In che modo i laser misurano le brevi distanze (<1 cm) quando l'elettronica è troppo lenta per il funzionamento del tempo di volo?

Mi chiedevo come i sensori LIDAR sono in grado di misurare distanze inferiori a 2 mm. Non vedo come possano farlo.

La velocità della luce è di 300.000.000 m / s, quindi il tempo di andata e ritorno dovrebbe essere entro 14ps, che è molto al di là delle capacità dei moderni dispositivi elettronici (> 71 GHz).

Quindi come lo fanno?

distance range-detector

— Ron Vais
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Ecco un esempio di design che puoi consultare: ti.com/lit/ug/tiduc73b/tiduc73b.pdf

— John D

Stai sottovalutando le capacità dell'elettronica moderna. Sono disponibili convertitori digitali di tempo che offrono risoluzioni di 10 ps. Questi sono basati su oscillatori ad anello.

— Arsenal,

Entrambe le risposte attuali suggeriscono che viene utilizzata una tecnica diversa per la misurazione della distanza a corto raggio, ma VL6180X e VL53L0X affermano di utilizzare la "misurazione diretta TOF", quindi forse la vera risposta è: è possibile con l'hardware giusto in un piccolo pacchetto.

— AndreKR,

Non è necessario un contatore da 100 GHz per misurare 10ps. Un po 'di ingegneria analogica consente la misurazione digitale di periodi di tempo inferiori a un ciclo di clock.

— Hobbs

Risposte:

A 2 mm, il tempo di volo non viene utilizzato. L'interferometria è. A differenza del tempo di volo che può solo determinare la distanza (e la velocità indirettamente), l'interferometria può essere utilizzata per misurare molte altre proprietà e ha una frequenza di campionamento molto più elevata. Alcune cose incredibili sono state fatte usando questo principio incluso LIGO o verificare l'influenza della gravità terrestre sulla velocità dei fotoni che viaggiano verso e lontano dalla superficie terrestre. O intercettare qualcuno dall'esterno della casa misurando le vibrazioni di qualcosa nella stanza.

L'interferometria misura più direttamente la velocità. Misurare la distanza è un po 'meno semplice.

Puoi giocarci da solo abbastanza semplicemente (purché tu abbia un oscilloscopio) usando la tecnica di automiscelazione che richiede un diodo laser con un diodo monitor integrato, altrimenti hai bisogno di molte ottiche costose che poi lo mettono fuori dalla portata del tuo tipico hobbiest.

È fantastico. Dovresti provarlo. I diodi laser richiesti con fotodiodo integrato possono essere acquistati per pochi dollari (1/10 del prezzo normale) se si guardano negozi elettronici in eccesso come Jameco, piuttosto che luoghi come Mouser o Digikey. Assicurati di controllare il foglio dati per assicurarti che ci sia un fotodiodo all'interno. Inoltre, non si desidera un modulo laser che potrebbe essere già cablato per monitorare il fotodiodo per mantenere una potenza ottica costante poiché è necessario accedere al diodo laser.

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

Un documento che ha molto più senso dopo aver visto il video se non si è già al corrente: http://sci-hub.tw/http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1464-4258/ 4/6/371 / pdf che può essere letto anche in semanticscholar.org ed è qui protetto da paywall . Giuliani et al. J. Opt. A: Pure Appl. Optare. 4 (2002) S283 – S294

— DKNguyen
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jameco.com/z/…

— DKNguyen il

Anche un interferometro michelson può essere costruito da ciò che equivale a spazzatura: un mezzo specchio argentato da un lettore dvd, un paio di specchi normali, un puntatore laser e una lente d'ingrandimento per vedere meglio il modello di diffrazione. Hai solo bisogno di molta pazienza per allineare tutto e un po 'di fortuna con la lunghezza di coerenza del laser. Ho potuto vedere il ciclo del modello semplicemente toccando leggermente il tavolo.

— jms

Oops, intendevo modello di interferenza. Se sei disposto a investire più denaro e sforzi per ottenere risultati migliori, puoi acquistare uno specchio semi-argentato più grande, retroriflettori a cubo d'angolo (allineamento molto più semplice) e un laser con specifiche note, ad esempio ebay. Forse la stampa 3D sta per loro.

— jms

forse menzionare lo Strumento di personalizzazione di Office en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography che estende questo principio in modo simile agli ultrasuoni, spesso per l'imaging medico. Molto bello.

— Evan Benn,

Solo punto dati: il caratteristico scalpiccio di riflessione speculare che si ottiene quando un LASER brilla su una superficie è dovuto all'interferenza automatica di più riflessi del raggio dalla superficie irregolare con conseguenti lunghezze del percorso leggermente diverse.

— Russell McMahon,

Mentre questa risposta dice "interferometri", quelli contano solo le frange, ma non misurano le distanze assolute. Puoi spostare qualcosa e contare frange e loro frazioni e dire "è spostato di 42 lunghezze d'onda" e controllare la pressione e l'umidità dell'aria e stimare la lunghezza d'onda corrente in aria, ma non puoi usarne una per dire che è spostata da 2 mm a 2 mm più 42 lunghezze d'onda.

Esistono interferometri a doppia lunghezza d'onda che possono tentare di risolvere questa ambiguità ma spesso ci sono altre ambiguità.

Quando si misurano distanze di millimetri ad un metro o giù di lì usando un laser, ciò che viene spesso utilizzato è un sensore di spostamento laser . Tale collegamento e i tre collegamenti sottostanti spiegano tutti il principio.

Il raggio laser fornisce un raggio di luce collimato e la purezza della lunghezza d'onda non è di primaria importanza, tranne per il fatto che è possibile utilizzare un filtro per bloccare la forte luce ambientale. Proietta un punto di circa 1 mm sul bersaglio a una vasta gamma di distanze e utilizza un obiettivo di imaging e un sensore di immagine 1D o 2D da un offset di posizione dal raggio.

Il laser è spesso pulsato e si possono sottrarre coppie di immagini "on" e "off" per migliorare ulteriormente il punto laser rispetto al disordine delle immagini.

Lo spostamento lungo il sensore corrisponde allo spostamento lontano dall'unità. Una volta che viene azzerato con cura, è possibile disattivarlo e successivamente misurare la distanza assoluta da un altro oggetto, anche se non c'è movimento. Questo è molto più utile che contare le frange con un interferometro, dove devi sempre iniziare da zero e poi muoverti fino alla posizione finale, contando le frange lungo la strada.

Questo commento menziona la tomografia a coerenza, e questa è un'altra misurazione della distanza assoluta, senza contatto, ottica. Ma generalmente non usa i laser.

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— Uh Oh
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In realtà sto lavorando in un posto per realizzare apparecchiature di nanoposizionamento. Per alcune applicazioni in cui il laser e il target sono più limitati, è comune utilizzare un sensore di posizione capacitivo per fornire una lettura della posizione iniziale per la distanza tra loro, che è facilmente abbastanza precisa per tracciare anche la luce UV a 400nm. O per posizionare qualcosa meccanicamente a una distanza scelta (la nostra roba è facilmente accurata al di sotto della risoluzione nanometrica). Quindi, in genere, l'elettronica del tuo interferometro viene resa abbastanza veloce da tracciare il movimento del bersaglio in modo da non ottenere un "luppolo marginale", scambiando la velocità contro il rumore.

— Graham,

@Graham è abbastanza bello! Potresti considerare di aggiungere un'altra risposta qui e di ampliarla, poiché i laser vengono utilizzati come parte di quello scenario. Quindi la misurazione della capacità è sufficiente per risolvere la frangia più vicina e l'interferometria è ciò che la rende "facilmente accurata al di sotto della risoluzione dei nanometri"?

— UHOH

Grazie! Non credo che valga una risposta separata da solo, dal momento che hai affrontato molto meglio il problema di base e la versione pure-laser è un bel po 'di kit. Appena notato come un altro modo di scuoiare quel particolare gatto.

— Graham,

Potresti leggere 3.1 dell'articolo che ho collegato nella mia risposta? Sembra dire che sia possibile una misurazione dello spostamento non ambigua. Anche l'ultimo paragrafo a pagina 287 (o 5 di 13). Sembra essere possibile solo con l'auto-miscelazione, ma non capisco davvero perché.

— DKNguyen,

@DKNguyen L'ambiguità che si risolve utilizzando il rilevamento della quadratura (seno e coseno) è la direzione dello spostamento. Se conti solo le frange, non puoi sempre dire se stai aumentando o diminuendo la distanza. Questo non sembra parlare di ambiguità che coinvolgono "dov'è zero?" Ti permette solo di essere sicuro di dover contare o fare il conto alla rovescia in qualsiasi momento.

— UHOH