ホームメイドライダ (翻訳) 1

以下記事のほんやくです
https://habr.com/en/post/485574/

この記事では、私のオープンソースパルス（TOF）ライダープロジェクトについて、どのように作ったか、そしてどのような結果を得たかについてお話したいと思います。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/589906/79820327-0fab-9a03-a44c-1ea98210543e.png)

ちょっとした理論

レーザー距離計は、その動作原理から基本的に3つのタイプに分けられます。


トライアングルする。幾何学的な法則を利用して距離を測定するタイプの距離計。レーザー光と受光素子に当たった反射光の角度を測定し、この角度とレーザーと受光素子の距離から対象物までの現在距離を算出するメーターです。
これらのレンジファインダーには利点があります。
- 他のすべてのレンジファインダーの中で最もシンプル。
- 近距離でも高精度に距離を測定できる。
- 最大10kHzのかなり高速な距離測定が可能。
しかし、デメリットもあります。
- 距離計測の精度は、距離が長くなると大きく低下します。
- レーザーは長時間点灯させる必要があるため（受光素子の感度には限界がある）、安全のために出力を制限する必要がある。
- メーターが小さいほど、距離測定の精度は落ちます。

これはロボットのフーバーで使われているレンジファインダーや、アマチュア・ロボットでかなり普及しているRPLIDARレンジファインダーなどです。通常、100〜400ドルする。

このタイプのレンジファインダーについては、私の記事で詳しく書いています。スキャニングレーザー距離計の自作とレーザー距離計のリバースエンジニアリング。
段階的に このレンジファインダーは、レーザー光を高周波信号で変調している。レーザーを制御するための信号と、物体から受け取る信号の間に位相のずれが生じ、物体への「飛行」中のビーム伝搬の遅れが生じます。
これらのレンジファインダーには利点があります。
- 高い測距精度（単位はミリメートル以下）。S/N比が低下すると低下することがある。
- 小型化が可能です。
しかし、デメリットもあります。
- レーザーは連続的に作動するので、出力を制限する必要があります。そのため、遠距離では受信信号がかなり小さくなり、距離計の精度に影響します。
- このようなレンジファインダーの電子回路は、比較的複雑です。
- 高速での測定が困難である。

このタイプの距離計は、工業や測量に使用されています。レーザー巻尺は、そのほとんどが位相差方式で距離を測定しています。ロボットでおなじみの北陽電機URG-04LXライダーも位相差方式を採用しています。
特殊な3Dセンサー（距離画像カメラ）にも、この方式がよく使われています。

このタイプのレンジファインダーについては、私の記事で紹介しました。レーザー距離計とレーザーメーターの仕組み：リバースエンジニアリング。
パルス式です。飛行時間」、TOF（Time-Of-Flight）とも呼ばれる。距離計は、対象物を往復する閃光の「飛行時間」を計測するもので、多くの人が最もよく知る「古典的」な距離計測方法である。一見簡単そうに見えるが、光の速度が速いため、正確に距離を測ることができる距離計を作るのはかなり難しい。

これらのレンジファインダーには利点があります。
- レーザーはパルスモードで使用され、MWを超える超高出力パルスを発生させることができる。そのため、非常に長い距離（月までも）を測定することが可能です。
- 小型化が可能です。VL53L0Xなどのセンサーは、この方式を採用しています。
- 100kHz以上という非常に高速な測定が可能です。
しかし、欠点もあります。
- 高精度（±0.5m以下）の距離測定が困難である。
- このレンジファインダーの電子回路は比較的複雑です。

この種のレンジファインダーは、軍用に限らず、測地学、リモートセンシング、産業、自律走行車、ドローンなど、長距離の計測が必要な場所で積極的に使用されています。

リバースエンジニアリングで同じような距離計に出会いました：ロイズ RS4レーザースキャナー リバースエンジニアリング
しかし、市販の機器をリバースエンジニアリングすることと、レンジファインダーを自作することは、まったく別の話です。

パルスレーザーレンジファインダーの構造

レーザー距離計の主要部品は、電子部品と光学部品です。レンジファインダーがスキャニングレンジファインダー（2D/3D）の場合、通常メカニックが追加されます。


私のレンジファインダーのブロック図はこのような感じです。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/589906/0358e3fc-5aab-bd13-9742-c080040f9479.png)

そのため、このような微小な時間間隔を測定するための特殊なTDC（Time-to-digital converter）チップが開発された。これらのチップは、さまざまな時間測定方法を用いることができるが、最も一般的なのは遅延線を用いる方法である。Habraに、TDCの仕組みについて説明した良い記事があります： Time-To-Digital Converters (TDC): What they are and how they are implemented in FPGAs.
マイクロコントローラ（MCU）。指定した瞬間のレーザーパルスの発生、TDCからのデータの読み取り、対象物までの距離計算、必要な補正計算、いくつかのアナログ回路パラメータの制御、コンピュータへのデータ送信を担当します。

距離計の光学系は、レーザーレンズと受光レンズの2つのノードに分けることができます。
距離計に使われるレーザーダイオードは、かなり広いビームパターン（細いビームで光るのではなく、発散したビームで光る）を持っています。細いビームを実現するために、さまざまな種類のレンズが使用されています。


受光レンズは、物体からの拡散光を受光し、受光部である一点に集光するように設計されている。今回は、レンジファインダーでどのレンズを使ったかについてお話します。


実践編

このように、レーザー距離計には、アマチュア無線技術者には全く馴染みのない部品やユニットがたくさんあるので、その選定や動作原理を詳しく説明していこうと思います。
それでは、ポイントごとに見ていきましょう。


パルスレーザーノード

最近、比較的安価で強力なパルスレーザダイオード、オスラム「SPL PL90_3」が販売されるようになった。こんな感じです。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/589906/dee2df1b-4e03-34ea-07ee-8eeb7a73045e.png)

波長905nmで動作し、1パルスあたり最大75Wの電力を供給します。このダイオードを定常光モード（CW）で使用することは絶対に不可能であることに、すぐさま留意しなければならない。このようなパワーを生み出すには、ダイオードに30Aというかなり大きな電流を流す必要があるのだ。
レーザーの制御には、次のような回路を使用した（ごく普通のものである）。

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ここでのレーザーダイオードはD4とします。レーザーコントロールユニットの仕組みはいたってシンプル。初期状態ではトランジスタQ2は閉じており，レーザは点灯しておらず，コンデンサC17は抵抗R18を介して電圧Vlaserまで充電されています。実はこのコンデンサーには、レーザーを放射するために使われるすべてのエネルギーが蓄えられている。電圧16V、コンデンサ容量20nFの場合、蓄積エネルギーは2,5μJとなり、それほど大きな値ではない。
ある瞬間、トランジスタドライバDA6がパルスを受け取ると、このパルスを増幅し、トランジスタQ2が急激に開き、コンデンサからエネルギーを受け取りながら、レーザーが発光し始めるのです。レーザー光の発光時間を制限するのは、コンデンサの静電容量である。すべての部品が完璧であれば、レーザーに流れる最大電流は非常に大きくなるが、実際には素子のインダクタンスによって大きく制限される。


この回路の便利な点は、トランジスタが故障して短絡しても、レーザーダイオードに流れる電流は抵抗R18で制限され、0.1Aを超えないことである。レーザー光の発生は0.5Aの電流から始まるので、このような故障があっても視力に支障はない。


抵抗R19はレーザー電流を制御するために使用します。そこには小型の高周波U.FLコネクターが接続されており、そこからオシロスコープを接続し、レーザーに流れる電流の形状を観察することができる。このようなオシロスコープの例をVlaser=15Vで示します。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/589906/bdf08c02-783c-2880-b0ca-d83d353de7da.png)

電流パルスは約25ns持続し、パルス中の電流変動は共振現象によるものであることがわかる。この場合の最大電圧値は、約15Aの最大電流に相当する。
高速のAPD光検出器とアンプを使って、レーザーの波形を示す次のようなオシログラムを得た（チャンネル2、信号は反転している）。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/589906/3f99aa24-b9fb-9ac3-4d89-c08830e56efe.png)

レーザーの立ち上がり時間が10ns程度であることがわかる。


Vlaser電圧を調整することで、最大レーザー電流を調整することが可能です。特に、この電圧をチップDA1上に形成するために、DC-DCコンバータノードを作り、その出力電圧をマイクロコントローラから調整することができます。


レーザーが点灯していることをTDCチップに通知するために、DA5チップに特別なノードを作っています。このチップは、レーザーを流れる電流がある値に達するとトリガーする高速コンパレータです。


受光素子ノード

現在、アバランシェフォトダイオード（APD）は、レーザー距離計の光検出器として最もよく使われている。従来のフォトダイオードとは異なり、自ら光電流増幅を行い、感度を高めている。長距離の場合、フォトダイオードの光電流を増幅することは非常に難しく、アンプのノイズレベルで失われてしまうため、回路工学の観点からも非常に有効な手段である。長い間、APDはかなり高価（100ドル以上）で入手が困難でしたが、現在は状況が変わってきています。
例えば、Digikeyでは、MTAPD-07-013フォトダイオードは24ドルで販売されています。それが、最新版のレンジファインダーで使ったものです。Aliexpressでは、さらに安いAD500-8が10～15ドルで販売されています。Mouserでは100ドル以上で売られているので、この値段はちょっとおかしい。しかし、このフォトダイオードは、最初のバージョンのレンジファインダーで使用したところ、非常に良い性能を発揮してくれました。前述のフォトダイオードは、いずれもセンシングパッド径が0.5mmです。aliexpressでAD230-8フォトダイオードを24ドルで売っていますが、パッド径が0.2mmです。そのため、フォトダイオードの静電容量が小さくなりますが、光学系のアライメントが難しくなります。


アバランシェフォトダイオードの重要な特徴は、そのゲインが逆バイアス電圧の大きさと筐体の温度に依存することである。この関係の例を、TOフォトダイオードAD500-8のデータシートから引用します。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/589906/81681c4d-2264-8b34-7a8a-aeeaf61143f5.png)

70V以上の電圧でゲインが大きく上昇し始めることがわかる。90Vに近づくと、電圧に対するフォトダイオードの利得の感度がかなり高くなる。ゲインが高くなると、ノイズレベルも高くなります。
さらに電圧を上げ続けると、フォトダイオードのアバランシェブレークダウンが発生し、通過する電流が大幅に増加し、非常にノイズが多くなり、光に対する応答がなくなります。しかし、フォトダイオードは（電流を上げ過ぎない限り）故障しない。


フォトダイオードのバイアス電圧を十分に高くするために、DC-DCコンバータを使用し、そのPWM信号はマイクロコントローラによって形成されます。このコンバータには，Q1，L5，D1，C10が含まれています。R8/R9の抵抗分圧で電圧を測定しています。電圧フィードバックはマイコンに実装されています。PWM周波数は100kHzです。
わずかな電圧変動で測定精度が落ちることを想定し、PWM発生とレーザートリガーの同期制御を配置してみましたが、同期モードと非同期モードの差は感じられませんでした。RCフィルターR10-C11は、かなり良い仕事をしているようです。


ここで、フォトダイオードの信号増幅器に話を移そう。このような増幅器としては、従来、トランスインピーダンスアンプ（TIA）が用いられてきた。このようなアンプは、入力に電流を受け、それに比例した電圧を出力する。最も単純なケースでは、1つのフィードバック抵抗を持つオペアンプです。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/589906/c90fa45c-13e0-40f4-0cef-c670b1d690c7.png)