Bagaimana laser mengukur jarak pendek (<1cm) ketika elektronik terlalu lambat untuk waktu penerbangan untuk bekerja?

Saya bertanya-tanya bagaimana sensor LIDAR dapat mengukur jarak kurang dari 2mm. Saya tidak melihat bagaimana mereka bisa melakukan itu.

Kecepatan cahaya adalah 300.000.000 m / s, sehingga waktu bolak-balik harus dalam 14ps yang jauh melampaui kemampuan elektronik modern (> 71 GHz).

Jadi bagaimana mereka melakukannya?

distance range-detector

— Ron Vais
sumber

Berikut contoh desain yang dapat Anda lihat: ti.com/lit/ug/tiduc73b/tiduc73b.pdf

— John D

Anda meremehkan kemampuan elektronik modern. Ada waktu untuk konverter digital yang tersedia yang menawarkan resolusi 10 ps. Ini didasarkan pada osilator cincin.

— Arsenal

Kedua jawaban saat ini menunjukkan bahwa teknik yang berbeda digunakan untuk pengukuran jarak pendek, tetapi VL6180X dan VL53L0X mengklaim untuk menggunakan "pengukuran TOF langsung" jadi mungkin jawaban sebenarnya adalah: Mungkin dengan perangkat keras yang tepat dalam paket kecil.

— AndreKR

Anda tidak memerlukan penghitung 100GHz untuk mengukur 10ps. Sedikit rekayasa analog memungkinkan pengukuran digital periode waktu lebih pendek dari satu siklus clock.

— hobbs

Jawaban:

Pada 2mm, waktu penerbangan tidak digunakan. Interferometri adalah. Tidak seperti waktu penerbangan yang hanya dapat benar-benar menentukan jarak (dan kecepatan secara tidak langsung), interferometri dapat digunakan untuk mengukur banyak properti lain dan memiliki laju pengambilan sampel yang jauh lebih tinggi. Beberapa hal menakjubkan telah dilakukan dengan menggunakan prinsip ini termasuk LIGO atau memverifikasi pengaruh gravitasi bumi pada kecepatan foton yang bergerak menuju dan menjauh dari permukaan bumi. Atau menguping seseorang dari luar rumah dengan mengukur getaran sesuatu di ruangan itu.

Interferometri paling langsung mengukur kecepatan. Ini agak kurang mudah untuk mengukur jarak.

Anda dapat bermain sendiri dengan cukup sederhana (selama Anda memiliki osiloskop) menggunakan teknik pencampuran sendiri yang memerlukan dioda laser dengan dioda monitor terintegrasi, jika tidak, Anda memerlukan banyak optik mahal yang kemudian membuatnya jauh dari jangkauan Anda. hobbiest khas.

Sangat keren. Kamu harus mencobanya. Dioda laser yang diperlukan dengan fotodioda terintegrasi dapat dibeli dengan harga beberapa dolar (1/10 dari harga reguler) jika Anda melihat toko-toko elektronik berlebih seperti Jameco, daripada tempat-tempat seperti Mouser atau Digikey. Pastikan untuk memeriksa lembar data untuk memastikan bahwa ada fotodioda di dalamnya. Anda juga tidak ingin modul laser yang mungkin sudah dipasangkan untuk memantau fotodioda untuk mempertahankan daya optik konstan karena Anda memerlukan akses ke dioda laser.

Demonstrasi video orang awam: https://www.youtube.com/watch?v=MUdro-6u2Zg

Sebuah makalah yang jauh lebih masuk akal setelah menonton video jika Anda belum tahu: http://sci-hub.tw/http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1464-4258/ 4/6/371 / pdf yang juga dapat dibaca di semanticscholar.org dan berbayar di sini . Giuliani et al. J. Opt. A: Appl Murni. Memilih. 4 (2002) S283 – S294

— DKNguyen
sumber

jameco.com/z/…

— DKNguyen

Bahkan interferometer michelson dapat dibangun dari apa yang jumlahnya menjadi sampah - cermin setengah perak dari drive DVD, beberapa cermin normal, laser pointer dan kaca pembesar untuk lebih melihat pola difraksi. Anda hanya perlu banyak kesabaran menyelaraskan segalanya, dan sedikit keberuntungan dengan panjang laser yang koherensi. Saya bisa melihat siklus pola hanya dari sedikit menyentuh meja.

— Jms

Ups, maksudku pola interferensi. Jika Anda bersedia memasukkan lebih banyak uang dan upaya untuk hasil yang lebih baik, Anda dapat membeli cermin setengah perak yang lebih besar, reflektor kubus sudut (penyelarasan kubus yang lebih mudah) dan laser dengan spesifikasi yang diketahui dari misalnya ebay. Mungkin cetak 3D adalah kependekan dari mereka.

— Jms

mungkin menyebutkan OCT en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography yang memperluas prinsip ini dengan cara seperti ultrasonografi, seringkali untuk pencitraan medis. Sangat keren.

— Evan Benn

Hanya titik data: Derai pantulan specular karakteristik yang Anda dapatkan ketika LASER bersinar pada permukaan adalah karena campur tangan sendiri dari beberapa pantulan sinar dari permukaan yang tidak rata yang menghasilkan panjang lintasan yang sedikit berbeda.

— Russell McMahon

Sementara jawaban ini mengatakan "interferometer", itu hanya menghitung pinggiran, mereka tidak mengukur jarak absolut. Anda dapat memindahkan sesuatu dan menghitung pinggiran dan pecahannya dan mengatakan "itu digerakkan oleh panjang gelombang 42" dan memeriksa tekanan udara dan kelembaban dan untuk memperkirakan panjang gelombang saat ini di udara, tetapi Anda tidak dapat menggunakan satu untuk mengatakan itu bergerak dari 2 mm ke 2 mm plus 42 panjang gelombang.

Ada interferometer panjang gelombang ganda yang dapat mencoba untuk menyelesaikan ambiguitas ini tetapi seringkali ada ambiguitas lain.

Ketika mengukur jarak milimeter ke satu meter atau lebih menggunakan laser, yang sering digunakan adalah Laser Displacement Sensor . Tautan itu dan ketiga tautan di bawah ini semuanya menjelaskan prinsip tersebut.

Sinar laser memberikan sinar cahaya terkolimasi dan kemurnian panjang gelombang tidak terlalu penting kecuali bahwa Anda dapat menggunakan filter untuk memblokir cahaya sekitar yang kuat. Ini memproyeksikan kira-kira 1 mm pada target Anda pada jarak yang luas, dan menggunakan lensa pencitraan dan 1D atau sensor gambar 2D yang dilihat dari posisi offset dari pancaran.

Laser sering berdenyut dan pasangan "on" dan "off" gambar dapat dikurangi untuk lebih meningkatkan titik laser relatif terhadap kekacauan gambar.

Perpindahan sepanjang sensor sesuai dengan perpindahan dari unit. Setelah itu memusatkan perhatian dengan hati-hati, Anda dapat mematikannya, dan kemudian mengukur jarak absolut ke objek lain, bahkan jika tidak ada gerakan. Ini jauh lebih praktis daripada menghitung pinggiran dengan interferometer, di mana Anda harus selalu mulai dari nol dan kemudian moooooooove semua jalan keluar ke posisi akhir Anda, menghitung pinggiran di sepanjang jalan.

Komentar ini menyebutkan tomografi koherensi, dan itu adalah pengukuran jarak absolut non-kontak, optik lainnya. Tetapi umumnya tidak menggunakan laser.

Sumber

Sumber dan Sumber

— uh oh
sumber

Saya benar-benar bekerja di suatu tempat membuat peralatan nanopositioning. Untuk beberapa aplikasi di mana laser dan target lebih dibatasi, biasanya menggunakan sensor posisi kapasitif untuk memberikan pembacaan posisi awal untuk jarak di antara mereka, yang cukup akurat untuk melacak bahkan cahaya UV pada 400nm. Atau memposisikan sesuatu secara mekanis pada jarak yang dipilih (barang-barang kami mudah akurat di bawah resolusi nanometer). Maka biasanya elektronik interferometer Anda dibuat cukup cepat untuk melacak pergerakan target sehingga Anda tidak mendapatkan "fringe hop", kecepatan perdagangan melawan kebisingan.

— Graham

@ Bahr, itu keren sekali! Anda dapat mempertimbangkan untuk menambahkan jawaban lain di sini dan memperluasnya, karena laser digunakan sebagai bagian dari skenario itu. Jadi pengukuran kapasitansi cukup untuk menyelesaikan ke pinggiran terdekat dan interferometri adalah apa yang membuatnya "mudah akurat di bawah resolusi nanometer"?

— uhoh

Terima kasih! Saya tidak berpikir itu bernilai jawaban terpisah sendiri, karena Anda telah membahas masalah dasar jauh lebih baik, dan versi laser murni adalah sedikit kit yang rapi. Hanya dicatat sebagai cara lain menguliti kucing itu.

— Graham

Bisakah Anda membaca 3,1 makalah yang saya tautkan dalam jawaban saya? Tampaknya mengatakan bahwa pengukuran perpindahan non-ambigu adalah mungkin. Juga paragraf terakhir di halaman 287 (atau 5 dari 13). Tampaknya menjadi sesuatu yang hanya mungkin dilakukan dengan mencampur sendiri tetapi saya tidak begitu mengerti mengapa.

— DKNguyen

@DKNguyen Ambiguitas yang diselesaikan dengan menggunakan deteksi quadrature (sinus dan kosinus) adalah arah perpindahan. Jika Anda hanya menghitung pinggiran, Anda tidak selalu dapat mengetahui apakah Anda menambah atau mengurangi jarak. Ini sepertinya tidak berbicara tentang ambiguitas yang melibatkan "di mana nol?" Ini hanya memungkinkan Anda untuk memastikan apakah Anda harus menghitung mundur atau menghitung mundur kapan saja.

— uhoh