I moduli di misura della distanza laser sono strumenti ad alta precisione ampiamente utilizzati in settori come la guida autonoma, i droni, l'automazione industriale e la robotica. Il principio di funzionamento di questi moduli prevede in genere l'emissione di un raggio laser e la misurazione della distanza tra l'oggetto e il sensore mediante la ricezione della luce riflessa. Tra i vari parametri prestazionali dei moduli di misura della distanza laser, la divergenza del raggio è un fattore cruciale che influenza direttamente la precisione della misurazione, la portata di misurazione e la scelta degli scenari applicativi.
1. Concetto di base della divergenza del raggio
La divergenza del fascio si riferisce all'angolo con cui il raggio laser aumenta la sua sezione trasversale man mano che si allontana dall'emettitore. In termini più semplici, minore è la divergenza del fascio, più concentrato rimane il raggio laser durante la propagazione; viceversa, maggiore è la divergenza del fascio, maggiore è la sua diffusione. Nelle applicazioni pratiche, la divergenza del fascio è solitamente espressa in angoli (gradi o milliradianti).
La divergenza del raggio laser determina la sua diffusione su una determinata distanza, che a sua volta influenza la dimensione del punto sull'oggetto bersaglio. Se la divergenza è troppo grande, il raggio coprirà un'area maggiore a lunghe distanze, il che può ridurre la precisione della misurazione. D'altra parte, se la divergenza è troppo piccola, il raggio potrebbe risultare eccessivamente focalizzato a lunghe distanze, rendendo difficile una corretta riflessione o addirittura impedendo la ricezione del segnale riflesso. Pertanto, la scelta di una divergenza del raggio appropriata è fondamentale per la precisione e il campo di applicazione di un modulo di misura della distanza laser.
2. Impatto della divergenza del raggio sulle prestazioni del modulo di misurazione della distanza laser
La divergenza del fascio influisce direttamente sulla precisione di misurazione del modulo di distanza laser. Una divergenza del fascio maggiore si traduce in uno spot di dimensioni maggiori, che può portare a una luce riflessa diffusa e a misurazioni imprecise. A distanze maggiori, uno spot di dimensioni maggiori può indebolire la luce riflessa, influenzando la qualità del segnale ricevuto dal sensore e aumentando così gli errori di misurazione. Al contrario, una divergenza del fascio minore mantiene il raggio laser focalizzato su distanze maggiori, con conseguente riduzione dello spot e quindi maggiore precisione di misurazione. Per applicazioni che richiedono elevata precisione, come la scansione laser e la localizzazione precisa, una divergenza del fascio minore è generalmente la scelta preferita.
Anche la divergenza del raggio è strettamente correlata al campo di misura. Per i moduli di distanza laser con un'elevata divergenza del raggio, il raggio laser si diffonderà rapidamente su lunghe distanze, indebolendo il segnale riflesso e, di conseguenza, limitando il campo di misura effettivo. Inoltre, uno spot di dimensioni maggiori può far sì che la luce riflessa provenga da più direzioni, rendendo difficile per il sensore ricevere con precisione il segnale dal bersaglio, il che a sua volta influisce sui risultati della misurazione.
D'altra parte, una divergenza del fascio più piccola aiuta il raggio laser a rimanere concentrato, garantendo che la luce riflessa rimanga intensa e quindi estendendo il campo di misura effettivo. Pertanto, minore è la divergenza del fascio di un modulo di misura della distanza laser, maggiore è l'estensione del campo di misura effettivo.
La scelta della divergenza del fascio è inoltre strettamente legata allo scenario applicativo del modulo di misura della distanza laser. Per scenari che richiedono misurazioni a lungo raggio e ad alta precisione (come il rilevamento di ostacoli nella guida autonoma, LiDAR), si sceglie in genere un modulo con una divergenza del fascio ridotta per garantire misurazioni accurate a lunghe distanze.
Per misurazioni a breve distanza, scansioni o alcuni sistemi di automazione industriale, potrebbe essere preferibile un modulo con una divergenza del fascio maggiore per aumentare l'area di copertura e migliorare l'efficienza della misurazione.
La divergenza del fascio è anche influenzata dalle condizioni ambientali. In ambienti complessi con forti caratteristiche riflettenti (come linee di produzione industriale o scansioni di edifici), la diffusione del fascio laser può influenzare la riflessione e la ricezione della luce. In questi casi, una divergenza del fascio maggiore può aiutare a coprire un'area più ampia, aumentando l'intensità del segnale ricevuto e riducendo le interferenze ambientali. D'altra parte, in ambienti chiari e privi di ostacoli, una divergenza del fascio minore può aiutare a focalizzare la misurazione sul bersaglio, riducendo così al minimo gli errori.
3. Selezione e progettazione della divergenza del fascio
La divergenza del fascio di un modulo di misura della distanza laser è in genere determinata dal design dell'emettitore laser. Diversi scenari applicativi e requisiti comportano variazioni nella progettazione della divergenza del fascio. Di seguito sono riportati alcuni scenari applicativi comuni e le relative scelte di divergenza del fascio:
- Misurazione ad alta precisione e a lungo raggio:
Per applicazioni che richiedono sia elevata precisione che lunghe distanze di misurazione (come misurazioni precise, LiDAR e guida autonoma), si sceglie generalmente una divergenza del fascio inferiore. Ciò garantisce che il raggio laser mantenga uno spot di piccole dimensioni su lunghe distanze, migliorando sia la precisione di misurazione che la portata. Ad esempio, nella guida autonoma, la divergenza del fascio dei sistemi LiDAR viene in genere mantenuta al di sotto di 1° per rilevare con precisione ostacoli distanti.
- Ampia copertura con requisiti di precisione inferiori:
Negli scenari in cui è richiesta un'area di copertura più ampia, ma la precisione non è così critica (come la localizzazione di robot e la scansione ambientale), si sceglie in genere una divergenza del fascio maggiore. Ciò consente al raggio laser di coprire un'area più ampia, migliorando le capacità di rilevamento del dispositivo e rendendolo adatto alla scansione rapida o al rilevamento di aree estese.
- Misurazione a breve distanza in ambienti interni:
Per misurazioni in interni o a corto raggio, una maggiore divergenza del fascio laser può contribuire ad aumentare la copertura del raggio, riducendo gli errori di misurazione dovuti ad angoli di riflessione non corretti. In questi casi, una maggiore divergenza del fascio può garantire risultati di misurazione stabili aumentando le dimensioni dello spot.
4. Conclusion
La divergenza del fascio è uno dei fattori chiave che influenzano le prestazioni dei moduli di misura della distanza laser. Influisce direttamente sulla precisione della misurazione, sulla portata di misurazione e sulla scelta degli scenari applicativi. Una corretta progettazione della divergenza del fascio può migliorare le prestazioni complessive del modulo di misura della distanza laser, garantendone stabilità ed efficienza in diverse applicazioni. Con la continua evoluzione della tecnologia di misura della distanza laser, l'ottimizzazione della divergenza del fascio diventerà un fattore importante per estendere la portata di applicazione e le capacità di misurazione di questi moduli.
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Data di pubblicazione: 18-11-2024