за исключением того, что вы можете использовать фильтр для блокирования сильного окружающего света. Он проецирует точку размером примерно 1 мм на вашу цель на широком диапазоне расстояний и использует визуализирующую линзу и 1D или 2D датчик изображения, видимый со смещения от луча.

Лазер часто пульсирует, и пары «включенных» и «выключенных» изображений могут быть вычтены для дальнейшего усиления лазерного пятна относительно помех на изображении.

Смещение по датчику соответствует смещению вдали от блока. Как только он будет тщательно обнулен, вы можете отключить его, а затем измерить абсолютное расстояние до другого объекта, даже если нет движения. Это гораздо удобнее, чем подсчет полос с помощью интерферометра, где вы всегда должны начинать с нуля, а затем мытье до конца до конечной позиции, подсчитывая полосы по пути.

В этом комментарии упоминается когерентная томография, и это еще одно бесконтактное оптическое измерение абсолютного расстояния. Но обычно он не использует лазеры.

Источник

Источник и Источник

— UHOH
источник

Я на самом деле работаю в месте, где делают оборудование для нанопозиционирования. В некоторых случаях, когда лазер и мишень более ограничены, обычно используется емкостный датчик положения, чтобы получить начальное показание положения для расстояния между ними, которое достаточно точно для отслеживания даже УФ-света при 400 нм. Или механически расположить что-то на выбранном расстоянии (наши вещи легко точны при разрешении ниже нанометра). Тогда, как правило, ваша электроника интерферометра делается достаточно быстрой, чтобы отслеживать движение цели, чтобы вы не получили «бахромой прыжок», скорость торговли против шума.

— Грэм

@ Грэм, это круто! Вы можете добавить еще один ответ и расширить его, поскольку в этом сценарии используются лазеры. Таким образом, измерения емкости достаточно для разрешения до ближайшего края, и интерферометрия делает его «легко точным при разрешении ниже нанометра»?

— ухх

Спасибо! Я не думаю, что сам по себе отдельный ответ заслуживает отдельного ответа, поскольку вы гораздо лучше рассмотрели основную проблему, а версия для чистого лазера представляет собой аккуратный набор. Просто отмечен как еще один способ снятия шкур с этой конкретной кошки.

— Грэм

Не могли бы вы прочитать статью 3.1, на которую я ссылался в своем ответе? Кажется, можно сказать, что не однозначное измерение смещения возможно. Также последний абзац на странице 287 (или 5 из 13). Кажется, это возможно только при самосмешивании, но я не совсем понимаю, почему.

— DKNguyen

@DKNguyen Неоднозначность, которая разрешается с помощью квадратурного обнаружения (синус и косинус) - это направление смещения. Если вы просто считаете полосы, вы не всегда можете определить, увеличиваете или уменьшаете расстояние. Это, кажется, не говорит о двусмысленности, связанной с "где ноль?" Это только позволяет вам быть уверенным в том, стоит ли считать в обратном или обратном порядке в любое время.

— ухо