เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์

เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์หรือที่รู้จักกันในชื่อเครื่องวัดระยะทางด้วยเลเซอร์หรือเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์คือเครื่องวัดระยะที่ใช้ ลำแสง เลเซอร์ในการวัดระยะห่างจากวัตถุ เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์แบบที่พบได้ทั่วไปนั้นทำงานโดยใช้ หลักการวัด เวลาในการเดินทางของแสงโดยการส่งพัลส์เลเซอร์ในลำแสงแคบๆ ไปยังวัตถุ และวัดเวลาที่พัลส์ใช้ในการสะท้อนจากเป้าหมายและกลับมายังผู้ส่ง เนื่องจากความเร็วของแสง สูงมาก เทคนิคนี้จึงไม่เหมาะสมสำหรับการวัดที่มีความแม่นยำสูงระดับต่ำกว่ามิลลิเมตร ซึ่ง มักใช้การหาตำแหน่งโดยใช้ สามเหลี่ยม และเทคนิคอื่นๆ แทน บางครั้งเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ก็ถูกจัดอยู่ในประเภทของ ไลดาร์แบบพกพาที่ไม่มีเครื่องสแกน

อาจมีการเข้ารหัสพัลส์เพื่อลดโอกาสที่เครื่องวัดระยะจะถูกรบกวนนอกจากนี้ยังสามารถใช้ เทคนิค ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์เพื่อตรวจสอบว่าวัตถุกำลังเคลื่อนที่เข้าหาหรือออกห่างจากเครื่องวัดระยะ และหากเป็นเช่นนั้น เคลื่อนที่เร็วแค่ไหน

ความแม่นยำของเครื่องมือมีความสัมพันธ์กับเวลาเพิ่มขึ้น [ ^{1 ] การ}เบี่ยงเบน และกำลังของพัลส์เลเซอร์ รวมถึงคุณภาพของเลนส์และการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล บนเครื่อง ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมสามารถลดระยะและความแม่นยำได้อย่างมาก:

• ความชื้น หิมะ ฝุ่น หรืออนุภาคในอากาศอื่นๆ จะทำให้สัญญาณอ่อนลง
• อุณหภูมิที่สูงขึ้นและความดันที่สูงขึ้น (ระดับความสูงที่ต่ำลง) จะทำให้ความเร็วของแสงที่เคลื่อนที่ผ่านอากาศลด ลงเล็กน้อย
• เป้าหมายที่มีขนาดเล็กและสะท้อนแสงน้อยจะให้ข้อมูลน้อยกว่า

ภายใต้สภาพแวดล้อมที่ดี ผู้ปฏิบัติงานที่มีทักษะซึ่งใช้เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ที่มีความแม่นยำสูง สามารถวัดระยะเป้าหมายได้ภายในระยะหนึ่งเมตร ในระยะทางประมาณสามกิโลเมตร

แม้ว่าลำแสงจะแคบ แต่ในที่สุดมันก็จะกระจายออกไปในระยะทางไกลเนื่องจากการเบี่ยงเบนของลำแสงเลเซอร์ รวมถึงผลกระทบจากการกระพริบและการเบี่ยงเบนของลำแสง ซึ่งเกิดจากละอองน้ำในอากาศที่ทำหน้าที่เป็นเลนส์ โดยมีขนาดตั้งแต่ระดับไมโครสโคปไปจนถึงประมาณครึ่งหนึ่งของความสูงของเส้นทางลำแสงเลเซอร์เหนือพื้นโลก

การบิดเบือนของชั้นบรรยากาศเหล่านี้ประกอบกับการเบี่ยงเบนของลำแสงเลเซอร์เอง และลมที่พัดขวางซึ่งผลักดัน ฟองความร้อน ในชั้นบรรยากาศไปด้านข้าง อาจทำให้การวัดระยะทางของวัตถุได้อย่างแม่นยำทำได้ยาก เช่น วัตถุที่อยู่ใต้ต้นไม้หรือหลังพุ่มไม้ หรือแม้กระทั่งในระยะทางไกลกว่า 1 กิโลเมตรในพื้นที่ทะเลทรายโล่งและไม่มีสิ่งกีดขวาง

แสงเลเซอร์บางส่วนอาจสะท้อนจากใบไม้หรือกิ่งไม้ที่อยู่ใกล้กว่าวัตถุ ทำให้ได้ผลลัพธ์ที่เร็วเกินไปและค่าที่วัดได้ต่ำกว่าความเป็นจริง หรืออีกทางหนึ่ง หากระยะทางมากกว่า 360 เมตร และเป้าหมายอยู่ใกล้พื้นดินมาก อาจหายไปในภาพลวงตาที่เกิดจากความแตกต่าง ของอุณหภูมิ ในอากาศใกล้กับพื้นผิวที่ได้รับความร้อน ทำให้แสงเลเซอร์เบี่ยงเบนไป ผลกระทบทั้งหมดเหล่านี้ต้องนำมาพิจารณาด้วย

ระยะห่างระหว่างจุด A และจุด B กำหนดโดย

${\displaystyle D={\frac {ct}{2}}}$

โดยที่cคือความเร็วแสง และtคือระยะเวลาในการเดินทางไปกลับระหว่าง A และ B

${\displaystyle t={\frac {\phi }{\โอเมก้า }}}$

โดยที่φคือความล่าช้าของเฟสที่เกิดจากการเดินทางของแสง และωคือความถี่เชิงมุมของคลื่นแสง

จากนั้นแทนค่าลงในสมการ

${\displaystyle D={\frac {1}{2}}ct={\frac {1}{2}}{\frac {c\phi }{\omega }}={\frac {c}{4\pi f}}(N\pi +\Delta \phi )={\frac {\lambda }{4}}(N+\Delta N)}$

ในสมการนี้λ คือความยาวคลื่นค/เอฟΔφคือส่วนของความล่าช้าของเฟสที่ไม่เป็นไปตามเงื่อนไขπ ( นั่นคือφ modulo π ); Nคือจำนวนเต็มของครึ่งรอบคลื่นของการเดินทางไปกลับ และ ΔN คือส่วนที่เป็นเศษส่วนที่เหลืออยู่

เวลาในการเดินทางของแสง (Time of flight ) – เทคนิคนี้ใช้วัดเวลาที่คลื่นแสงใช้ในการเดินทางไปยังเป้าหมายและกลับมา เมื่อทราบความเร็วของแสงและสามารถวัดเวลาที่ใช้ได้อย่างแม่นยำ ก็สามารถคำนวณระยะทางได้ โดยจะยิงคลื่นแสงหลายๆ ลูกติดต่อกัน และค่าเฉลี่ยของการตอบสนองจะถูกนำมาใช้บ่อยที่สุด เทคนิคนี้ต้องการวงจรจับเวลา ที่มีความแม่นยำสูงระดับ นาโนวินาที

การเปลี่ยนเฟสความถี่หลายค่า - วิธีนี้จะวัดการเปลี่ยนเฟสของความถี่หลายค่าเมื่อเกิดการสะท้อน จากนั้นจึงแก้สมการพร้อมกันหลายสมการเพื่อให้ได้ค่าสุดท้าย

อินเตอร์เฟอโรเมตรี - เทคนิคที่แม่นยำและมีประโยชน์ที่สุดสำหรับการวัดการเปลี่ยนแปลงของระยะทาง แทนที่จะวัดระยะทางสัมบูรณ์

การลดทอนแสงเนื่องจากการดูดซับในชั้นบรรยากาศ - วิธี _นี้ใช้วัดการลดทอนของลำแสงเลเซอร์ที่เกิดจากการดูดซับจากสารประกอบในชั้นบรรยากาศ ( H₂O , CO₂ , _CH₄ , _O₂เป็นต้น ) เพื่อคำนวณระยะทางไปยังวัตถุ วิธีการลดทอนแสง โดย การดูดซับในชั้นบรรยากาศต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ไม่สอดคล้องกันและไม่มี การ_ปรับแต่ง และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่ต่ำซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของอุปกรณ์ ด้วยเหตุนี้จึงสามารถใช้แหล่งกำเนิดแสงราคาประหยัดสำหรับการวัดระยะทางได้ อย่างไรก็ตาม การประยุกต์ใช้วิธีนี้มีข้อจำกัดในการวัดในชั้นบรรยากาศหรือการสำรวจดาวเคราะห์^{[ 2 ]}

เครื่องวัดระยะช่วยให้สามารถวัดระยะทางที่แม่นยำไปยังเป้าหมายที่อยู่ไกลเกินกว่าระยะ ยิง ประชิดของพลซุ่มยิงและปืนใหญ่ นอกจากนี้ยังสามารถใช้สำหรับการลาดตระเวนทางทหารและงานวิศวกรรมได้อีกด้วย โดยปกติแล้วรถถังจะใช้เครื่องวัดระยะเพื่อปรับแก้การยิงตรงให้ถูกต้อง

เครื่องวัดระยะแบบพกพาสำหรับใช้ในกองทัพ สามารถใช้งานได้ในระยะ 2 กิโลเมตร ถึง 25 กิโลเมตร และมักใช้ร่วมกับกล้องส่องทางไกลหรือกล้องส่องทางไกลแบบตาเดียวเมื่อเครื่องวัดระยะติดตั้งเข็มทิศแม่เหล็กดิจิทัล (DMC) และเครื่องวัดความเอียง จะสามารถวัดค่ามุมราบ มุมเอียง และความสูง (ความยาว) ของเป้าหมายได้ เครื่องวัดระยะบางรุ่นยังสามารถวัดความเร็วของเป้าหมายเทียบกับผู้สังเกตได้ บางรุ่นมีอินเทอร์เฟซแบบใช้สายหรือไร้สาย เพื่อให้สามารถถ่ายโอนข้อมูลการวัดไปยังอุปกรณ์อื่น ๆ เช่น คอมพิวเตอร์ควบคุมการยิง บางรุ่นยังสามารถใช้ โมดูล มองกลางคืน เพิ่มเติม ได้ เครื่องวัดระยะแบบพกพาส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้แบตเตอรี่แบบมาตรฐานหรือแบบชาร์จได้

เครื่องวัดระยะรุ่นที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าสามารถวัดระยะทางได้ไกลถึง 40 กิโลเมตร และโดยปกติจะติดตั้งบนขาตั้งกล้องหรือติดตั้งโดยตรงบนยานพาหนะ เรือ เครื่องบิน เฮลิคอปเตอร์ หรือแท่นปืน ในกรณีหลัง โมดูลเครื่องวัดระยะจะถูกรวมเข้ากับอุปกรณ์ตรวจจับความร้อน อุปกรณ์มองกลางคืน และอุปกรณ์สังเกตการณ์ในเวลากลางวันบนยานพาหนะ เครื่องวัดระยะทางทหารที่ทันสมัยที่สุดสามารถบูรณาการเข้ากับคอมพิวเตอร์ได้

เพื่อลดประสิทธิภาพของเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์และ อาวุธ นำวิถีด้วยเลเซอร์ในการโจมตีเป้าหมายทางทหาร กองทัพต่างๆ อาจพัฒนาสีดูดซับแสงเลเซอร์สำหรับยานพาหนะของตน แต่ถึงกระนั้น วัตถุบางอย่างก็ไม่สะท้อนแสงเลเซอร์ได้ดีนัก และการใช้เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์กับวัตถุเหล่านั้นก็ทำได้ยาก

เครื่องวัดระยะเลเซอร์เชิงพาณิชย์เครื่องแรกคือBarr & Stroud LF1 ซึ่งพัฒนาร่วมกับHughes Aircraftและวางจำหน่ายในปี 1965 ต่อมาก็มี Barr & Stroud LF2 ซึ่งรวมเครื่องวัดระยะเข้ากับกล้องเล็งของรถถัง และถูกนำไปใช้กับรถถัง Chieftainในปี 1969 ซึ่งเป็นยานพาหนะคันแรกที่ติดตั้งระบบดังกล่าว ระบบทั้งสองใช้เลเซอร์ทับทิม^{[ 3 ]}

เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการจดจำวัตถุ 3 มิติการสร้างแบบจำลองวัตถุ 3 มิติ และสาขาต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับ คอมพิวเตอร์วิชั่นเทคโนโลยีนี้เป็นหัวใจสำคัญของเครื่องสแกน 3 มิติ แบบ Time-of-Flight แตกต่างจากเครื่องมือทางทหาร เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์มีความสามารถในการสแกนที่มีความแม่นยำสูง โดยมีโหมดการสแกนทั้งแบบหน้าเดียวและ 360 องศา

มีการพัฒนาอัลกอริธึมหลายตัวเพื่อรวมข้อมูลระยะที่ได้จากหลายมุมของวัตถุชิ้นเดียวกัน เพื่อสร้างแบบจำลอง 3 มิติที่สมบูรณ์โดยมีข้อผิดพลาดน้อยที่สุด ข้อดีอย่างหนึ่งของเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์เมื่อเทียบกับวิธีการอื่นๆ ในการประมวลผลภาพด้วยคอมพิวเตอร์ คือ ไม่จำเป็นต้องหาความสัมพันธ์ระหว่างคุณลักษณะจากภาพสองภาพเพื่อกำหนดข้อมูลความลึกเหมือนกับวิธีการแบบ สเตอริโอสโคปิ ก

เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ที่ใช้ในงานด้านคอมพิวเตอร์วิชั่นมักมีความละเอียดเชิงลึก 0.1 มิลลิเมตรหรือน้อยกว่านั้น ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้เทคนิคการหาตำแหน่งโดยใช้สามเหลี่ยมหรือการวัดการหักเหของแสง ซึ่งแตกต่างจากเทคนิคการวัดเวลาในการเดินทางของแสงที่ใช้ใน LIDAR

เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ชนิดพิเศษใช้ใน งาน ป่าไม้อุปกรณ์เหล่านี้มีตัวกรองป้องกันใบไม้และทำงานร่วมกับตัวสะท้อนแสง ลำแสงเลเซอร์จะสะท้อนจากตัวสะท้อนแสงเท่านั้น จึงรับประกันได้ว่าการวัดระยะทางมีความแม่นยำ เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ที่มีตัวกรองป้องกันใบไม้ใช้สำหรับการสำรวจป่าไม้เป็นต้น

เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์สามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพในกีฬาต่างๆ ที่ต้องการการวัดระยะทางที่แม่นยำ เช่นกอล์ฟการล่าสัตว์และการยิงธนูผู้ผลิตที่เป็นที่นิยม ได้แก่ Caddytalk, Opti-logic Corporation, Bushnell, Leupold, LaserTechnology, Trimble, Leica, Newcon Optik, Op. Electronics, Nikon , Swarovski Optik และZeissเครื่องวัดระยะหลายรุ่นจาก Bushnell มาพร้อมคุณสมบัติขั้นสูง เช่น ARC (การชดเชยระยะตามมุม), ความสามารถในการวัดระยะหลายระดับ, ความลาดชัน, JOLT (การสั่นเมื่อล็อกเป้าหมาย) และการค้นหาพิน ARC สามารถคำนวณด้วยมือโดยใช้กฎของนักแม่นปืนได้แต่โดยทั่วไปแล้วจะง่ายกว่ามากหากใช้เครื่องวัดระยะในการล่าสัตว์ ในกีฬากอล์ฟที่เวลาเป็นสิ่งสำคัญที่สุด เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์จะมีประโยชน์ในการระบุระยะทางไปยังธง อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติบางอย่างอาจไม่ถูกต้องตามกฎ 100% สำหรับการแข่งขันกอล์ฟ^{[ 4 ]}นักล่าหลายคนในภาคตะวันออกของสหรัฐอเมริกาไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องวัดระยะ แม้ว่านักล่าในภาคตะวันตกหลายคนจะต้องการเครื่องวัดระยะเนื่องจากระยะการยิงที่ยาวกว่าและพื้นที่เปิดโล่งมากกว่า

การประยุกต์ใช้งานที่สำคัญอย่างหนึ่งคือการใช้เทคโนโลยีเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ในการควบคุมระบบการจัดการสินค้าคงคลังและกระบวนการผลิตในอุตสาหกรรมเหล็กโดยอัตโนมัติ

เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ยังถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การก่อสร้าง การปรับปรุง และอสังหาริมทรัพย์ แทนการใช้ตลับเมตรโดยบริษัท Leica Geosystems เป็นผู้ริเริ่มนำมาใช้ครั้งแรก ในปี 1993 ในประเทศฝรั่งเศสการวัดวัตถุขนาดใหญ่ เช่น ห้อง ด้วยตลับเมตรนั้น จำเป็นต้องมีคนอีกคนหนึ่งช่วยถือตลับเมตรไว้ที่ผนังด้านไกล และต้องมีแนวเส้นตรงที่ชัดเจนพาดผ่านห้องเพื่อดึงตลับเมตรให้ตึง แต่ด้วยเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ งานดังกล่าวสามารถทำได้โดยผู้ปฏิบัติงานเพียงคนเดียว เพียงแค่มีแนวสายตาที่ชัดเจน แม้ว่าตลับเมตรจะมีความแม่นยำในทางเทคนิค แต่เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์นั้นมีความแม่นยำมากกว่ามาก โดยทั่วไปแล้ว เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์จะมีความสามารถในการคำนวณอย่างง่าย เช่น พื้นที่หรือปริมาตรของห้อง อุปกรณ์เหล่านี้สามารถหาซื้อได้ตามร้านขายอุปกรณ์ก่อสร้างและตลาดออนไลน์

เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์มีราคาแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับคุณภาพและการใช้งานของผลิตภัณฑ์ เครื่องวัดระยะระดับทางการทหารต้องมีความแม่นยำสูงสุดและต้องสามารถวัดได้ในระยะทางไกล อุปกรณ์เหล่านี้อาจมีราคาสูงถึงหลายแสนดอลลาร์ สำหรับการใช้งานทั่วไป เช่น การล่าสัตว์หรือการเล่นกอล์ฟ อุปกรณ์จะมีราคาไม่แพงและหาได้ง่ายกว่ามาก^{[ 5 ] [ 6 ]}

เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์แบ่งออกเป็นสี่คลาสและคลาสย่อยหลายประเภท เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ที่วางจำหน่ายสำหรับผู้บริโภคมักจะเป็นอุปกรณ์เลเซอร์คลาส 1หรือคลาส 2และถือว่าค่อนข้างปลอดภัยต่อดวงตา^{[ 7 ]}ไม่ว่าจะมีระดับความปลอดภัยใดก็ตาม ควรหลีกเลี่ยงการสัมผัสดวงตาโดยตรงเสมอ เครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ส่วนใหญ่ที่ใช้ในกองทัพมีระดับพลังงานสูงกว่าเลเซอร์คลาส 2

• จีโอไดมิเตอร์
• การวัดความสูงด้วยเลเซอร์
• เครื่องกำหนดเป้าหมายด้วยเลเซอร์
• การควบคุมเครื่องจักรเลเซอร์
• การสแกนด้วยเลเซอร์
• เครื่องรับสัญญาณเตือนภัยเลเซอร์
• รายชื่อบทความเกี่ยวกับเลเซอร์
• การถ่ายภาพระยะไกล
• การวัดระยะด้วยเลเซอร์จากดาวเทียม

สื่อที่เกี่ยวข้องกับเครื่องวัดระยะด้วยเลเซอร์ในวิกิมีเดียคอมมอนส์

• [1]บทความสั้น ๆ เกี่ยวกับเครื่องวัดระยะล่าสัตว์และประเภทต่าง ๆ