Comment les lasers mesurent-ils les courtes distances (<1 cm) lorsque les composants électroniques sont trop lents pour que le temps de vol fonctionne?

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Je me demandais comment les capteurs LIDAR sont capables de mesurer des distances inférieures à 2 mm. Je ne vois pas comment ils pourraient le faire.

La vitesse de la lumière est de 300 000 000 m / s; le temps d'aller-retour devrait donc être inférieur à 14ps, ce qui dépasse de loin les capacités de l'électronique moderne (> 71 GHz).

Alors, comment font-ils?

distance range-detector Ron Vais
la source
Voici un exemple de modèle que vous pouvez consulter: ti.com/lit/ug/tiduc73b/tiduc73b.pdf
John D
8
Vous sous-estimez les capacités de l'électronique moderne. Il existe du temps disponible pour les convertisseurs numériques offrant des résolutions de 10 ps. Ceux-ci sont basés sur des oscillateurs en anneau.
Arsenal le
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Les deux réponses actuelles suggèrent qu'une technique différente est utilisée pour la mesure de distance de courte portée, mais les VL6180X et VL53L0X prétendent utiliser la "mesure TOF directe", alors la vraie réponse est peut-être: c'est possible avec le matériel adéquat dans un petit boîtier.
AndreKR
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Vous n'avez pas besoin d'un compteur de 100 GHz pour mesurer 10 ps. Un peu d'ingénierie analogique permet la mesure numérique de périodes inférieures à un cycle d'horloge.
Hobbs

Réponses:

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À 2mm, le temps de vol n'est pas utilisé. L'interférométrie est. Contrairement au temps de vol, qui ne peut déterminer réellement que la distance (et la vitesse indirectement), l'interférométrie peut être utilisée pour mesurer de nombreuses autres propriétés et a un taux d'échantillonnage beaucoup plus élevé. Certaines choses étonnantes ont été faites en utilisant ce principe, y compris LIGO, ou de vérifier l’influence de la gravité terrestre sur la vitesse des photons se déplaçant vers la surface de la Terre et à l’écart de celle-ci. Ou encore, écoutez quelqu'un de l'extérieur de la maison en mesurant les vibrations de quelque chose dans la pièce.

L'interférométrie mesure le plus directement la vitesse. Mesurer la distance est un peu moins simple.

Vous pouvez jouer avec cela vous-même assez simplement (tant que vous avez un oscilloscope) en utilisant la technique de mélange automatique qui nécessite une diode laser avec une diode de contrôle intégrée, sinon vous avez besoin de nombreuses optiques coûteuses qui la mettent alors hors de portée de votre typique hobbiest.

C'est super cool. Tu devrais l'essayer. Les diodes laser requises avec photodiode intégrée peuvent être achetées pour quelques dollars (1 / 10e du prix habituel) si vous regardez les magasins de matériel électronique excédentaires comme Jameco, plutôt que des endroits comme Mouser ou Digikey. Assurez-vous simplement de vérifier la fiche technique pour vous assurer qu'il y a une photodiode à l'intérieur. Vous ne voulez pas non plus qu'un module laser déjà câblé pour surveiller la photodiode conserve une puissance optique constante, car vous devez accéder à la diode laser.

Démonstration vidéo Layman: https://www.youtube.com/watch?v=MUdro-6u2Zg

Un article qui a beaucoup plus de sens après avoir regardé la vidéo si vous n'êtes pas déjà au courant: http://sci-hub.tw/http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1464-4258/ 4/6/371 / pdf qui peuvent également être lus sur semanticscholar.org et sont payants ici . Giuliani et al. J. Opt. A: Pure Appl. Opter. 4 (2002) S283 – S294

DKNguyen
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jameco.com/z/…
DKNguyen
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Même un interféromètre de Michelson peut être construit à partir de ce qui ressemble à de la malbouffe - un miroir à moitié argenté provenant d'un lecteur de DVD, quelques miroirs normaux, un pointeur laser et une loupe pour mieux voir le diagramme de diffraction. Vous avez juste besoin de beaucoup de patience pour tout aligner et d'un peu de chance avec la longueur de cohérence du laser. Je pouvais voir le cycle de configuration de toucher très légèrement la table.
Jms
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Oups, je voulais dire modèle d'interférence. Si vous êtes prêt à dépenser plus d’argent et d’efforts pour obtenir de meilleurs résultats, vous pouvez acheter un miroir plus grand à moitié argenté, des rétroréflecteurs de cube de coin (alignement beaucoup plus facile) et un laser de caractéristiques connues, telles que eBay. Peut-être que l’impression 3D les représente.
Jms
peut-être mentionner OCT en.wikipedia.org/wiki/Optical_coherence_tomography qui étend ce principe de manière ultrasonore, souvent pour l’imagerie médicale. Très cool.
Evan Benn
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Point de données uniquement: le motif de réflexion spéculaire que vous obtenez lorsqu'un LASER brille sur une surface est dû à l'auto-interférence de réflexions multiples du faisceau provenant d'une surface inégale, ce qui entraîne des longueurs de trajet légèrement différentes.
Russell McMahon le
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Alors que cette réponse dit "interféromètres", ceux-ci ne comptent que des franges, ils ne mesurent pas les distances absolues. Vous pouvez déplacer quelque chose et compter ses franges et ses fractions et dire "ça bouge de 42 longueurs d'onde" et vérifier la pression atmosphérique et l'humidité et estimer la longueur d'onde actuelle dans l'air, mais vous ne pouvez pas vous en servir pour dire qu'elle est passée de 2 mm à 2 mm plus 42 longueurs d'onde.

Il existe des interféromètres à double longueur d'onde qui peuvent tenter de résoudre cette ambiguïté, mais il existe souvent d'autres ambiguïtés.

Lors de la mesure de distances millimétriques à un mètre environ à l'aide d'un laser, on utilise souvent un capteur de déplacement laser . Ce lien et les trois liens ci-dessous expliquent tous le principe.

Le faisceau laser fournit un faisceau de lumière collimaté et la pureté de la longueur d'onde n'a pas d'importance primordiale, si ce n'est que vous pouvez utiliser un filtre pour bloquer la forte lumière ambiante. Il projette un point d'environ 1 mm sur votre cible à une large plage de distances et utilise un objectif d'imagerie et un capteur d'image 1D ou 2D à partir d'une position décalée du faisceau.

Le laser est souvent pulsé et des paires d'images "activées" et "désactivées" peuvent être soustraites pour améliorer davantage le point laser par rapport au fouillis d'images.

Le déplacement le long du capteur correspond au déplacement en dehors de l'unité. Une fois qu'il a été mis à zéro avec soin, vous pouvez le désactiver et mesurer plus tard la distance absolue à un autre objet, même s'il n'y a pas de mouvement. C’est beaucoup plus pratique que de compter les franges avec un interféromètre, où il faut toujours repartir de zéro pour aller ensuite à votre position finale, en comptant les franges tout au long du parcours.

Ce commentaire mentionne la tomographie de cohérence, une autre mesure de distance absolue, optique et sans contact. Mais il n'utilise généralement pas de laser.

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uhoh
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7
En fait, je travaille dans un endroit où je fabrique des équipements de nano-positionnement. Pour certaines applications où le laser et la cible sont plus contraints, il est courant d'utiliser un capteur de position capacitif pour donner une lecture de position initiale de la distance qui les sépare, ce qui est suffisamment précis pour suivre même une lumière UV à 400 nm. Ou pour positionner quelque chose mécaniquement à une distance choisie (nos données sont facilement précises avec une résolution inférieure au nanomètre). En règle générale, les composants électroniques de votre interféromètre sont suffisamment rapides pour suivre le mouvement de la cible, de sorte que vous n'obtenez pas un «saut en marge», une vitesse marchande contre le bruit.
Graham le
2
@ Graham c'est vraiment cool! Vous pourriez envisager d'ajouter une autre réponse ici et de développer cela, car les lasers sont utilisés dans le cadre de ce scénario. Donc, la mesure de la capacité est suffisante pour résoudre à la frange la plus proche et l’interférométrie est ce qui la rend "facilement précise au-dessous de la résolution nanométrique"?
Uhoh
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Merci! Je ne pense pas que cela mérite une réponse séparée en soi, puisque vous avez beaucoup mieux couvert le problème de base, et que la version à laser pur est un kit soigné. Vient de noter comme un autre moyen de dépouiller ce chat particulier.
Graham le
Pourriez-vous lire 3.1 de l'article que j'ai lié dans ma réponse? Il semble dire qu'une mesure de déplacement non ambiguë est possible. Également le dernier paragraphe de la page 287 (ou 5 de 13). Cela ne semble être possible qu'avec l'auto-mélange, mais je ne comprends pas vraiment pourquoi.
DKNguyen
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@DKNguyen L'ambiguïté qui est résolue à l'aide de la détection en quadrature (sinus et cosinus) correspond au sens du déplacement. Si vous ne comptez que les franges, vous ne pouvez pas toujours savoir si vous augmentez ou diminuez la distance. Cela ne semble pas parler d'ambiguïtés impliquant "où est zéro?" Cela vous permet seulement de savoir si vous devez compter ou décompter à tout moment.
Uhoh