Laser mit 1MHz modulierbar Poptisch >=1mW (möglichst preisgünstig) gesucht für Entfernungsmessung

[Jonny O. (-geo-)]

Hallo zusammen,

ich möchte mir einen Laser-Entfernungsmesser bauen und suche nach einem 
möglichst preisgünstigen Lasermodul.

Anforderungen an das Lasermodul:

Wellenlänge: Irgendwas im sichtbaren Bereich
Leistung: >= 1mW
Modulationsfrequenz: 1MHz
Preis: < 10 Euro

Bei Ebay und Co gibt es diverse Laserdioden für wenige Cent das Stück. 
Allerdings fehlt mir die Erfahrung bis zu welcher Frequenz man solche 
China-Dinger modulieren kann. Meist haben diese Module nur einen 
Vorwiderstand als "Steuerelektronik" verbaut. Das könnte man natürlich 
ersetzen durch einen schnell schaltenden Treiber.

Ziel des Ganzen ist ein möglichst preisgünstiges Endergebnis. Als µC 
(der die Phasenverschiebung misst) kommt beispielsweise eine stm32 
Entwicklerplatine für 2 Euro zum Einsatz.

Schlussendlich hat man dann ein kleines Modul mit einem RS232-Ausgang wo 
man die gemessene Entfernung (wenige cm bis einige m) auslesen kann.

Grüße!
J.O

[Pandur S. (jetztnicht)]

Aha. Toll.
Und einen Empfaenger, dh mit Photodiode und so, der das reflektierte 
Licht in ein Signal umsetzt hast du schon ?

[Martin (Gast)]

Lichtgeschwindigkeit 300.000km/s => 3,33 ns/m. M.a.w. Zeiten im Bereich 
von Bruchteilen von ns messen (0,1ns => 10GHz). Das ist schon nicht ganz 
ohne.

Martin

[Hilfsdiesel (Gast)]

Im "FUNKAMATEUR" 10/2001 war mal ein interessanter Beitrag mit 
Schaltungsbeispielen (Entfernungsmessung mit der 
Phasenvergleichsmethode).

[hp-freund (Gast)]

http://hackaday.com/2014/02/28/homebrew-phase-laser-rangefinder/

[Jonny O. (-geo-)]

Hallo Martin!

sowohl empfangene als auch die gesendete HF werden auf wenige KHz 
heruntergemischt. Der Kniff an der ganzen Sache ist nun, dass die 
Phasenbeziehung zwischen beiden (heruntergemischten) Signalen erhalten 
bleibt. Übersetzt heißt das nichts anderes, als das die zu messende 
Zeitdifferenz um einen großen Faktor vergrößert wird. Bei 1MHz --> 1KHz 
wären das Faktor 1000.

So wird eine Zeitdifferenz von 1ns auf 1µs vergrößert. Das kann ein µC 
spielend messen. Das ist wohl auch einer der Gründe, warum die 
erhältlichen Baumarktgeräte mit Auflösungen im cm-Bereich so erstaunlich 
billig sind.

Viele Grüße!
J.O

[hp-freund (Gast)]

Jonny O. schrieb:
> Baumarktgeräte mit Auflösungen im cm-Bereich

Welche sollen das sein? Höchstens Ultraschall.
Laser gibt es meist im +-1.5mm Bereich.

[Jonny O. (-geo-)]

hp-freund schrieb:
> Jonny O. schrieb:
>> Baumarktgeräte mit Auflösungen im cm-Bereich
>
> Welche sollen das sein? Höchstens Ultraschall.
> Laser gibt es meist im +-1.5mm Bereich.

Hi,

die günstigen Dinger (so um die 40 Euro) arbeiten in der Regel alle mit 
Laser (kein Ultraschall). Stimmt die Auflösung ist im mm-Bereich.

[John D. (Gast)]

Jonny O. schrieb:
>
> die günstigen Dinger (so um die 40 Euro) arbeiten in der Regel alle mit
> Laser (kein Ultraschall). Stimmt die Auflösung ist im mm-Bereich.

Da hast du zwar recht, aber die Auswertung ist nicht so simpel, wie du 
dir das vorstellst! Die Foto-Detektoren in den 50€-Bosch-Teilen sind 
bspw. SPADs (weil so wenig Licht zurückkommt!) und um auf die Auflösung 
zu kommen, verwenden sie Korrelationsverfahren. Simple Phasenmessung 
reicht nicht und deine Vorstellung von der Heruntermischung funktioniert 
auch nicht.
Das Sendesignal ist dort übrigens auch kein Rechteck, sondern ein 
komplexes hochfrequentes Signal.

[hp-freund (Gast)]

Aus diesem komplexem Grunde wäre ich auch mehr für die einfache 
Variante:

http://hackaday.com/2014/03/29/hacking-a-laser-tape-measure-in-3-easy-steps/

[Der Andere (Gast)]

Was in der Rechnung noch fehlt ist eine ordentliche Optik, damit von dem 
reflektierten Laserpunkt auch noch ein messbares Signal rauskommt.
Und der mechanische Aufbau daß die Fotodiode auch nicht vorbeischielt.

Aber wenn du das hinkriegst, dann kaufe ich dir gerne ein oder zwei 
komplette Module für 10 Euro ab.
:-)

[John D. (Gast)]

John D. schrieb:
> Das Sendesignal ist dort übrigens auch kein Rechteck, sondern ein
> komplexes hochfrequentes Signal.

Viel mehr möchte ich nicht aus dem Nähkästchen plaudern, aber das könnte 
für den TE noch relevant sein: Die Frequenzen der im Bosch-Sendesignal 
vorkommenden Sequenzen liegen zwischen 150 und 900MHz...

[Dirk J. (dirk-cebu)]

Jonny O. schrieb:
> Laser mit 1MHz modulierbar Poptisch...

Was für'n Tisch? Wo gibt's den?

[Klaus (Gast)]

Jonny O. schrieb:
> Bei Ebay und Co gibt es diverse Laserdioden für wenige Cent das Stück.

Na da kannst du ja leicht mal was ausprobieren, ohne gleich Pleite zu 
gehen. Billiger sind noch Werbegeschenke mit nem Laserpointer drin. Die 
kosten garnichts.

MfG Klaus

[Martin S. (strubi)]

Moin,

guck Dir mal die Patente der div. Player im TOF-Kameramarkt an (leider 
gibt es nicht mehr so viele...)
Du brauchst auf jeden Fall ne gute Konstantstromquelle, die sich mit 
einigen MHz modulieren lässt. Die passenden VCSEL-Laser sind billig, ich 
habe die Dinger damals bei Deal Extreme erstanden. Siehe auch 
http://tech.section5.ch/news/?m=201001. Da musste man allerdings erst 
den Frequenzverdoppler wegkloppen, in "grün" kriegste den so schnell 
nicht moduliert. (Die Warnung betr. Infrarot muss ich ja nich 
hinschreiben, ne).
Bei manchen Lasern kann man die Treiberschaltung so modifizieren, dass 
einige 100Khz gut gehen. Leider gibts bei den China-Einkäufen meist eine 
breite Streuung der Charakteristik :-)
Ansonsten ist es schon möglich, so ein TOF-Pixel mit dem 
Lock-In-Verstärkerprinzip nachzubauen.

[spess53 (Gast)]

Hi

>So wird eine Zeitdifferenz von 1ns auf 1µs vergrößert.

Bist du sicher?

MfG Spess

[Bernhard (Gast)]

>>So wird eine Zeitdifferenz von 1ns auf 1µs vergrößert.

>Bist du sicher?

Die Phasenbeziehung bleibt erhalten. Hat man bei 1 MHz eine Nanosekunde 
Differenz zwischen zwei Signalen, dann sind es 0,36 Grad. Mischt man auf 
1 kHz runter, dann bleiben es 0,36 Grad, nur sind das bei 1 kHz nun halt 
1µs Versatz zwischen den Signalen.

[spess53 (Gast)]

Hi

>Hat man bei 1 MHz eine Nanosekunde Differenz zwischen zwei Signalen,

Und das ist nach z.B. der Halbierung der Frequenz m.M. nach immer noch 
so.

MfG Spess

[Harald (Gast)]

Jonny O. schrieb:
> Hallo zusammen,
>
> ich möchte mir einen Laser-Entfernungsmesser bauen und suche nach einem
> möglichst preisgünstigen Lasermodul.
>
> Ziel des Ganzen ist ein möglichst preisgünstiges Endergebnis.

Beinhaltet das Ziel auch den Eigenbau? Sonst gibt es für bis zu 2m 
Distanz deutlich unter 5€ auch diese Lösung

http://www.st.com/en/imaging-and-photonics-solutions/vl53l0x.html

[Jonny O. (-geo-)]

Harald schrieb:
> Jonny O. schrieb:
>> Hallo zusammen,
>>
>> ich möchte mir einen Laser-Entfernungsmesser bauen und suche nach einem
>> möglichst preisgünstigen Lasermodul.
>>
>> Ziel des Ganzen ist ein möglichst preisgünstiges Endergebnis.
>
> Beinhaltet das Ziel auch den Eigenbau? Sonst gibt es für bis zu 2m
> Distanz deutlich unter 5€ auch diese Lösung
>
> http://www.st.com/en/imaging-and-photonics-solutio...

Hallo Harald,

Das Modul ist schon recht interessant. Allerdings würde ich das Ganze 
schon gerne selber bauen (sozusagen als Schlechtwetterprojekt für den 
Winter).

Selbst wenn das Endergebnis ungewiss ist, reizt mich da einfach die 
Umsetzung. :-)

[Wolfgang (Gast)]

Martin schrieb:
> Lichtgeschwindigkeit 300.000km/s => 3,33 ns/m.

Du übertreibst.

Nimm mal eine Lichtgeschwindigkeit von 150.000km/s an.

Damit liegst du deulich besser, jedenfalls solange du nicht mit dem 
Lichtweg, sondern mit der Entfernung rechnest.

[Possetitjel (Gast)]

John D. schrieb:

> Simple Phasenmessung reicht nicht

Stimmt. Stichwort: Mehrdeutigkeit.

> und deine Vorstellung von der Heruntermischung funktioniert
> auch nicht.

Doch.

> Das Sendesignal ist dort übrigens auch kein Rechteck, sondern
> ein komplexes hochfrequentes Signal.

Logisch.
Man möchte ja keinen Incrementalgeber, sondern einen
Entfernungsmesser aufbauen.

[Possetitjel (Gast)]

spess53 schrieb:

>>Hat man bei 1 MHz eine Nanosekunde Differenz zwischen
>>zwei Signalen,
>
> Und das ist nach z.B. der Halbierung der Frequenz m.M.
> nach immer noch so.

Punktrechnung und Strichrechnung können wir aber schon
auseinanderhalten?!

Mischung ist Subtraktion der Frequenzen, keine Division.

Die Phasenbeziehungen bleiben m.W. tatsächlich erhalten.

[Dämpfung (Gast)]

cooles Teil da von ST...
Ich hatte/habe auch vor einen Interferenz-Entfernungsmesser zu bauen, 
bin aber noch nicht über theoretische Überlegungen raus...
Jedenfalls bin ich unter anderem auf diese Laserdioden gestoßen: 
http://de.rs-online.com/web/p/laser-dioden/8141193/ (sehe grad aber 
keine Angaben zu Frequenzeigenschaften).

Hast du mal die Freiraumdämpfung bei deinen geplanten Entfernungen 
angeschaut? Außerdem reflektieren die angeleuchteten Oberflächen auch 
nicht immer optimal. Deine ersten Verstärker müssen da recht gut sein 
(je nach Fläche des Empfängers und der verwendeten Leistung natürlich) 
und natürlich die Phaseninformation erhalten und die 
Hintergrundbeleuchtung stark genug dämpfen.

[Possetitjel (Gast)]

John D. schrieb:

> John D. schrieb:
>> Das Sendesignal ist dort übrigens auch kein Rechteck,
>> sondern ein komplexes hochfrequentes Signal.
>
> Viel mehr möchte ich nicht aus dem Nähkästchen plaudern,
> aber das könnte für den TE noch relevant sein: Die Frequenzen
> der im Bosch-Sendesignal vorkommenden Sequenzen liegen zwischen
> 150 und 900MHz...

Korrelationsfolge, nehme ich an.

Könnte man für den Anfang durch Frequenzumtastung ersetzen.
Macht die Auswertung zwar komplizierter, aber einen sportlichen
Aspekt sollte die Sache ja noch haben...:)

[John D. (Gast)]

Bernhard schrieb:
>>>So wird eine Zeitdifferenz von 1ns auf 1µs vergrößert.
>
>>Bist du sicher?
>
> Die Phasenbeziehung bleibt erhalten. Hat man bei 1 MHz eine Nanosekunde
> Differenz zwischen zwei Signalen, dann sind es 0,36 Grad. Mischt man auf
> 1 kHz runter, dann bleiben es 0,36 Grad, nur sind das bei 1 kHz nun halt
> 1µs Versatz zwischen den Signalen.

Ich war mir da auch nicht mehr ganz sicher und habe das daher 
nachsimuliert. Und ja, die Phasenbeziehung bleibt bestehen und aus 1ns 
Differenz bei zwei 1MHz-Sinussignalen wird beim Mischen mit 999kHz 
tatsächlich 1µs bei den beiden 1kHz-Mischprodukten.
Natürlich vergrößert man mit dieser Methode Fehler und Jitter mit, 
gewinnt also nicht an Genauigkeit und Auflösung.

[Jonny O. (-geo-)]

Hallo nochmal,

zwecks Signalerzeugung: Kennt jemand ein Quarzoszillatorpaar mit etwa 
1MHz, wobei die Frequenzen sich um etwa 1KHz unterscheiden? Das 
Einfachste wäre natürlich es gäbe sowas schon fix und fertig. Auf die 
Schnelle habe ich sowas aber nicht gefunden.Ich denke an dieser Stelle 
kommt es insb. auf Stabilität und Jitter an...

[John D. (Gast)]

Oszillatoren mit Festfrequenz und 0,1% auseinander habe ich keine 
gesehen. Du könntest 2 programmierbare Oszillatoren nehmen, aber da hast 
du das gleiche Problem: die Differenz wird nie 1kHz sein (Toleranzen!). 
Daher nimm doch zwei PLL-Bausteine, die von der gleichen 
Referenzfrequenz versorgt werden.

Mich hat das Thema auch immer schon fasziniert. Fang aber einmal klein 
an und versuche, dass reflektierte Signal überhaupt einmal zu empfangen. 
Selbst das ist nicht ohne (Low-noise design, Optik, etc.)!
Dann stürze dich auf die Auswertung.

[Detlef _. (detlef_a)]

Ein Laserentfernungsmesser ist als Selbstbauprojekt genausowenig 
geeignet wie ein Handy.

Hier hab ich son Billigding mal seziert:

Beitrag "Logger zur Registrierung von Distanzen"

Das kann man über eine serielle Schnittstelle auch fernsteuern.

Cheers
Detlef

[Joachim B. (jar)]

hier wird ja immer noch auf dem Tisch gepoppt, woran dachte der TO beim 
Erstellen?

Ich muss immer schmunzeln bei jeder neuen Antwort die den Thread nach 
oben bringt

[Harald (Gast)]

Joachim B. schrieb:
> hier wird ja immer noch auf dem Tisch gepoppt, woran dachte der TO beim
> Erstellen?

Seine Antwort hier ist doch ein legitimes Ziel, oder was meintest Du?

Jonny O. schrieb:
> Allerdings würde ich das Ganze
> schon gerne selber bauen (sozusagen als Schlechtwetterprojekt für den
> Winter).
>
> Selbst wenn das Endergebnis ungewiss ist, reizt mich da einfach die
> Umsetzung. :-)

[Der Andere (Gast)]

Wolfgang schrieb:
> Nimm mal eine Lichtgeschwindigkeit von 150.000km/s an.

Ach.

[hp-freund (Gast)]

In dem link oben
http://hackaday.com/2014/02/28/homebrew-phase-laser-rangefinder/
kommt man auf die englisch übersetzte russische Original Seite.

http://translate.google.com/translate?sl=ru&tl=en&js=n&prev=_t&hl=en&ie=UTF-8&u=http%3A%2F%2Fhabrahabr.ru%2Fpost%2F213749%2F&act=url

Da ist eigentlich alles wichtige zur Phasenmessung und Elektronik 
gesagt.

[Jonny O. (-geo-)]

Hallo,

ich habe mal ganz grob ein Blockschaltbild zusammengeklickt wie ich mir 
das System vorstelle. Das ist aber mit Sicherheit noch nicht final. Im 
ersten Schritt werde ich mich aber zunächst mit dem Sender und Empfänger 
beschäftigen (wenn mal Zeit übrig ist ^^)

[Peter K. (Gast)]

Bernhard schrieb:
> Die Phasenbeziehung bleibt erhalten. Hat man bei 1 MHz eine Nanosekunde
> Differenz zwischen zwei Signalen, dann sind es 0,36 Grad. Mischt man auf
> 1 kHz runter, dann bleiben es 0,36 Grad, nur sind das bei 1 kHz nun halt
> 1µs Versatz zwischen den Signalen.

Man kann das Signal doch gleich ins Basisband runtermischen.

Du kannst zB die Laserdiode mit dem selben Oszillator Modulieren wie den 
Mischer. Dadurch kann man beim Oszillator einiges sparen.

Die Beziehung im Basisband ist dann einfach nur:

$$\sin(\alpha t + \phi) \cdot \sin(\alpha t) = \frac{1}{2}\cos(\phi) - \frac{1}{2}\cos(2\alpha t + \phi)$$

Die hochfrequente Schwingung kannst du jetzt mit einem Tiefpassfilter 
rausfiltern.
Ich würde in dem Sinne empfehlen nach dem Mischer einen einfach 
Antialiasing Filter zu setzen und nach der Digitalisierung nochmal mit 
einem Besselfilter hoher Ordnung und einer Grenzfrequenz von 10Hz.

Damit hast du im Prinzip einen guten Filter mit einer Bandbreite von 
10Hz und Mittelfrequenz 1Mhz und du kannst so auch Signale detektieren 
welche bereits unter dem Rausch Niveau sind.

Das Messgerät hat dann eben die höchste Empfindlichkeit bei einer 
Phasenverschiebung um die 90°, in den Endbereichen nimmt eben die 
Empfindlichkeit stark ab.

Du kannst das ganze eben noch verbessern wenn du anstatt einer reinen 
Sinusschwingung eine Niederfrequente Pseudozufalls Rauschfolge 
aufmodulierst und dann mittels Korrelation detektierst, das wird aber 
dann komplizierter und bedeutet mehr Rechenaufwand.

[Jonny O. (-geo-)]

Hallo Peter,

Danke für dein ausführliches Feedback.
Das Signal ins Basisband zu mischen wäre in der Tat gar nicht so 
ungeschickt. Jedenfalls im Hinblick darauf, dass man nur noch einen 
einfachen Oszillator bräuchte und die PLLs weglassen könnte. Statt im µC 
dann einen Phasenvergleich durchzuführen, würde man den ADC nutzen um 
die DC-Spannung zu messen, die nach dem Filtern dann noch verbleibt. 
Anschließend arc-cos und man hätte den Winkel. Das muss ich mir durch 
den Kopf gehen lassen...

Wobei ich mir noch unklar bin ob die von dir angesprochene Ungenauigkeit 
in den Endbereichen dann nicht etwas unschön ist. Ich denke eine Messung 
der Phase im µC wäre etwas genauer/einfacher durchzuführen. Dazu 
bräuchte man eigentlich nur noch einen Timer und einen ICP bemühen...

[Jonny O. (-geo-)]

Hallo nochmal :-)

Zwischenzeitlich sind die Laserdioden gekommen und ich hoffe demnächst 
mal Zeit für einen kleinen Test der maximalen Modulationsfrequenz der 
Diode zu finden.

folgendes habe ich in meiner Bastelstube noch gefunden:

- Photodiode SFH 2701 High Speed PIN-Photodiode
- LT1028 OP oder wahlweise LT1806 (welcher ist wohl besser geeignet?)