当电子设备太慢而无法飞行时,激光器如何测量短距离(<1cm)?


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我想知道LIDAR传感器如何测量小于2mm的距离。我看不出他们怎么能做到这一点。

光速为300,000,000 m / s,因此往返时间应在14ps之内,这远远超出了现代电子产品(> 71 GHz)的能力。

那么他们如何做到的呢?


您可以查看以下示例设计:ti.com/lit/ug/tiduc73b/tiduc73b.pdf
John D

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您低估了现代电子产品的功能。 有时间可用的数字转换器,其分辨率为10 ps。这些基于环形振荡器。
阿森纳

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当前的两个答案都表明,短距离距离测量使用了不同的技术,但是VL6180X和VL53L0X声称使用“直接TOF测量”,因此,真正的答案可能是:在小型封装中使用正确的硬件是可能的。
AndreKR

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您不需要100GHz计数器即可测量10ps。一点点的模拟工程就可以对小于一个时钟周期的时间段进行数字测量。
hobbs

Answers:


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在2mm处,不使用飞行时间。干涉仪是。与只能真正真正确定距离(和速度)的飞行时间不同,干涉测量法可用于测量许多其他特性,并且具有更高的采样率。使用该原理已经完成了一些令人惊奇的事情,包括LIGO或验证了地球重力对光子进出地球表面速度的影响。或者通过测量房间中某物的振动从屋外偷听某人。

干涉测量法最直接地测量速度。测量距离不太直接。

您可以使用自混合技术相当简单地自己玩(只要有示波器),该技术需要一个带有集成监控二极管的激光二极管,否则您将需要大量昂贵的光学元件,这超出了您的使用范围。最典型的。

太酷了。你应该试试看。如果您在诸如Jameco之类的多余电子商店,而不是诸如Mouser或Digikey之类的多余电子商店,可以以几美元(正常价格的1/10)的价格购买所需的集成光电二极管的激光二极管。只要确保检查数据表以确保内部有一个光电二极管即可。您也不想让可能已经接线来监视光电二极管的激光模块保持恒定的光功率,因为​​您需要使用激光二极管。

Layman视频演示:https : //www.youtube.com/watch?v= MUdro-6u2Zg

如果您还不了解视频,那么看完视频后,这篇论文会变得更有道理:http : //sci-hub.tw/http : //iopscience.iop.org/article/10.1088/1464-4258/ 4/6/371 / pdf,也可以在semanticscholar.org中阅读,并在此处收费。Giuliani等。J.Opt。答:纯应用。选择。4(2002)S283–S294



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甚至可以用相当于垃圾的米歇尔干涉仪来制造-DVD驱动器上的半镀银镜,几个普通镜,激光指示器和放大镜,以更好地看到衍射图案。您只需要非常有耐心地对齐所有内容,并为激光器的相干长度提供一点运气即可。我可以从非常轻轻地触摸桌子上看到图案循环。
jms

3
糟糕,我的意思是干扰模式。如果您愿意花费更多的精力和精力来获得更好的结果,则可以从ebay上购买更大的半镀银镜,角锥后向反射镜(更容易对准)和已知规格的激光器。也许3D打印代表他们。
jms

也许要提到OCT en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography,它以类似超声的方式扩展了这一原理,通常用于医学成像。很酷。
埃文·本恩

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仅数据点:当激光照射在表面上时,您获得的特征性镜面反射图案是由于光束从不平坦表面多次反射的自干涉而导致的光程长度略有不同。
罗素·麦克马洪

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虽然这个答案说的是“干涉仪”,但它们仅计数条纹,而不能测量绝对距离。您可以移动某些东西并计算其条纹和分数,并说“它移动了42个波长”,并检查气压和湿度并估算当前的空气波长,但是您不能用一个来表示它从2毫米移动到2毫米加上42个波长。

有双波长干涉仪可以尝试解决这种歧义,但通常还有其他歧义。

当使用激光测量毫米到米的距离时,通常使用的是激光位移传感器。该链接和下面的三个链接均说明了原理。

激光束提供准直的光束,波长纯度不是最重要的,除了可以使用滤光片阻挡强烈的环境光之外。它可以在很宽的距离范围内将大约1毫米的点投射到目标上,并使用成像镜头和1D或2D图像传感器从偏离光束的位置进行观察。

激光经常被脉冲化,并且可以减去成对的“开”和“关”图像,以相对于图像杂波进一步增强激光光斑。

沿着传感器的位移对应于远离设备的位移。仔细将其归零后,您可以将其关闭,然后即使没有运动也可以测量到另一个对象的绝对距离。这比使用干涉仪计数条纹要方便得多,在干涉仪中,条纹必须始终从零开始,然后一直移动到最终位置,并一直计数条纹。

该评论提到相干断层扫描,这是另一种非接触式光学绝对距离测量。但它通常不使用激光。

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我实际上是在制造纳米定位设备的地方工作。对于某些激光和目标更受限制的应用,通常使用电容式位置传感器给出它们之间距离的初始位置读数,该位置读数很容易精确到足以跟踪400nm的紫外线。或以机械方式将某物定位在选定的距离处(我们的东西在纳米分辨率以下很容易精确)。然后,通常将干涉仪电子设备制造得足够快,以跟踪目标的运动,以免出现“边缘跳”,即以速度来对抗噪声。
格雷厄姆

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@Graham太酷了!您可能会考虑在此处添加另一个答案,并在此基础上进行扩展,因为激光被用作该场景的一部分。因此,电容测量值足以分辨到最接近的边缘,而干涉仪是什么使它“在纳米分辨率以下轻松精确”?
uhoh

1
谢谢!我认为单独解决这个问题并不值得,因为您已经更好地介绍了基本问题,而纯激光版本则很实用。刚才提到这是给那只猫剥皮的另一种方式。
格雷厄姆

您能阅读我在答案中链接的论文的3.1吗?似乎可以进行无歧义的位移测量。还有第287页的最后一段(或13之5)。似乎只有自我混合才有可能,但我真的不明白为什么。
DKNguyen

2
@DKNguyen通过使用正交检测(正弦和余弦)解决的歧义是位移的方向。如果仅计算边缘,就无法始终知道是在增加还是在减少距离。这似乎没有在谈论涉及“零在哪里?”的歧义。它仅允许您确定是否应随时递增或递减计数。
uhoh
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