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?

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

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