Các mô-đun đo khoảng cách bằng laser là những công cụ có độ chính xác cao được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như lái xe tự hành, máy bay không người lái, tự động hóa công nghiệp và robot. Nguyên lý hoạt động của các mô-đun này thường bao gồm việc phát ra chùm tia laser và đo khoảng cách giữa vật thể và cảm biến bằng cách thu nhận ánh sáng phản xạ. Trong số các thông số hiệu suất khác nhau của mô-đun đo khoảng cách bằng laser, độ phân kỳ của chùm tia là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đo, phạm vi đo và việc lựa chọn các kịch bản ứng dụng.
1. Khái niệm cơ bản về sự phân kỳ chùm tia
Độ phân kỳ chùm tia đề cập đến góc mà tại đó kích thước mặt cắt ngang của chùm tia laser tăng lên khi nó di chuyển xa hơn khỏi nguồn phát laser. Nói một cách đơn giản hơn, độ phân kỳ chùm tia càng nhỏ thì chùm tia laser càng tập trung trong quá trình lan truyền; ngược lại, độ phân kỳ chùm tia càng lớn thì chùm tia càng lan rộng. Trong các ứng dụng thực tế, độ phân kỳ chùm tia thường được biểu thị bằng góc (độ hoặc milliradian).
Độ phân kỳ của chùm tia laser quyết định mức độ lan tỏa của nó trên một khoảng cách nhất định, từ đó ảnh hưởng đến kích thước điểm sáng trên vật thể cần đo. Nếu độ phân kỳ quá lớn, chùm tia sẽ bao phủ một diện tích lớn hơn ở khoảng cách xa, điều này có thể làm giảm độ chính xác đo. Mặt khác, nếu độ phân kỳ quá nhỏ, chùm tia có thể bị hội tụ quá mức ở khoảng cách xa, gây khó khăn cho việc phản xạ đúng cách hoặc thậm chí ngăn cản việc thu nhận tín hiệu phản xạ. Do đó, việc lựa chọn độ phân kỳ chùm tia phù hợp là rất quan trọng đối với độ chính xác và phạm vi ứng dụng của mô-đun đo khoảng cách bằng laser.
2. Ảnh hưởng của độ phân kỳ chùm tia đến hiệu suất của mô-đun đo khoảng cách bằng laser
Độ phân kỳ chùm tia ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đo của mô-đun đo khoảng cách bằng laser. Độ phân kỳ chùm tia càng lớn thì kích thước điểm chiếu càng lớn, điều này có thể dẫn đến ánh sáng phản xạ bị tán xạ và các phép đo không chính xác. Ở khoảng cách xa hơn, kích thước điểm chiếu lớn hơn có thể làm suy yếu ánh sáng phản xạ, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu mà cảm biến nhận được, do đó làm tăng sai số đo. Ngược lại, độ phân kỳ chùm tia nhỏ hơn giúp giữ cho chùm tia laser được hội tụ ở khoảng cách xa hơn, dẫn đến kích thước điểm chiếu nhỏ hơn và do đó độ chính xác đo cao hơn. Đối với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, chẳng hạn như quét laser và định vị chính xác, độ phân kỳ chùm tia nhỏ hơn thường là lựa chọn ưu tiên.
Độ phân kỳ chùm tia cũng liên quan mật thiết đến phạm vi đo. Đối với các mô-đun đo khoảng cách bằng laser có độ phân kỳ chùm tia lớn, chùm tia laser sẽ lan rộng nhanh chóng trên khoảng cách xa, làm suy yếu tín hiệu phản xạ và cuối cùng hạn chế phạm vi đo hiệu quả. Ngoài ra, kích thước điểm chiếu lớn hơn có thể khiến ánh sáng phản xạ đến từ nhiều hướng, gây khó khăn cho cảm biến trong việc thu nhận tín hiệu chính xác từ mục tiêu, từ đó ảnh hưởng đến kết quả đo.
Mặt khác, độ phân kỳ chùm tia nhỏ hơn giúp chùm tia laser duy trì được sự tập trung, đảm bảo ánh sáng phản xạ vẫn mạnh và do đó mở rộng phạm vi đo hiệu quả. Vì vậy, độ phân kỳ chùm tia của mô-đun đo khoảng cách bằng laser càng nhỏ thì phạm vi đo hiệu quả thường càng mở rộng.
Việc lựa chọn độ phân kỳ chùm tia cũng gắn liền chặt chẽ với kịch bản ứng dụng của mô-đun đo khoảng cách bằng laser. Đối với các kịch bản yêu cầu đo lường tầm xa và độ chính xác cao (chẳng hạn như phát hiện vật cản trong lái xe tự động, LiDAR), một mô-đun có độ phân kỳ chùm tia nhỏ thường được lựa chọn để đảm bảo các phép đo chính xác ở khoảng cách xa.
Đối với các phép đo ở khoảng cách ngắn, quét hoặc một số hệ thống tự động hóa công nghiệp, mô-đun có độ phân kỳ chùm tia lớn hơn có thể được ưu tiên để tăng diện tích bao phủ và cải thiện hiệu quả đo.
Độ phân kỳ chùm tia cũng bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường. Trong môi trường phức tạp với đặc tính phản xạ mạnh (như dây chuyền sản xuất công nghiệp hoặc quét tòa nhà), sự lan rộng của chùm tia laser có thể ảnh hưởng đến sự phản xạ và thu nhận ánh sáng. Trong những trường hợp như vậy, độ phân kỳ chùm tia lớn hơn có thể giúp bao phủ một diện tích lớn hơn, tăng cường độ tín hiệu thu được và giảm nhiễu môi trường. Mặt khác, trong môi trường trong suốt, không bị cản trở, độ phân kỳ chùm tia nhỏ hơn có thể giúp tập trung phép đo vào mục tiêu, do đó giảm thiểu sai số.
3. Lựa chọn và thiết kế độ phân kỳ chùm tia
Độ phân kỳ chùm tia của mô-đun đo khoảng cách bằng laser thường được xác định bởi thiết kế của bộ phát laser. Các kịch bản ứng dụng và yêu cầu khác nhau dẫn đến sự thay đổi trong thiết kế độ phân kỳ chùm tia. Dưới đây là một số kịch bản ứng dụng phổ biến và các lựa chọn độ phân kỳ chùm tia tương ứng:
- Độ chính xác cao và phạm vi đo xa:
Đối với các ứng dụng yêu cầu cả độ chính xác cao và khoảng cách đo xa (như đo chính xác, LiDAR và lái xe tự động), người ta thường chọn độ phân kỳ chùm tia nhỏ hơn. Điều này đảm bảo chùm tia laser duy trì kích thước điểm nhỏ trên khoảng cách xa hơn, giúp tăng cả độ chính xác và phạm vi đo. Ví dụ, trong lái xe tự động, độ phân kỳ chùm tia của hệ thống LiDAR thường được giữ dưới 1° để phát hiện chính xác các vật cản ở xa.
- Phạm vi phủ sóng rộng với yêu cầu độ chính xác thấp hơn:
Trong những trường hợp cần vùng phủ sóng lớn hơn nhưng độ chính xác không quá quan trọng (như định vị robot và quét môi trường), người ta thường chọn độ phân kỳ chùm tia lớn hơn. Điều này cho phép chùm tia laser bao phủ một khu vực rộng hơn, tăng cường khả năng cảm biến của thiết bị và giúp nó phù hợp cho việc quét nhanh hoặc phát hiện trên diện tích lớn.
- Đo khoảng cách ngắn trong nhà:
Đối với các phép đo trong nhà hoặc ở cự ly ngắn, độ phân kỳ chùm tia lớn hơn có thể giúp tăng phạm vi bao phủ của chùm tia laser, giảm thiểu sai số đo do góc phản xạ không phù hợp. Trong những trường hợp như vậy, độ phân kỳ chùm tia lớn hơn có thể đảm bảo kết quả đo ổn định bằng cách tăng kích thước điểm chiếu.
4. Kết luận
Độ phân kỳ chùm tia là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của các mô-đun đo khoảng cách bằng laser. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác đo, phạm vi đo và lựa chọn các kịch bản ứng dụng. Thiết kế độ phân kỳ chùm tia phù hợp có thể nâng cao hiệu suất tổng thể của mô-đun đo khoảng cách bằng laser, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong nhiều ứng dụng khác nhau. Khi công nghệ đo khoảng cách bằng laser tiếp tục phát triển, việc tối ưu hóa độ phân kỳ chùm tia sẽ trở thành một yếu tố quan trọng trong việc mở rộng phạm vi ứng dụng và khả năng đo của các mô-đun này.
Lumispot
Địa chỉ: Tòa nhà số 4, số 99 đường Furong 3, quận Xishan, Vô Tích, 214000, Trung Quốc
Điện thoại: +86-0510 87381808.
Di động: +86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
Thời gian đăng bài: 18/11/2024