Puolijohteisiin perustuva 3D-etäisyysmittausteknologia tulossa

Oulun yliopiston Circuits and Systems -tutkimusyksikössä (CAS) tehdyssä väitöskirjatyössään Sahba Jahromi on kehittänyt uutta sensoriteknologiaa, joka luo pohjaa pienikokoisen ja vähän tehoa kuluttavan 3D-etäisyyskameran kehittämiselle. 3D-etäisyyskameralla on runsaasti sovelluksia muun muassa liikenteessä, työkoneiden ja robottien ohjauksessa, hahmon tunnistuksessa, liikeohjauksessa, peleissä ja ylipäätään jokapaikan tietotekniikassa. Jahromi on suunnitellut, toteuttanut ja testannut vastaanotinarkkitehtuurin 3D-etäisyyskuvantamiseen. Mittaus perustuu tietyssä toimintamuodossa olevan, tarkoitusta varten suunnitellun laserdiodin tuottamien pulssien kulkuaikojen mittaamiseen.

Sensori on toteutettu kaupallisella CMOS-teknologialla ja sen toiminta perustuu valopulssin kulkuajan mittaamiseen. Mittauslaitteen kohdealue valaistaan hyvin lyhyillä, näkymättömillä laserpulsseilla, joita lähetetään satoja tuhansia sekunnissa. Sensori sisältää 8096 detektorielementtiä, jotka havaitsevat kohdealueelta sironneita fotoneita, sekä elektroniikkaa, joka mittaa fotonien edestakaisen kulkuajan. Näiden samanaikaisten mittausten perusteella kohdealueesta voidaan muodostaa 3D-etäisyyskuva.

Toteutetun 3D-etäisyyskameraprototyypin koko vastaa suurin piirtein tavanomaista digikameraa. Sillä saavutetaan noin 10 m mittausetäisyys ja mittaustahdiksi 20 kuvaa sekunnissa. Se on yksi ensimmäisistä täysin elektronisista julkaistuista 3D-etäisyyskameratoteutuksista. Se siis ei sisällä mekaanisesti liikkuvia osia. Testimittaukset varmensivat arkkitehtuurin toimivuuden ja osoittivat, että siihen perustuen on mahdollista kehittää edullinen, ilman liikkuvia osia toimiva 3D-kuvanninteknologia, jolla voidaan saavuttaa senttimetriluokan etäisyysmittaustarkkuus ja muutaman kilopikselin spatiaalinen resoluutio sekunnin murto-osien mittausnopeudella.

Jahromin tutkimusta ohjanneen professori Juha Kostamovaaran Oulun yliopistossa työskentelevä tutkimusryhmä kohtaa päivittäin haasteita tavoitellessaan merkityksellisiä tuloksia monitieteellisellä tutkimusalueellaan. Ryhmässä on syvällistä osaamista mikroelektroniikkasuunnittelun ja optoelektroniikan osaamisalueilta ja sillä on myös monipuolista kokemusta näitä teknologioita hyödyntävästä laitekehityksestä monissa sovelluksissa muun muassa optisessa spektroskopiassa ja laseretäisyysmittaustekniikassa.

”Laseretäisyysmittauksen osalta tavoitteenamme on kehittää pienikokoinen, suurin piirtein tulitikkurasiaan mahtuva, vähän tehoa kuluttava ja edullinen puolijohteisiin perustuva sensoriteknologia, jolla voidaan tuottaa 2D- (profiilimittaus) ja 3D-etäisyyskuvia sensorin ympäristöstä sovelluksen tarpeiden mukaisesti”, Kostamovaara kertoo. 

Tällaisten sensorien tarve kasvaa nopeasti monilla sovellusalueilla esimerkiksi ajoneuvosovelluksissa, robotiikassa ja turvallisuusalalla. Toisaalta, tiedeyhteisön ja alan teollisuuden erittäin aktiivisesta tutkimuksesta huolimatta, täysin puolijohteisiin perustuvia ratkaisuja ei juurikaan ole vielä esitetty. Puolijohteilla toteuttaminen tarkoittaa, että laitteessa ei ole mekaanisesti liikkuvia osia kuten esimerkiksi peilejä. Toteutus on tällöin kokonaan elektroniikkaan perustuva. 

”Tämä tehtävä on osoittautunut hyvin haastavaksi. Omilla ratkaisuillamme tuntuu toisaalta olevan melkoisesti potentiaalia tälle alueelle”, Kostamovaara sanoo.

Ryhmän vahvuutena on laaja-alainen ja syvällinen elektroniikan ja optoelektroniikan osaaminen, mikä mahdollistaa tutkimustyön komponentti- ja piirikehityksestä laitetason toteutuksiin asti. 

”Yksi osa työtämme on kehittää uusia optoelektroniikan komponentteja, kuten esimerkiksi laserdiodirakenteita, jotka pystyvät tuottamaan erittäin nopeita ja voimakkaita optisia pulsseja, joille kuvanninteknologiamme perustuu”, Kostamovaara kertoo. 

”Toinen tärkeä osa työtä on kehittää CMOS-teknologiaan perustuvaa mikropiirielektroniikkaa, jossa hyvin pienikokoisella piisirulla on monielementtinen ilmaisinmatriisi, joka kykenee detektoimaan samanaikaisesti yksittäisiä fotoneja, ja elektroniikkaa, joka mittaa fotonien ja lähetetyn laserpulssin välisiä kulkuaikoja. Kehitämme teknologiaa prototyyppitasolle asti, koska näin voimme testata ideoituja järjestelmäarkkitehtuureja käytännön sovelluksissa yhdessä tutkimuskumppaniemme kanssa.”

Kehitetyllä tekniikalla on useita sovellusalueita, joista eräs tärkeimmistä on ajoneuvojen ja työkoneiden automaattinen hallinta ja ohjaus esimerkiksi liikenteessä, rakentamisessa sekä maa- ja metsätaloudessa. Suorituskyvyn arviointikriteerit määräytyvät käyttötarkoituksen mukaan. Niitä voivat olla esimerkiksi mittausetäisyys sekä mittausnopeus ja tarkkuus. Näiden suorituskykyyn liittyvien parametrien lisäksi hinta, tehonkulutus ja anturin koko ovat tärkeitä järjestelmäparametreja etenkin massatuotantoon tarkoitetuissa laitteissa. 

Kostamovaaran tutkimusryhmä osallistui äskettäin päättyneeseen, kuusi vuotta kestäneeseen Suomen Akatemian rahoittamaan Laserkeilauksen huippuyksikkö -ohjelmaan. ”Tässä ohjelmassa ehdotimme uudenlaisen, yksittäisen fotonien ilmaisemiseen perustuvan 2D- ja 3D-laseretäisyysmittaustekniikan kehittämistä. Pystyimme kehittämään tämän teknologian ideatasolta siihen vaiheeseen, että voimme nyt esitellä toimivia 2D- ja 3D-etäisyyskuvantimien prototyyppejä.”

Ryhmän pitkäaikainen työ laserkeilauksen tutkimuksessa johti tärkeisiin teknisiin tuloksiin ja julkaisuihin alan johtavissa tiedelehdissä. Kostamovaara pitää keskeisenä tuloksena erityisesti myös sitä, että kyseinen tutkimustoiminta on tuottanut useita päteviä tohtoreita tärkeälle ja kasvavalle teknologia-alueelle. 

”Optoelektroniikka on tulossa kovaa vauhtia tärkeäksi osaksi mikroelektroniikkasuunnittelua ja tämän alan asiantuntijoista on huutava pula. Moni ryhmästä valmistunut tohtori on kouluttautunut alan huippuasiantuntijaksi ja levittää nyt tietämystä teollisuuteen työskennellessään yrityksessä väitöskirjatyön tekemisen jälkeen”, Kostamovaara kertoo tyytyväisenä.

Yksi tärkeistä suunnitteluhaasteista, joihin Kostamovaaran ryhmä on jo tarttunut, on uuden laservalaisinteknologian kehittäminen, joka mahdollistaa etäisyysmittausnopeuden merkittävän parannuksen. 

Yhteistyöaloitteet teollisuudesta ja tutkimuslaitoksista ovat erittäin tervetulleita. ”Meidän tutkimustyömme missiona on kehittää ”perustutkimuksen hengessä” avainteknologioita, jotka luovat pohjaa jatkokehitykselle teollisuudessa. Toivomme tietysti, että teknologiamme löytää tiensä teolliseen tutkimus- ja kehitystyöhön ja lopulta sovelluksiin”, Kostamovaara toteaa.

3D-kuvantimen prototyypin elektroniikka