Senzorul de măsurare a distanței cu laser este un senzor care utilizează laser pentru a determina cu exactitate distanța țintei, principiul său de lucru se bazează în principal pe caracteristicile laser (direcționalitate puternică, monocromaticitate bună, concentrare de energie) și diferite metode de măsurare a distanței, principiile comune includ următoarele categorii:

Timpul de zbor (ToF, Time of Flight)

Principiul de bază

Distanța țintă este calculată prin măsurarea diferenței de timp între emisia și primirea laserului după ce este reflectat de țintă. Formula este:

Distanța = (viteza luminii × timpul de zbor) / 2 (împărțită cu 2 deoarece laser este necesar pentru a ajunge la destinație).

Tipuri de segmente

脉冲 ToF (ToF pulsat)

Mod de lucru: Emiterea unui laser cu pulsuri scurte (nanosecunde), detectarea pulsurilor de reflecție la capătul receptorului și calculul timpului de zbor prin ștampilă de timp.

Caracteristici: pentru măsurarea la distanțe lungi (până la câțiva kilometri), capacitatea puternică de a rezista interferenței luminii de mediu, dar precizia este limitată de rezoluția de măsurare a timpului (de obicei ± 10 cm ~ ± 1 m).

Aplicații: radar cu laser la bord (cum ar fi Velodyne), protecție împotriva dronelor, cartografie arhitecturală.

Schimbarea de fază (Phase Shift ToF)

Modul de lucru: Emiterea unui laser cu modulare continuă (cum ar fi modularea undelor sinusoidale), calculând distanța prin măsurarea diferenței de fază dintre lumina emisă și lumina reflectată.

Formula:

Distanța = (viteza luminii × diferența de fază) / (4π × frecvența de modulare)

Precizie ridicată (până la ±1 mm), dar intervalul de măsurare este mai scurt decât pulsul ToF (de obicei < 100 m), potrivit pentru măsurări de precizie la distanțe scurte și medii.

Aplicații: LiDAR pentru telefoane mobile (cum ar fi iPhone Pro), măsurare a distanței cu robot de mărire a pământului, verificare a dimensiunilor pieselor industriale.

Triangularea (Triangulation)

Principiul de bază

Calcularea distanței utilizând o relație triunghiulară geometrică: Emițătorul laser emite fascicul de lumină într-un unghi fix, iar lumina reflectată țintă este primită de receptor (cum ar fi CCD / CMOS), calculând distanța în funcție de schimbările în poziția petei luminoase pe receptor.

Procesul de lucru

Emițătorul laser emite o fasciculă de laser, care luminează obiectul țintă pentru a forma pete luminoase;

Receptorul și emitătorul au un unghi fix, pentru a primi pete de reflecție;

Distanța este calculată printr-o relație geometrică triunghiulară în funcție de poziția petei de pe receptor (cum ar fi coordonatele pixelilor):

Distanța = lungimea liniei de bază × distanța focală / deplasarea petei

(Lungimea de bază este distanța dintre emitător și receptor, iar distanța focală este distanța focală a lentilei receptorului).

Caracteristici și aplicații

Precizie: până la micrometrii (± 1 μm ~ ± 100 μm), dar cu un interval de măsurare mai apropiat (de obicei < 1 m) pentru inspecţii de precizie la distanţe apropiate.

Scenarii: scanarea conturului suprafeței pieselor industriale, măsurarea deformației plăcilor PCB, monitorizarea grosimei stratului de imprimare 3D.

Măsurarea interferenţei (interferometrie)

Principiul de bază

Folosind coerența laser, distanța este calculată prin schimbarea benzilor de interferență a luminii emise și a luminii de referință, care aparține metodei de măsurare cu precizie la scară nanometrică.

Tehnologie de segmentare

Legea de intervenție a lui Michaelson

Principiul: fasciculul laser este împărțit în două fascicule de spectroscopă, un fascicul de reflecție prin obiectivul (brațul de măsurare), celălalt fascicul de reflecție prin oglinda fixă (brațul de referință), două fascicule de interferență luminoasă formează dungi, în funcție de mișcarea dungii calculează distanța.

Aplicații: măsurarea grosimei wafer-ului semiconductor, detectarea nivelului de suprafață al componentelor optice.

Metoda de interferență a luminii albe

Principiul: Utilizând coerența scăzută a sursei de lumină albă, se generează o bandă de interferență clară numai atunci când diferența optică dintre brațul de măsurare și brațul de referință este aproape de zero și se determină poziția țintă prin scanarea diferenței optice.

Caracteristici: potrivit pentru măsurarea suprafețelor aspre sau a structurilor multi-strat, cu o precizie de până la nanometrii (± 1nm).

Aplicații: Analiza morfologică a suprafeței dispozitivului MEMS, măsurarea înălțimii gliserului magnetic.

Confocală cromatică (Chromatic Confocal)

Principiul de bază

Determinarea distanței țintă prin analiza spectrală, utilizând diferitele caracteristici ale distanței focale ale laserilor cu lungimi de undă diferite în lentile:

Lumina albă (laser cu lungimi de undă multiple) se concentrează prin obiectiv, lumina cu lungimi de undă diferite se concentrează la adâncime diferite;

Lumina reflectată țintă se întoarce prin același obiectiv, analizând lungimea de undă a luminii reflectate prin spectrometru pentru a determina poziția punctului de focalizare (adică distanța).

Caracteristici și aplicații

Precizie: sub-micrometrică (± 0,1 μm ~ ± 1 μm), potrivită pentru măsurarea suprafețelor transparente sau reflectante (de exemplu sticlă, metal).

Scenarii: Detectarea grosimei polare a bateriei de litiu, măsurarea curbării sticlei ecranului telefonului mobil, monitorizarea dimensiunii celulelor biologice.

FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave, undă continuă modulată cu frecvență)

Principiul de bază

Laser continuu cu frecvență de emisie (unde modulate), care se schimbă linear în timp, calculând distanța prin măsurarea diferenței de frecvență dintre undele de emisie și undele de reflecție:

Diferența de frecvență este proporțională timpului de zbor, iar înclinația regulată poate fi convertită în distanță.

Caracteristici și aplicații

Avantaje: ToF cu o precizie ridicată (±1 cm) atât pentru distanțe lungi (clasa de kilometri) cât și pentru metoda de fază, rezistență puternică la interferențe.

Scenarii: Măsurarea distanței aerospațiale (cum ar fi înălțimea cu laser prin satelit), radarul industrial de înaltă calitate, conducerea autonomă (direcția viitorului radar cu laser în stare solidă).