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

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?

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

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.

Źródło

Źródło i źródło