Wie messen Laser kurze Entfernungen (<1 cm), wenn die Elektronik für die Flugzeit zu langsam ist?

Ich habe mich gefragt, wie LIDAR-Sensoren Entfernungen von weniger als 2 mm messen können. Ich verstehe nicht, wie sie das machen können.

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt 300.000.000 m / s, daher sollte die Umlaufzeit innerhalb von 14 ps liegen, was weit über den Möglichkeiten moderner Elektronik (> 71 GHz) liegt.

Wie machen sie das?

distance range-detector

— Ron Vais
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Hier ist ein Beispieldesign, das Sie ansehen können: ti.com/lit/ug/tiduc73b/tiduc73b.pdf

— John D

Sie unterschätzen die Leistungsfähigkeit moderner Elektronik. Es stehen Digitalwandler zur Verfügung, die Auflösungen von 10 ps bieten. Diese basieren auf Ringoszillatoren.

— Arsenal

Beide aktuellen Antworten legen nahe, dass für die Nahbereichsmessung eine andere Technik verwendet wird. Der VL6180X und der VL53L0X behaupten jedoch, die "direkte TOF-Messung" zu verwenden.

— AndreKR

Sie benötigen keinen 100-GHz-Zähler, um 10ps zu messen. Ein wenig analoges Engineering ermöglicht die digitale Messung von Zeiträumen, die kürzer als ein Taktzyklus sind.

— Hobbs

Antworten:

Bei 2 mm wird die Flugzeit nicht verwendet. Interferometrie ist. Im Gegensatz zur Flugzeit, die nur die Entfernung (und die Geschwindigkeit indirekt) wirklich bestimmen kann, kann die Interferometrie zur Messung vieler anderer Eigenschaften verwendet werden und weist eine viel höhere Abtastrate auf. Unter Verwendung dieses Prinzips wurden einige erstaunliche Dinge getan, darunter LIGO oder der Einfluss der Erdschwerkraft auf die Geschwindigkeit von Photonen, die sich auf die Erdoberfläche zu und von dieser weg bewegen. Oder jemanden von außerhalb des Hauses belauschen, indem Sie die Schwingungen von etwas im Raum messen.

Die Interferometrie misst die Geschwindigkeit am direktesten. Die Entfernungsmessung ist etwas unkomplizierter.

Sie können damit relativ einfach (sofern Sie ein Oszilloskop besitzen) mit der Selbstmischtechnik spielen, für die eine Laserdiode mit integrierter Monitordiode erforderlich ist. Andernfalls benötigen Sie eine Menge teurer Optiken, die für Sie unerreichbar sind typisch hobbiest.

Es ist super cool. Du solltest es versuchen. Die benötigten Laserdioden mit integrierter Fotodiode können für ein paar Dollar (1/10 des regulären Preises) gekauft werden, wenn Sie sich überzählige Elektronikgeschäfte wie Jameco und keine Orte wie Mouser oder Digikey ansehen. Überprüfen Sie auf jeden Fall das Datenblatt, um sicherzustellen, dass sich eine Fotodiode im Inneren befindet. Sie möchten auch kein Lasermodul, das möglicherweise bereits zur Überwachung der Fotodiode verdrahtet ist, um eine konstante optische Leistung aufrechtzuerhalten, da Sie Zugriff auf die Laserdiode benötigen.

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

Ein Artikel, der nach dem Anschauen des Videos viel sinnvoller ist, wenn Sie nicht bereits informiert sind: http://sci-hub.tw/http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1464-4258/ 4/6/371 / pdf, das auch auf semanticscholar.org zu lesen ist und hier als Paywall hinterlegt ist . Giuliani et al. J. Opt. A: Reine Appl. Opt. 4 (2002) S283 – S294

— DKNguyen
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jameco.com/z/…

— DKNguyen

Sogar ein Michelson-Interferometer kann aus Müll gebaut werden - ein halb versilberter Spiegel aus einem DVD-Laufwerk, ein paar normale Spiegel, ein Laserpointer und eine Lupe, um das Beugungsmuster besser zu erkennen. Sie brauchen nur viel Geduld, um alles auszurichten, und ein bisschen Glück mit der Kohärenzlänge des Lasers. Ich konnte den Musterzyklus sehen, wenn ich den Tisch nur ganz leicht berührte.

— 29.

Hoppla, ich meinte Interferenzmuster. Wenn Sie bereit sind, mehr Geld und Mühe für bessere Ergebnisse zu investieren, können Sie einen größeren halbversilberten Spiegel, Eckwürfel-Retroreflektoren (viel einfachere Ausrichtung) und einen Laser mit bekannten Spezifikationen von z. B. ebay kaufen. Vielleicht steht 3D-Druck für sie.

— 29.

Erwähnen Sie vielleicht OCT en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography, das dieses Prinzip auf ultraschallähnliche Weise erweitert, häufig für die medizinische Bildgebung. Sehr cool.

— Evan Benn

Nur Datenpunkt: Das charakteristische Muster der Spiegelreflexion, das Sie erhalten, wenn ein LASER auf eine Oberfläche strahlt, beruht auf der Selbstinterferenz von Mehrfachreflexionen des Strahls von der unebenen Oberfläche, die zu geringfügig unterschiedlichen Weglängen führen.

— Russell McMahon

Während diese Antwort "Interferometer" besagt, zählen diese nur Streifen, messen aber keine absoluten Entfernungen. Sie können etwas bewegen und Ränder und Bruchteile davon zählen und sagen, dass es sich um 42 Wellenlängen bewegt, und Sie können den Luftdruck und die Luftfeuchtigkeit überprüfen und die aktuelle Wellenlänge in Luft abschätzen 2 mm plus 42 Wellenlängen.

Es gibt Interferometer mit zwei Wellenlängen, die versuchen können, diese Mehrdeutigkeit aufzulösen, aber es gibt oft andere Mehrdeutigkeiten.

Bei der Messung von Abständen von Millimetern bis zu einem Meter mit einem Laser wird häufig ein Laser-Wegsensor verwendet . Dieser Link und die drei folgenden Links erklären das Prinzip.

Der Laserstrahl liefert einen kollimierten Lichtstrahl, und die Reinheit der Wellenlänge ist nicht von primärer Bedeutung, außer dass Sie einen Filter verwenden können, um starkes Umgebungslicht zu blockieren. Es projiziert einen ungefähr 1-mm-Punkt auf Ihr Ziel in einem weiten Bereich von Entfernungen und verwendet ein Abbildungsobjektiv und einen 1D- oder 2D-Bildsensor, der von einer Position aus betrachtet wird, die vom Strahl versetzt ist.

Der Laser wird oft gepulst und es können Paare von "Ein" - und "Aus" -Bildern subtrahiert werden, um den Laserfleck in Bezug auf Bildstörungen weiter zu verbessern.

Die Verschiebung entlang des Sensors entspricht der Verschiebung vom Gerät weg. Sobald es sorgfältig auf Null gestellt wurde, können Sie es ausschalten und später den absoluten Abstand zu einem anderen Objekt messen, auch wenn keine Bewegung vorliegt. Dies ist viel praktischer als das Zählen von Streifen mit einem Interferometer, bei dem Sie immer bei Null beginnen und dann bis zu Ihrer endgültigen Position moooooooove müssen, wobei die Streifen auf dem gesamten Weg gezählt werden.

Dieser Kommentar erwähnt die Kohärenztomographie, und das ist eine weitere berührungslose, optische, absolute Entfernungsmessung. Im Allgemeinen werden jedoch keine Laser verwendet.

Quelle

Quelle und Quelle

— uhoh
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Eigentlich arbeite ich an einem Ort, an dem Nanopositioniergeräte hergestellt werden. Bei einigen Anwendungen, bei denen der Laser und das Ziel stärker eingeschränkt sind, wird häufig ein kapazitiver Positionssensor verwendet, um eine anfängliche Positionsablesung für den Abstand zwischen ihnen zu erhalten, die leicht genau genug ist, um sogar UV-Licht bei 400 nm zu verfolgen. Oder um etwas mechanisch in einer bestimmten Entfernung zu positionieren (unser Material ist unterhalb der Nanometerauflösung leicht genau). In der Regel wird Ihre Interferometerelektronik dann so schnell ausgeführt, dass die Bewegung des Ziels verfolgt wird, sodass kein "Rand-Hop" auftritt und Geschwindigkeit gegen Rauschen ausgetauscht wird.

— Graham

@ Abraham, das ist ziemlich cool! Sie könnten hier eine weitere Antwort hinzufügen und diese erweitern, da Laser als Teil dieses Szenarios verwendet werden. Die Kapazitätsmessung reicht also aus, um auf den nächsten Streifen aufzulösen, und die Interferometer-Genauigkeit macht sie "leicht unterhalb der Nanometer-Auflösung genau".

— uhoh

Vielen Dank! Ich denke nicht, dass es eine eigene Antwort wert ist, da Sie das Grundproblem viel besser behandelt haben und die reine Laserversion ein ordentliches Stück Bausatz ist. Nur als eine andere Art, diese bestimmte Katze zu häuten, erwähnt.

— Graham

Könnten Sie 3.1 des Artikels lesen, den ich in meiner Antwort verlinkt habe? Es scheint zu sagen, dass eine nicht mehrdeutige Verschiebungsmessung möglich ist. Auch der letzte Absatz auf Seite 287 (oder 5 von 13). Es scheint etwas zu sein, das nur mit Selbstmischen möglich ist, aber ich verstehe nicht wirklich warum.

— DKNguyen

@DKNguyen Die Mehrdeutigkeit, die mithilfe der Quadraturerkennung (Sinus und Cosinus) behoben wird, ist die Richtung der Verschiebung. Wenn Sie nur die Ränder zählen, können Sie nicht immer feststellen, ob Sie die Entfernung vergrößern oder verkleinern. Dies scheint nicht von Zweideutigkeiten zu sprechen, bei denen es um "Wo ist Null?" Geht. Sie können nur sicher sein, ob Sie zu irgendeinem Zeitpunkt auf- oder abwärts zählen sollten.

— uhoh