Фокусне світло від лазерного знімка в одну точку


4

Я планую побудувати ціль лазерної стрільби. Щось на зразок цього:

У перспективі я хочу створити щось передове, наприклад, ціль професійного класу, в якій користувач може точно сказати, куди був зроблений знімок, але поки що я буду задоволений базовим, як на зображенні.

В основному, коли лазерний знімок потрапляє в чорну область, він вважається пострілом всередині. Я просто не впевнений у тому, як це зробити, оскільки не хочу, щоб він легко плутав знімок із звичайним світлом, і, якщо можливо, я б хотів використовувати побічні ефекти оптики, щоб уникнути перехресних зйомок (кожного разу, коли хтось знімає когось іншого ціль, не зрівнявшись із нею).

Для початку потрібно знаходитись на відстані 10 метрів від лазерної цілі, маючи відхилення метра не більше. Цілі тримаються на метрі-півтора у висоту. Лазер пістолета, відповідно до норм, має пік ~ 3 мВт протягом 15-20 мс активності. Чорна зона діаметром близько 7 см.

Я не знаю офіційних специфікацій для лазерної мішені з точки зору світла, але я знайшов бренд із специфікаціями однієї цілі (кінець сторінки). У ньому йдеться про "Стійкість до сонця: 70k Lux". Чи означає це, що він здатний відрізнити лазерний знімок від світла навколишнього середовища при світлі навколишнього середовища до 70 кВт? Який простий спосіб зрозуміти кількість світла, яке представляє?

Моя ідея поки що має фоточутливий транзистор у друкованій платі, закріплений на задній частині цілі. Алюмінієвий лист спереду з колом посередині, а копчений акриловий аркуш на задній частині (для заповнення кола). І френелевим, або двоопуклою лінзою поруч з акрилом.

Як двоопуклий об'єктив, так і акрил конвергують лобове світло до точки (точки, де знаходиться фото транзистор), так що ця пляма стає переважно світлом, що надходить саме з передньої частини цілі, і стає своєрідною імунітетом до більшості навколишнього світла (оскільки він заломлює точки до транзистора).

Поки що я бачу проблеми:

  • Який (френелез / двоопуклий) має найкоротшу точку сходження світла?
    (Я вважаю за краще ціль якомога стрункішою)
  • Якщо один знімає край дійсної області, це не прямий знімок. Якщо припустити, що одна ідеально вирівняна з ціллю, а зброя знаходиться на її висоті, вона вже стала б нарізом ~ 90,2 °. Бути трохи нерівним (півметра) та бути на півметра нижче мети під час стрільби по центру означало б нарізку ~ 90,4 °. Якщо вирівняти і стріляти по краю, протилежному напрямку нерівності, було б ще більш нахиленим пострілом. Чи достатньо цього маленького нахилу, щоб фокус об'єктива вийшов із транзистора? Це здається справді невеликим відхиленням.
  • Чи варто отримати лист червоного целофану між акрилом і транзистором? Він би фільтрував не червоне світло, чи не так?
  • Щоб уникнути підрахунку включення вогнів або проходження хмари як дійсних знімків, чи можу я порахувати 30 мс з моменту, коли відбувається пік світла, і побачити, чи зникло воно?

Тому в основному головне питання:

Чи вирішив би будь-який із цих двох лінз мою проблему шляхом перетворення світла, що виходить з одного напрямку в одну точку? Це було б практично? Чи є кращі альтернативи (як, наприклад, залишити транзистор у спокої без фокусування; дзеркала тощо)?

EDIT: Флоріс здогадувався, мабуть, правильно. Сигнал, здається, модульований. Мені вдалося здійснити постріл у специфікаційному аркуші однієї з гармат: Ці графіки означають, що за сигналом UIPM 2014 він імпульсує 10 разів у 15,6 мілісек? Чи потрібно, щоб моя мета також розпізнавала ці імпульси? Я купив модуль датчика світла BH1750FVI, чи можуть такі датчики розпізнавати різницю світла в частках мілісекунд? EDIT2: Знайдено офіційні положення: Положення Положення Положення Положення

Разом з тим, що вже було дано відповідь, цього має бути достатньо, щоб допомогти будь-кому з тим самим питанням.


5
Лазерний тег AFAIK працює, передаючи сигнал (який простіше розібратися з навколишнього), а не намагатися виявити поодинокі імпульси лазера.

Це покликане бути сучасною п'ятиборчою ціллю. Деякі цілі синхронізовані зі зброєю, але більшість цілей мають лише легку основу і не пов'язані з конкретною зброєю. Іноді навіть увімкнення світла на темній гімназії достатньо, щоб вони подумали, що був постріл, і сигналізували про це.

1
До речі, згідно з інформаційним аркушем rohmfs.rohm.com/en/products/databook/datasheet/ic/sensor/light/… ваш датчик має інтегральний вид - хороший для вимірювання стаціонарного стану, але не для виявлення короткого імпульсу
Флоріс

Хм. Це не так, як найдорожча річ на землі, я просто використаю його, щоб потім звикнути. Як я вже сказав, HW - це не моя річ: p Пізніше я відкрию питання у відповідному розділі, щоб знати, що ідеальний датчик;)
SOMN

Відповіді:


5

Коротко:

Спосіб відрізнити ваш сигнал від будь-якого іншого (і, до речі, отримати значне посилення співвідношення сигнал / шум) - це використовувати модуляцію. Найпростіша схема модуляції просто вмикає і вимикає лазер дуже швидко (кілька МГц), і ваша схема виявлення (синхронізована з перемиканням лазера) додає виявлений сигнал, коли лазер увімкнено, і ПІДПИСИ, коли лазер вимкнений. Це принцип підключення підсилювачів. Можна побудувати простий з дешевими CMOS-перемикачами, і вони неймовірно ефективні. Будь-який сигнал, який не знаходиться на «виявленій» частоті, буде іноді додаватися, а іноді і відніматися - тому в середньому протягом кількох 1000 циклів він буде зведений майже до нічого.

Також допомагає фільтрація світла з довжин хвиль, які вас не цікавлять - саме тому ваш ІК-пульт має темно-червоне вікно, наприклад (на приймачі також ...)

Подальші думки

Прочитавши ще раз своє запитання та зважаючи на коментарі нижче, тут трохи детальніше.

Загалом, для описаної вами ситуації (де ви хочете виявити "сигнал" (лазерний удар) за наявності "шуму" (інші гармати, навколишнє світло, сонце ...) вам потрібно шукати способи, якими один сигнал відрізняється від інших. Це зводиться до трьох речей:

  1. Просторова різниця
  2. Різниця в довжині хвиль
  3. Тимчасова (модуляційна) різниця

Візьмемо кожне з них по черзі.

Просторова різниця

Ви приблизно знаєте, де знаходиться гармата, яка спрямована на ціль. Ми можемо використовувати це для усунення "перехресного вогню". Давайте розглянемо цю цифру:

введіть тут опис зображення

100,210-0,2=20.4cм

Кут, що підлягає діафрагмі в центрі об'єктива, буде кутом прийняття - будь-які лазери, що стріляють поза цим діапазоном, будуть заблоковані діафрагмою:

введіть тут опис зображення

Тепер для вибору об'єктива. (Пластикова) лінза Френеля буде тоншою, легшою та дешевшою, ніж інший тип лінз - і достатньою для цього застосування. Вони не сильно страждають від сферичної аберації, тому можливо наявність порівняно великої лінзи з короткою фокусною відстанню. Це може бути важко знайти, але я знайшов дуже дешевий об'єктив 7 "x10" . Ви можете розрізати його на розмір і скласти два-три один на одного, щоб отримати фокусне відстань, яке вам потрібно (чим коротша фокусна відстань, тим тонше ціль; але в іншому випадку немає великої причини витрачати гроші, безумовно, на доказ принципу). Якщо ваша цільова площа становить лише 38 мм, на цьому ж веб-сайті є дешева 50 мм двоопукла лінза: http://www.teachersource.com/product/biconvex--biconcave-lens-sets/light-color. Відмова: Я не пов’язаний з цим сайтом або продуктами.

Загальна примітка щодо лінз: френель тонший (і часто дешевший), ніж звичайний; мало отримати в цій заявці від плано-опуклого та двоопуклого (хоча плано дозволив би передній частині мішені бути рівним).

Різниця в довжині хвиль

Лазери є "однотонними", тобто їх енергія охоплює дуже вузький діапазон у спектрі. Це означає, що якщо у вас є потрібний фільтр, ви можете заблокувати багато "нелазерного" світла. Чим вужчий фільтр, тим краще відносне блокування. Наприклад, ви можете отримати фільтр 635 нм з 5 нм ШВЧМ - це в центрі "кращого" червоного лазерного вказівника.

введіть тут опис зображення

5400

Важливою причиною розгляду фільтра є насичення : на наступному кроці ми розглянемо модуляцію, але це може працювати лише в тому випадку, якщо детектор все ще лінійний за діапазоном інтенсивності, що падає. Якщо детектор (або електроніка) насичені, то зміни сигналу не зміниться, коли інтенсивність входу зміниться - значить, ви не зможете б виявити малий сигнал поверх великого. Відфільтрувавши «добрий шматок» сонячного світла, ви зробите систему менш чутливою - зменшите потребу в масивному динамічному діапазоні.

Модуляція

Останній пункт - і той, з якого я розпочав цю посаду - стосується модуляції. У своєму найпростішому вигляді можна шукати раптового збільшення інтенсивності. Наприклад, якщо ви поставите високочастотний фільтр (серійний конденсатор, маневровий резистор) на виході фотоелемента, ви побачите імпульс лише в тому випадку, якщо інтенсивність раптово зросте. Це відбудеться з лазерним імпульсом, але не з сонячним світлом. Ви можете подати цей сигнал у компаратор, і він виявить пульс.

Більш складні системи можуть використовувати імпульсну модуляцію - ви можете дізнатися про це та отримати набори за дуже невеликі гроші, за допомогою https://learn.sparkfun.com/tutorials/ir-communications . Проблема з передавачами цих систем полягає в тому, що вони кидають широкий промінь (тож вам не доведеться «прицілюватися» до телевізора). Замінивши їх передавачем вузького променя (як лазерний діод), ви повинні мати можливість повторно використовувати більшість інших компонентів. Це дозволить вам використовувати декілька гармат (у кожного запрограмований власний "код") та розказувати їх окремо.

Але як я вже згадував раніше, дійсно крута система використовує схему підсилювача блокування; використовуючи дешевий кварцовий осцилятор, ви повинні мати можливість виявляти сигнал незалежно від фази (вивести квадратурний сигнал з генератора і мати два канали виявлення; потім додайте квадрат цих сигналів разом, щоб інтенсивність не залежала від фази). Поки ваш детектор не насичує, цей метод надзвичайно чутливий: він був однією з моїх улюблених демонстрацій оптики, щоб показати, як ви можете "бачити" невеликий світлодіодний світло з усієї кімнати, коли осцилограф показує "нічого, крім шуму ". Існує хороший опис в цій статті - особливо частина D .


Дуже цікаво. Однак, це здається клопотом, щоб синхронізувати годинник. Якась схема, яка бере зайві вибірки та веде окремі обчислення для різних зсувів фаз, ймовірно, змусить її працювати без синхронізованих годин.

Не впевнений, що я зрозумів. Ви маєте на увазі повідомити цілі, що зброя - це зброя, передаючи їй дійсно швидкі лазерні імпульси? Якщо це так, це не є рішенням, оскільки зброя є стандартною, і ідея полягає в тому, щоб мати будь-яку зброю, використовуючи цю ціль. Під фільтруванням ви маєте на увазі щось, як я сказав (червоний целофан)? Чи достатньо, щоб лише червоне світло потрапляв?

@Atsby: Яка проблема у використанні двох дешевих кришталевих генераторів, які мають похибку відносної частоти менше 1e-4? Це дуже добре для того, що він хоче зробити.

1
@CuriousOne Для схеми модуляції, описаної у відповіді Флоріса, якщо передавач і приймач близькі до кратного 90 градусів поза фазою, приймач нічого не побачить. Навіть якщо вони мають однакову частоту. Мова не йде про точність генераторів, це про збереження необхідності синхронізації їх один з одним (всі практичні схеми передачі цього уникають).

3
@Claudiop У вас є аркуш з продажу (або, ще краще, аркуш даних) цих "стандартних" лазерних випромінювачів? Вони, швидше за все, видають якийсь сигнал.
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.