¿Cómo miden los láseres distancias cortas (<1 cm) cuando la electrónica es demasiado lenta para que funcione el tiempo de vuelo?

Me preguntaba cómo los sensores LIDAR pueden medir distancias de menos de 2 mm. No veo cómo pueden hacer eso.

La velocidad de la luz es de 300,000,000 m / s, por lo que el tiempo de ida y vuelta debe estar dentro de los 14ps, lo que está mucho más allá de las capacidades de la electrónica moderna (> 71 GHz).

Entonces cómo lo hacen?

distance range-detector

— Ron Vais
fuente

Aquí hay un diseño de muestra que puede ver: ti.com/lit/ug/tiduc73b/tiduc73b.pdf

— John D

Estás subestimando las capacidades de la electrónica moderna. Hay tiempo para convertidores digitales disponibles que ofrecen resoluciones de 10 ps. Estos se basan en osciladores en anillo.

— Arsenal

Ambas respuestas actuales sugieren que se utiliza una técnica diferente para la medición de distancias de corto alcance, pero el VL6180X y el VL53L0X afirman que utilizan la "medición directa de TOF", por lo que tal vez la respuesta real sea: es posible con el hardware adecuado en un paquete pequeño.

— AndreKR

No necesita un contador de 100 GHz para medir 10 ps. Un poco de ingeniería analógica permite la medición digital de períodos de tiempo más cortos que un ciclo de reloj.

— Hobbs 01 de

Respuestas:

A 2 mm, no se utiliza el tiempo de vuelo. La interferometría es. A diferencia del tiempo de vuelo que solo puede determinar realmente la distancia (y la velocidad indirectamente), la interferometría se puede usar para medir muchas otras propiedades y tiene una frecuencia de muestreo mucho más alta. Se han hecho algunas cosas sorprendentes utilizando este principio, incluido LIGO o verificar la influencia de la gravedad de la Tierra en la velocidad de los fotones que viajan hacia y desde la superficie de la Tierra. O espiando a alguien desde fuera de la casa midiendo las vibraciones de algo en la habitación.

La interferometría mide más directamente la velocidad. Es un poco menos sencillo medir la distancia.

Puede jugar con esto usted mismo de manera bastante simple (siempre que tenga un osciloscopio) utilizando la técnica de automezcla que requiere un diodo láser con un diodo de monitor integrado, de lo contrario, necesita una gran cantidad de ópticas costosas que luego lo ponen fuera del alcance de su típico hobbiest.

Es super guay. Deberías probarlo. Los diodos láser necesarios con fotodiodo integrado se pueden comprar por unos pocos dólares (1/10 del precio normal) si observa tiendas electrónicas excedentes como Jameco, en lugar de lugares como Mouser o Digikey. Solo asegúrate de revisar la hoja de datos para asegurarte de que haya un fotodiodo adentro. Tampoco desea un módulo láser que ya esté conectado para monitorear el fotodiodo para mantener una potencia óptica constante, ya que necesita acceso al diodo láser.

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

Un documento que tiene mucho más sentido después de ver el video si aún no lo sabe: http://sci-hub.tw/http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1464-4258/ 4/6/371 / pdf, que también se puede leer en semanticscholar.org y se paga aquí . Giuliani y col. J. Opt. A: aplicación pura. Optar. 4 (2002) S283 – S294

— DKNguyen
fuente

jameco.com/z/…

— DKNguyen

Incluso se puede construir un interferómetro michelson a partir de lo que equivale a basura: un espejo medio plateado de una unidad de DVD, un par de espejos normales, un puntero láser y una lupa para ver mejor el patrón de difracción. Solo necesita mucha paciencia para alinear todo, y un poco de suerte con la longitud de coherencia del láser. Pude ver el ciclo del patrón tocando muy ligeramente la mesa.

— jms

Vaya, me refería al patrón de interferencia. Si está dispuesto a invertir más dinero y esfuerzo para obtener mejores resultados, puede comprar un espejo medio plateado más grande, retroreflectores de cubo de esquina (alineación mucho más fácil) y un láser de especificaciones conocidas de, por ejemplo, eBay. Quizás la impresión 3D los represente.

— jms

quizás mencione OCT en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography que extiende este principio de manera similar a la ecografía, a menudo para imágenes médicas. Muy genial.

— Evan Benn

Solo punto de datos: el patrón de reflexión especular característico que se obtiene cuando un LÁSER brilla en una superficie se debe a la autointerferencia de múltiples reflejos del haz desde la superficie irregular, lo que resulta en longitudes de trayectoria ligeramente diferentes.

— Russell McMahon

Si bien esta respuesta dice "interferómetros", esos solo cuentan franjas, no miden distancias absolutas. Puede mover algo y contar franjas y fracciones de los mismos y decir "se movió en 42 longitudes de onda" y verificar la presión y la humedad del aire y estimar la longitud de onda actual en el aire, pero no puede usar uno para decir que se movió de 2 mm a 2 mm más 42 longitudes de onda.

Hay interferómetros de doble longitud de onda que pueden tratar de resolver esta ambigüedad, pero a menudo hay otras ambigüedades.

Al medir distancias de milímetros a un metro más o menos con un láser, lo que se usa con frecuencia es un sensor de desplazamiento láser . Ese enlace y los tres enlaces a continuación explican el principio.

El rayo láser proporciona un haz de luz colimado y la pureza de la longitud de onda no es de importancia primordial, excepto que puede usar un filtro para bloquear la luz ambiental intensa. Proyecta un punto de aproximadamente 1 mm en su objetivo en una amplia gama de distancias, y utiliza una lente de imagen y un sensor de imagen 1D o 2D desde una posición desviada del haz.

El láser a menudo se pulsa y se pueden restar pares de imágenes "activadas" y "desactivadas" para mejorar aún más el punto del láser en relación con el desorden de imágenes.

El desplazamiento a lo largo del sensor corresponde al desplazamiento lejos de la unidad. Una vez que se pone a cero cuidadosamente, puede apagarlo y luego medir la distancia absoluta a otro objeto, incluso si no hay movimiento. Esto es mucho más útil que contar franjas con un interferómetro, donde siempre debes comenzar desde cero y luego muuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuu como rumo hasta alcancelo hasta su posición final, contando franjas todo el tiempo.

Este comentario menciona la tomografía de coherencia, y esa es otra medición de distancia absoluta sin contacto, óptica. Pero generalmente no usa láser.

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— UH oh
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De hecho, estoy trabajando en un lugar haciendo equipos de nanoposicionamiento. Para algunas aplicaciones donde el láser y el objetivo están más restringidos, es común usar un sensor de posición capacitivo para dar una lectura de posición inicial para la distancia entre ellos, que es lo suficientemente precisa como para rastrear incluso la luz UV a 400 nm. O para colocar algo mecánicamente a una distancia elegida (nuestras cosas son fácilmente precisas por debajo de la resolución nanométrica). Por lo general, los componentes electrónicos de su interferómetro se fabrican lo suficientemente rápido como para rastrear el movimiento del objetivo para que no obtenga un "salto marginal", intercambiando velocidad contra el ruido.

— Graham

@Graham, ¡eso es genial! Puede considerar agregar otra respuesta aquí y ampliarla, ya que los láseres se usan como parte de ese escenario. Entonces, ¿la medición de capacitancia es suficiente para resolver la franja más cercana y la interferometría es lo que la hace "fácilmente precisa por debajo de la resolución nanométrica"?

— uhoh

¡Gracias! No creo que valga la pena una respuesta por sí sola, ya que ha cubierto el problema básico mucho mejor, y la versión de láser puro es un buen kit. Solo se señaló como otra forma de desollar a ese gato en particular.

— Graham

¿Podrías leer 3.1 del artículo que vinculé en mi respuesta? Parece decir que es posible una medición de desplazamiento no ambigua. También el último párrafo en la página 287 (o 5 de 13). Parece ser algo que solo es posible con la mezcla automática, pero realmente no entiendo por qué.

— DKNguyen

@DKNguyen La ambigüedad que se resuelve mediante el uso de detección en cuadratura (seno y coseno) es la dirección del desplazamiento. Si solo cuenta las franjas, no siempre puede saber si está aumentando o disminuyendo la distancia. Esto no parece hablar de ambigüedades relacionadas con "¿dónde está cero?" Solo le permite estar seguro de si debe contar hacia atrás o hacia atrás en cualquier momento.

— uhoh