ˇ Cesk´ e vysok´ e uˇ cen´ı technick´ e v Praze Fakulta jadern´ a a fyzik´ alnˇ e inˇ zen´ yrsk´ a Katedra fyzik´ aln´ı elektroniky
Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace
Jakub K´ akona
Praha – 2012 Vzor tituln´ı strany na pevn´ ych desk´ach Jm´eno autora a rok ukonˇcen´ı pr´ace taky na hˇrbetn´ı stranˇe
ˇ Cesk´ e vysok´ e uˇ cen´ı technick´ e v Praze Fakulta jadern´ a a fyzik´ alnˇ e inˇ zen´ yrsk´ a Katedra fyzik´ aln´ı elektroniky
Vys´ılaˇ c pro laserov´ y d´ alkomˇ er Bakal´ aˇ rsk´ a pr´ ace
Autor pr´ace: ˇ Skolitel: (Konzultant(i): ˇ Skoln´ ı rok:
Jakub K´ akona Jm´ eno ˇ skolitele Jm´ ena konzultant˚ u) 2011/2012
Prohlaˇsuji, ˇze jsem pˇredloˇzenou pr´aci vypracoval samostatnˇe a ˇze jsem uvedl veˇskerou pouˇzitou literaturu.
Podpis studenta
Praha, xx.xx.2012
Jakub K´akona
2
Obsah 1 Zad´ an´ı pr´ ace 2 Laserov´ y d´ alkomˇ er 2.1 Princip mˇeˇren´ı vzd´alenosti . . . 2.1.1 Geometrick´a metoda . . 2.1.2 F´azov´a metoda . . . . . 2.1.3 Mˇeˇren´ı doby letu (TOF) 2.2 Poˇzadavky na laserov´ y vys´ılaˇc .
3
. . . . .
3 3 4 4 4 4
3 LASER 3.1 Pevnol´atkov´ y diodovˇe ˇcerpan´ y LASER . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Relaxaˇcn´ı kmity LASERu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 5 5
ˇ ıd´ıc´ı elektronika 4 R´ ˇ 4.1 Cerpac´ ı dioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Buzen´ı ˇcerpac´ı diody . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5 5 5
1
Zad´ an´ı pr´ ace
2
Laserov´ y d´ alkomˇ er
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
. . . . .
Laserov´ y d´alkomˇer je zaˇr´ızen´ı, kter´e je schopno mˇeˇrit vzd´alenost objektu odr´aˇzej´ıc´ıho z´aˇren´ı optick´ ych vlnov´ ych d´elek. Tyto objekty mohou b´ yt velmi r˚ uznorod´eho charakteru a d´alkomˇer je pak v principu schopen mˇeˇrit pevn´e, kapaln´e nebo i plynn´e struktury, pˇr´ıpadnˇe i jejich kombinace. Moˇznosti jeho aplikace jsou proto velmi rozs´ahl´e od zamˇeˇrov´an´ı a mapov´an´ı topografie ter´enu pˇres vytv´aˇren´ı pˇresn´ ych tvarov´ ych model˚ u mal´ ych pˇredmˇet˚ u aˇz po jeho pouˇzit´ı v meteorologii, nebo pro vojensk´e aplikace.
2.1
Princip mˇ eˇ ren´ı vzd´ alenosti
Z´akladn´ım principem LASERov´ ych d´alkomˇer˚ u je zmˇeˇren´ı nˇejak´e modifikace sign´alu odraˇzen´eho od pˇredmˇetu a zn´am´eho sign´alu vyz´aˇren´eho vys´ılaˇcem. Existuje nˇekolik pouˇz´ıvan´ ych metod, kter´e umoˇzn ˇuj´ı tento obecnˇe slab´ y jev zmˇeˇrit. • Mˇeˇren´ı geometrick´eho posunu stopy laseru na pˇredmˇetu • Mˇeˇren´ı f´azov´eho posunu pˇrij´ıman´eho a vys´ılan´eho sign´alu • Mˇeˇren´ı ˇcasov´eho zpoˇzdˇen´ı vyslan´eho a odraˇzen´eho fotonu (TIME-OF-FLIGHT measurement).
3
2.1.1
Geometrick´ a metoda
Tato metoda mˇeˇren´ı je zaloˇzena na geometrick´e vlastnosti svˇeteln´eho paprsku, ˇze svˇetlo se v homogenn´ım prostˇred´ı ˇs´ıˇr´ı pˇr´ımoˇcaˇre. Toho lze vyuˇz´ıt tak, ˇze pouˇzijeme li zdroj svˇetla, kter´ y vyd´av´a m´alo rozb´ıhav´ y svˇeteln´ y paprsek (LASER) a pod urˇcit´ ym u ´hlem v˚ uˇci ose pozorovatele jej budeme prom´ıtat na pˇredmˇet, tak pozorovatel bude m´ıt svˇetelnou stopu v r˚ uzn´ ych bodech zorn´eho pole podle vzd´alenosti pˇredmˇetu. Tato metoda, je velice snadn´a a proto existuje mnoho realizac´ı od amat´ersk´ ych konstrukc´ı aˇz po profesion´aln´ı v´ yrobky. Obvykle jsou t´ımto zp˚ usobem ˇreˇseny 3D skenery mal´ ych pˇredmˇet˚ u, jako jsou v´azy, nebo jin´a umˇeleck´a d´ıla, kter´a je vhodn´e zdokumentovat. Skener pak pro urychlen´ı procesu nepouˇz´ıv´a pouze svˇeteln´ y bod, kter´ y laser obvykle produkuje ale vyuˇz´ıv´a se cylindrick´e ˇcoˇcky, kter´a svazek rozˇs´ıˇr´ı do roviny ve smˇeru ˇrezu pˇredmˇetu. V tomto uspoˇra´d´an´ı totiˇz pak staˇc´ı s LASERem, nebo prom´ıtac´ım zrc´atkem h´ ybat pouze v jedn´e ose, pro kompletn´ı 3D scan. Ke sn´ım´an´ı obrazu je v tomto pˇr´ıpadˇe obvykle vyuˇz´ıv´an maticov´ y sn´ımaˇc, CCD, nebo CMOS. A metoda funguje pouze v rozsahu vzd´alenost´ı dan´ ych u ´hlem ve kter´ ym je laser na pˇredmˇet prom´ıt´an a tak´e velikost´ı zorn´eho pole sn´ımaˇce. Z praktick´ ych d˚ uvodu je proto tato metoda vyuˇz´ıv´ana v rozsahu nˇekolika centimetr˚ u aˇz nˇekolika metr˚ u. 2.1.2
F´ azov´ a metoda
U t´eto metody je jiˇz vyˇz´ıv´ana samotn´a vlastnost svˇetla, ˇze se prostorem ˇs´ıˇr´ı pouze omezenou rychlost´ı. A mˇeˇren´ı je prov´adˇeno tak, ˇze vys´ılaˇc vys´ıl´a urˇcit´ ym zp˚ usobem periodicky modulovan´ y sign´al, kter´ y se odr´aˇz´ı od pˇredmˇetu a dopad´a na intenzitn´ı detektor, kter´ y umoˇzn ˇuje jeho korelaci s modulovan´ ym odchoz´ım sign´alem. tato metoda m´a jeˇstˇe dalˇs´ı variaci a to tu, ˇze jako modulaci sign´alu je moˇzn´e v urˇcit´ ych podm´ınk´ach vyuˇz´ıt samotnou vlnovou strukturu svˇetla, a vys´ılan´ y a od pˇredmˇetu odraˇzen´ y svazek nechat interferovat na maticov´em sn´ımaˇci. T´ım lze dos´ahnout velmi velk´eho prostorov´eho rozliˇsen´ı ve smyslu mˇeˇren´ı zmˇen vzd´alenosti aˇz na atom´arn´ı u ´roveˇ n tento princip je pak vyuˇz´ıv´an ve specializovan´ ych aplikac´ıch, jako jsou velmi pˇresn´e obr´abˇec´ı automaty, detektory gravitaˇcn´ıch vln, nebo ˇspion´aˇzn´ı zaˇr´ızen´ı mˇeˇr´ıc´ı zvukem vybuzen´e vibrace okenn´ıch v´ ypln´ı. 2.1.3
Mˇ eˇ ren´ı doby letu (TOF)
Tato pr´ace je zamˇeˇrena pr´avˇe na tento princip mˇeˇren´ı, protoˇze jeho dosah a pˇresnost je zaj´ımav´a napˇr´ıklad pro meteorologick´e aplikace a tedy vyuˇziteln´a pro mˇeˇren´ı parametr˚ u oblaˇcnosti napˇr´ıklad nad modern´ımi automatizovan´ ymi robotick´ ymi astronomick´ ymi teleskopy.
2.2
Poˇ zadavky na laserov´ y vys´ılaˇ c
V pˇr´ıpadˇe, ˇze n´as zaj´ım´a metoda zaloˇzen´a na mˇeˇren´ı doby letu, tak od laserov´eho vys´ılaˇce budeme tak´e poˇzadovat, aby umoˇzn ˇoval generovat kr´atk´e ˇcasov´e impulzy. Coˇz je d˚ uleˇzit´e proto, protoˇze kr´atk´ y ˇcasov´ y impulz umoˇzn ˇuje dos´ahnout lepˇs´ıho ˇcasov´eho 4
rozliˇsen´ı pˇri mˇeˇren´ı a t´ım p´adem i lepˇs´ı prostorov´e rozliˇsen´ı pˇri mˇeˇren´ı vzd´alenosti. Je to d´ano t´ım, ˇze v impulzu je obvykle vysl´ano velk´e mnoˇzstv´ı foton˚ u ale zp´atky do detektoru se jich vr´at´ı pouze nˇekolik. A v pˇr´ıpadˇe dlouh´eho impulzu pak nejsme schopni urˇcit z kter´e ˇc´asti impulzu n´am foton pˇriˇsel. Pro modelovou aplikaci
3
LASER
3.1
Pevnol´ atkov´ y diodovˇ eˇ cerpan´ y LASER
3.2
Relaxaˇ cn´ı kmity LASERu
4
ˇ ıd´ıc´ı elektronika R´
4.1
ˇ Cerpac´ ı dioda
4.2
Buzen´ı ˇ cerpac´ı diody
5
Seznam obr´ azk˚ u
6
