Väitös: Yksittäisiä fotoneja ilmaisevan sensorin aikaportitustekniikka laserilla toimivaan 3D-etäisyysmittaukseen

Työssä ei ole keskitytty kehittämään erityisteknologiaa vaan tutkittu asioita helposti saatavalla ja toimivaksi todetulla standarditeknologialla.

-Työssäni käytetty etäisyysmittaustekniikka perustuu erittäin lyhyiden laserpulssien kulkuajan mittaamiseen yksittäisiä fotoneja ilmaisevilla pikseleillä, jotka on toteutettu SPAD-nimisten ilmaisimien avulla CMOS-teknologialla. Kehitin osana tutkimusta myös algoritmin, jolla voidaan ohjata sensoria ja tuottaa etäisyyskuvia reaaliajassa. Työssä kehitetty integroitu sensoripiiri mahdollistaa pienten ja edullisten, ilman liikkuvia osia olevien, 3D-etäisyyskuvantamien kehittämisen. Näillä on käyttöä muun muassa työkoneiden ja ajoneuvojen automaattisessa ohjauksessa ja autonomisessa liikkumisessa, Ruokamo kiteyttää.

Tässä tutkimuksessa on siis käytetty ja hyödynnetty lyhyttä laserpulssia. Kun pulssista saadaan mitattua yksikin fotoni on kohteen etäisyys mahdollista saada tarkasti selvitettyä, jos häiriötekijöitä kuten esimerkiksi taustavaloa ei ole. Laserpulssi etenee valonnopeudella. Kun mitataan sen kulkuaika, voidaan laskea etäisyys, kuinka kaukaa laserpulssi heijastui takaisin vastaanottimelle. Tässä tutkimuksessa laserpulssin kulkuaika mitataan aktivoimalla vastaanottava ilmaisin hyvin lyhyeksi aikaa kerrallaan. Se siis aukaistaan tiettynä ajankohtana, jolloin muun taustavalon tuottama häiriö vähenee. Tällaisessa yksittäisiä fotoneja ilmaisevissa sensoreissa haaste on taustavalo eli sensori on herkkä myös muille valonlähteille kuin varsinaiselle signaalille.

Lyhyt aika tarkoittaa tässä tapauksessa esimerkiksi nanosekuntia. Idea on sama kuin tavallisessa valokuvakamerassa mutta aukaisu ja sulkeminen ohjataan elektronisesti. Valokuvakamera kuvaa värejä ja valoa, 3D-etäisyysmittari kuvantaa etäisyyttä ja tuottaa etäisyyskuvan.

-Väitöstutkimuksessa olen suunnitellut integroidun CMOS SPAD-sensorin, jossa on 80 x 25 yksittäistä fotonia mittaavaa pikseliä. Siinä on 40 erillistä lohkoa, jokaisessa on 50 pikseliä. Lohkoja voidaan ohjata toisistaan riippumatta. Nämä 40 lohkoa voidaan asettaa mittaamaan eri etäisyyksillä olevia kohteita. Sensorilta saatava data on helposti prosessoitavassa muodossa ja datan lukeminen on yksinkertaista. Tutkimukseni demonstroi sensorintoimivuutta ja menetelmä voidaan toteuttaa myös isompaan mittakaavaan. Mitä enemmän pikseleitä on, sitä suurempi resoluutio kuvaan saadaan, Henna Ruokamo kertoo.

Sovelluksia 3D-kuvantajille ovat esimerkiksi itseohjautuvat ajoneuvot, dronet ja muut koneet, jotka tarvitsevat sensoreita hahmottamaan ympäristöä. Myös liikeohjauksessa esimerkiksi pelilaitteissa (Kinect) sekä lisätyn todellisuuden (AR) ja virtuaalitodellisuuden (VR) sovelluksissavoidaan hyödyntää lasermittausta; se on yksi mittaustapa. Ruokamon tutkimuksessa on keskitytty sisällä tapahtuvaan sisäalueskannaukseen eli muutaman metrin etäisyyksiin kohteesta.

-Lyhyt laserpulssi mahdollistaa, että saadaan tarkka etäisyysmittaus pienellä keskimääräisellä optisella teholla. Pienitehoinen laser riittää, kun vastaanottavat sensorit ovat herkkiä yksittäisille fotoneille. Pieni laserin teho on olennaista, sillä esimerkiksi silmäturvallisuus on huomioitava. Laserin tehoa ei voi kasvattaa kovin suureksi, jos se käytössä suuntautuu ihmisiä kohti, Ruokamo muistuttaa.

Tutkimusta 3D-etäisyyskuvantamisesta tehdään tällä hetkellä paljon. Ruokamon työtä ohjannut professori Juha Kostamovaara Oulun yliopiston Elektroniikan piirit ja järjestelmät -tutkimusyksiköstä toteaa, että väitöksessä käytettyä tekniikkaa on hyvät mahdollisuudet kehittää edelleen, sillä tutkimus osoittaa, että menetelmä toimii erinomaisesti.

-Olemme panostaneet laseretäisyysmittaukseen juuri yksittäisten fotonien tasolla. Kohteesta heijastuvan fotonin edestakainen kulkuaika riittää kertomaan etäisyyden. Laite on yksinkertainen, eikä siinä ole liikkuvia osia. Tämäntapaiset, täysin elektroniset ja miniatyrisoidut etäisyyskuvantimet soveltuvat useimpiin näköpiirissä oleviin sovelluksiin paljon paremmin kuin isot laserkeilaimet, jotka perustuvat pyöriviin peileihin. Sellainen mittaa kauas nopeasti mutta toisaalta mekaanisesti pyörivät peilit tekevät mittalaitteen mutkikkaaksi ja kalliiksi, Kostamovaara sanoo.

-Tässä tutkimuksessa käyttämämme ja kehittämämme tekniikka mahdollistaa pienikokoisen edullisen laitteen toteutuksen joka toimii nopeasti pienelläkin laserin keskimääräisellä teholla, kun pikseleitä ohjataan älykkäästi. Pikselit sisältävät vain vähän elektroniikkaa, joten sensorilla on hyvä täyttöaste. Pikselin rakenne mahdollistaa myös sensoritoteutuksen, jossa on paljon pikseleitä. Sensorilta tuleva data on helposti käsiteltävässä muodossa ja voidaan siten prosessoida reaaliaikaisesti. Sensori sietää taustavaloa, koska yksittäisiä fotoneja ilmaisevat sensorit ovat aktivoituina vain hyvin lyhyen ajan kerrallaan, Ruokamo tiivistää tutkimuksen tulokset.