雷射應用----距離測量(1)

雷射應用----距離測量(1)
一 、 雷 射 測 距 原 理
目 前 雷 射 測 距 所 應 用 的 原 理 可 概 分 為 ： 飛行時間量測(Time of Flight， 簡寫成TOF)、相位差
量測、三角原理量測等三種方法。


1 . 飛行時間法(TOF)
這 種 方 法 對 於 遠 距 離 的 測 量 相 當 有 用 。 其 工 作 原 理 在 於 ： 雷 射 具 有 高 方 向 性 與 高亮度， 可以在發射雷射處接收到目標物的反射光， 若所發出的雷射光屬於脈衝式， 則所接收到的反射光也是脈衝式， 因此可以藉由測量發射到接收雷射脈衝的時間差來計算目標物離觀測者的距離。

此外， 可以依照目標的遠近選用不同功率的雷射本體， 例如距離較短時， 可採用功率較低的脈衝He-Ne 雷射或是半導體雷射， 而較遠的距離，則可改用功率較大的脈衝式Nd:YAG 雷射。這種雷射測距方法的精度很高，一般在2-3公理的測距範圍內可以達到幾個釐米誤差而已， 只是精確會受到天氣狀況的影響。目前在軍事及營建工程方面的應用極為廣泛。

2 . 相位差
這 種 方 法 乃 是 利 用 雷 射 照 射 待 測 物 時 的 反 射 光 與 參 考 波 之 間 的 相 位 差 來 求 得 待 測物的距離。首先雷射光源發射一調製光束， 檢測器所收到回波信號之相位為ψ， 並與一local oscillator產生拍頻(Beat)信號， 此時相位檢測器會測出發射與接收信號間的相位差Δψ ， 並藉此計算出距離， 如圖1 所示。但由於相位以2 π為週期， 所以相位測距法會有測量距離上的限制， 測量範圍約數十米， 精度可達釐米級， 但為了提高訊噪比(S/N)有必要多測量幾次， 無法做瞬間即時測距。目前這種測距方法多應用在短距離，例如室內裝潢等用途。

3 . 三角測距
該 種 測 距 法 乃 藉 由 投 影 點 光 源 至 待 測 物 表 面 及 三 角 關 係 ， 以 計 算 出 待 測 物 與 光 源的距離。圖2 中，待測物在B1 時， 其表面上的散射或反射光在位移檢測器上成像C1。同理， 當待測物在B2 時， 成像為C2。由C1-C2 間的距離可以推出位移量D。目前這
種方法常用在精密模具業，或半導體電子業之IC、SMT 電路板檢測。