Kopioi artikkelin PDF-versio
Kopioi artikkelin PDF-versio
Lasertutkan keskeiset toiminnalliset osat, vastaanotinkanava ja aikavälimittausosa, on integroitu suorituskykyisiksi CMOS-piireiksi. Tällaisella toteutuksella voitaneen päästä milliluokan tarkkuuteen kymmenen metrin toiminta-alueella, ja teknologialla uskotaan olevan runsaasti potentiaalisia sovelluksia teollisuusmittauksissa. Pidemmän aikajänteen visioina on toteuttaa koko tutka komponenttitasoisena mikrosysteeminä, joka kykenisi mittaamaan etäisyyksiä useaan suuntaan samanaikaisesti ilman liikkuvia osia.
Oulun yliopiston sähkötekniikan osaston elektroniikan laboratoriossa on pitkään kehitetty lasermittaustekniikkaa ja siinä tarvittavia elektronisia ja optoelektronisia rakenteita erityisesti teollisuusmittauksiin. Perinteisesti lasertutkatekniikkaa käytetään militääri- ja geodesiamittauksissa, jotka kuitenkin poikkeavat teollisuusmittauksista selvästi.
Teollisuusmittauksissa kohde on usein passiivinen pinta, jonka heijastuskerroin on tyypillisesti välillä 0,1--0,9. Mittausalue on sovelluksesta riippuen metrin osista muutamiin kymmeniin metreihin ja vaadittava tarkkuus on millimetriluokassa. Usein mittaukselta edellytetään nopeutta. Tyypillisesti yhteen pisteeseen varattu mittausaika on sekunnin murto-osan luokkaa.
Oulussa kehitetyssä lasertutkatekniikassa mittaus perustuu laserpulssin kulkuajan mittaamiseen: pulssi lähetetään kohteeseen, josta se heijastuu vastaanottimelle ja etäisyys saadaan mitatun kulkuajan ja tunnetun valonnopeuden perusteella. Samantapainen mittaus voidaan toteuttaa ultraäänitekniikallakin, mutta laserin optinen keila voidaan koota linsseillä niin, että keilan poikittaiset mitat ovat millimetrejä, mikä on tarkkuuden kannalta tärkeää. Lisäksi valon etenemisnopeus on stabiilimpi kuin ultraäänellä.
Tyypillisiä mittauskohteita ovat pinnankorkeuden mittaus ja profilointi säiliöissä, työkoneiden paikoitus ja asemointi, nopeuden mittaus, törmäysvaroittimet ja erilaiset lähestymiskytkimet ja suojat.
Lasertutkan rakenne
Pulssinkulkuaikamittaustekniikkaan perustuvan lasertutkan lohkokaavio on esitetty kuvassa 2. Yksi tutkan peruslohkoista on lähetin, jossa laserlähteenä käytetään SH- tai DH-pulssilaserdiodeja. Näiden ohjaamiseen tarvitaan tyypillisesti useiden kymmenien ampeerien ja muutamien nanosekuntien mittainen virtapulssi, joka saadaan esim. bipolaaritransistorin kollektori-emitteri avalanche-läpilyöntiä hyödyntämällä.
Vastaanotinkanava muodostuu optisen säteilyn ilmaisimesta, joka voi olla esim. PIN- tai vyöryvalodiodi, vahvistinkanavasta, jossa on vahvistuksen säätömahdollisuus, sekä ajoitusilmaisimesta, joka tuottaa logiikkatasoisen ajoitusmerkin aikavälimittaukselle.
Kolmas peruslohko on aikavälimittausosa, joka digitoi start- ja stop -ajoituspulssien aikavälin halutulla tarkkuudella.
Lasertutkan sydämenä toimii aikavälimittausosa, jonka suorituskyky rajoittaa suoraan koko systeemin suorituskykyä. Tämän ymmärtää helposti kun muistaa, että valo etenee millimetrin edestakaisin noin seitsemässä pikosekunnissa. Jos siis halutaan millin mittaustarkkuus, aikavälejä on kyettävä mittaamaan tällä tarkkuudella ja koko systeemin kokonaisviiveen tulisi pysyä stabiilina tämän tarkkuuden rajoissa. Satunnainen virhe voi olla suurempikin, koska sitä voidaan pienentää keskiarvoistamalla peräkkäisiä mittaustuloksia.
Integroitu lasertutka
TIMIC-projektin yhtenä tavoitteena on ollut kehittää lasertutkan tärkeimpien toiminnallisten osien, vastaanotinkanavan ja aikavälimittausosan, suorituskykyisiä IC-toteutuksia. Näillä on käyttöä muissakin mittaussovelluksissa ja myös tietoliikenteessä. Visiona on toteuttaa lasertutka komponenttitasoisena mikrosysteeminä, jossa kaikki tutkan keskeiset osat on toteutettu yhdessä koteloidussa komponentissa.
Kuvassa 3 on esitetty integroidun lasertutkan vastaanotinkanavan lohkokaavio. Piiri sisältää kaksi identtistä kanavaa, yhden start-ajoitusmerkille ja toisen stop-ajoitusmerkille: näin kanavien viiveiden ryömintä saadaan minimiinsä. Integroidun kanavan ensimmäisenä osana on optisen detektorin ja esivahvistimen väliin kytkeytyvä virtamuotoisesti toimiva AGC-elementti, jolla signaalitaso voidaan paremmin sovittaa esivahvistimen dynaamiseen alueeseen ja jolla signaalidynamiikkaa voidaan kokonaisuutena pienentää. Seuraavana elementtinä on vähäkohinainen transimpedanssityyppinen esivahvistin, jonka lähtösignaali on jännitemuotoinen. Lähtösignaalidynamiikkaa kavennetaan edelleen R-2R -verkolla, jonka kaista on huomattavasti signaalikaistaa laajempi viivevaihtelujen minimoimiseksi. Kanavan viimeisenä lohkona on ajoitusilmaisin, joka periaatteessa muodostuu optimoidusta ylipäästävästä verkosta, joka tuottaa unipolaarisesta ajoitussignaalista bipolaarisen ajoitussignaalin, jonka nollaylityskohdan ajoitus on tietyllä alueella (1:20) tunteeton amplitudivaihtelulle, sekä ajoituskomparaattorista, joka tuottaa lähtöön logiikkatasoisen ajoitusmerkin. Lisäksi kanavassa on eräitä muita systeemin kannalta tärkeitä lohkoja, kuten esim. huippuarvoilmaisin ja kohinakynnyslohko.
Eräs Oulun yliopiston sähkötekniikan osaston elektroniikan laboratorion tutkimusalueista on jo pitkään ollut aikavälien tarkka mittaaminen, myös yleisemminkin kuin laseretäisyysmittauksiin liittyen, ja erityisesti siihen liittyvät integroidut piirirakenteet, joita yleisesti kutsutaan aika-digitaali -muuntimiksi (time-to-digital converter, TDC). Kyseessä on siis elektroninen piiri, jonka tuloina on kaksi tai useampia ajoitusmerkkiä -- start- ja stop-signaaleja -- ja lähtönä digitaalisana, joka ilmoittaa ajoitusmerkkien välisen aikaväli(e)n pituuden. Aika-digitaali -muunnos voidaan tehdä monella tavoin riippuen siitä, minkälaista resoluutiota ja mittausaluetta tavoitellaan.
Elektroniikan laboratorion aikavälimittaukseen liittyvässä tutkimustyössä on keskitytty kehittämään pääasiassa ns. interpolaatiotekniikoita, joilla voidaan samanaikaisesti saavuttaa sekä erinomainen kertamittausresoluutio että laaja, lineaarinen toiminta-alue. Interpolointitekniikkaa soveltava aika-digitaali -muunnin toimii siten, että siinä aikaväli digitoidaan karkeasti laskemalla stabiilin oskillaattorin pulsseja laskurilla mitattavan aikavälin verran. Mikäli muuta ei tehtäisi, mittauksen kertamittausresoluutiota rajoittaisi oskillaattorin jaksonpituus: esimerkiksi 100 MHz:n oskillaattorilla kertamittausresoluutio olisi +/-10ns. Parempaan resoluutioon päästään digitoimalla lisäksi aikavälit start- ja stop-ajoituspulsseista seuraaviin kellopulssin reunoihin erillisellä interpolaatiopiirillä, joka voi perustua vaikkapa analogiseen aika-amplitudi -muunnokseen tai digitaalisiin viivelinjoihin. Lopullinen tulos saadaan yhdistelemällä osatulokset. Mikäli ajoituspulssit ovat asynkronisia kelloon nähden peräkkäisissä mittauksissa, murto-osien pituudet (ajoituspulsseista seuraaviin kellopulssin reunoihin) vaihtelevat satunnaisesti. Tämä on tärkeä ominaisuus, koska se johtaa siihen, että interpoloinnin epälineaarisuudet tavallaan keskiarvoistuvat toistuvassa mittauksessa eivätkä aiheuta lineaarisuusvirhettä lopulliseen tulokseen; menetelmässä tapahtuu siis muunnos, joka muuttaa systemaattisia virheitä satunnaisiksi, minkä jälkeen niiden vaikutusta voidaan keskiarvoistuksella pienentää!
Aikaa huipputarkasti
Kuvassa 4 on esitetty erään CMOS-prosessissa toteutetun kaksivaiheinterpolointiin perustuvan aika-digitaali muuntimen lohkokaaviotasoinen rakenne. Muuntimen ulkoinen referenssikellotaajuus on 85 MHz, ja siitä muodostetaan sisäisellä viivelinjalla sisäiseksi kellotaajuudeksi 16-kertaa korkeampi taajuus (1. interpolaatio), jolla taajuudella tuleva aikaväli tavallaan digitoidaan ensimmäisessä vaiheessa. Tämän lisäksi ajoitusmerkkien (start- ja stop-signaalien) asema kahden peräkkäisen sisäisen kelloreunan välillä digitoidaan erikseen toisella rinnakkaisiin viive-elementteihin perustuvalla viivelinjalla (2. interpolaatio) niin, että lopulliseksi kertamittausresoluutioksi saadaan noin 90 ps, joka vastaa siis muuntimen LSB:tä.
Rakenne on suunniteltu erityisesti pyrkien hyvään lineaarisuuteen, mikä tarkoittaa pitkien viivelinjaketjujen välttämistä (ts. toiminnan kaksivaiheistamista). Toisena tavoitteena on ollut pyrkimys hyvään stabiilisuuteen, minkä vuoksi kaikki viiveet start- ja stop-kanavissa on sovitettu ja kaikki viivelinjat lukittu sisäisillä viivelukituilla silmukoilla referenssitaajuuteen. Tämä on välttämätöntä erityisesti CMOS-teknologiassa, jonka perusviive riippuu voimakkaasti sekä lämpötilasta että käyttöjännitteestä. Piirillä päästään pikosekuntiluokan tarkkuuteen laajalla toiminta-alueella kertamittausresoluution ollessa noin 50 ps (tulosten jakautuman hajonta).
Parhaillaan piiristä ollaan suunnittelemassa uutta versiota, jonka resoluutio LSB tullee olemaan n. 50 ps:n luokkaa. Toteutettu IC-rakenne sisältää kaikki piirin toiminnalliset osat ulkoista referenssioskillaattoria lukuun ottamatta ja se toteutettiin 0,8mm:n CMOS-teknologialla. Piiri on luonteeltaan flash-muunnin, joten sen muunnostahti voi olla hyvinkin korkea. Piirin layout on esitetty kuvassa 5.
Näkevä lasertutka -komponentti
Tavoitteena on siis yleisesti nostaa lasertutkan integrointitasoa ja siten laajentaa kehitetyn teknologian sovellusaluetta. Aloituskuvassa 1 on esitetty erääseen sovellukseen liittyvä piiri, jossa samalla hybridillä on erillinen valodetektorisiru ja integroitu vastaanotinkanava.
Mikään ei periaatteessa estä myös lähettimen ja aikavälimittauksen integroimista samaan kokonaisuuteen. Näköpiirissä on lisäksi sovelluksia, joissa mittalaitteen tulisi kyetä mittaamaan etäisyyksiä useaan suuntaan samanaikaisesti: tähän voidaan päästä integroimalla vastaanotinkanavasirulle valoilmaisinmatriisi ja useita vastaanotinkanavia sekä aikavälimittausosa, joka kykenee digitoimaan useita aikavälejä rinnakkaisesti.
Teknologia tarjoaa tähän mahdollisuudet, ja tutkimusryhmässä onkin juuri suunniteltu IC-piiri, joka sisältää neljä rinnakkaista lasertutkakanavaa valoilmaisimesta aikavälimittaukseen asti samalla sirulla. Piiri toteutetaan 0,8µm:n BiCMOS-teknologialla, ja sen pinta-ala on 15mm2:n luokkaa. Valokuva suunnitellusta sirusta on esitetty kuvassa 5. Epäilemättä tällaisen teknologian kehitystyötä jatketaan, ja siihen kuuluu osana myös uusien toimintaperiaatteiden ja toiminnallisten kokonaisuuksien ideointi.
Pikosekuntiluokan laserpulssien generointi
Yhtenä elektroniikan laboratorion tutkimusryhmän tutkimuksen tavoitteena on nopeuttaa laserpulssia huomattavasti nykyisissä sovelluksissa tyypillisestä pulssinpituudesta 5-10ns:sta tasolle 50-100ps:a mikä mm. yksinkertaistaisi vastaanotinkanavan rakennetta: tällöinhän cm-luokan tarkkuuteen riittäisi yksinkertainen reunailmaisu.
Yhdeksi lupaavaksi menetelmäksi on löydetty DH-laserdiodien osalta (double heterostructure) nopean pulssin isolointi optisella suodatuksella diodin transienttispektristä. Tämä edellyttää käytännössä erittäin voimakasta pulssimaista laserdiodin ohjausta (50A/0,5ns), jolloin laserointi tapahtuu hetkellisesti "jatkuvaan tilanteeseen" nähden korkeammilla energiatasoilla, joilta tuleva säteily voidaan optisella suodatuksella erottaa lähtöpulssista. LD193-laserdiodin pulssin teho on luokkaa 17 W ja pulssinpituus noin 25 ps.
Toisena lupaavana menetelmänä on eräille SH-laserdiodeille (single heterostructure) ominainen sisäinen Q-kytkentä, jossa laserpulssin tuotto viivästyy sopivissa olosuhteissa ohjausvirtapulssin takareunalle. Tämän ilmiön fysikaalinen tausta on mutkikas, osansa siihen vaikuttaa laserdiodin optisen resonaattoriontelon hyvyyden "huononeminen" ohjauspulssista johtuen ja osansa varauksenkuljettajien "kuumeneminen" eli levittäytyminen leveämmälle energiajakautumalle ohjauksen aikana vallitsevan voimakkaan sähkökentän ansiosta. Tämä puolestaan estää populaatioinversion ja siten viivästää laseroinnin ohjauspulssin takareunalle, jonka yhteydessä tapahtuva varauksenkuljettajien relaksaatio mahdollistaa populaatioinversion ja laseroinnin. Esimerkiksi SH-laserdiodista (LD62) saadaan huomattavasti nimellistehoa suurempi lähtöteho. Tässä 10W:n nimellistehoisesta laserdiodista saadaan 200 W:n tehoinen ja n. 23 ps:n mittainen pulssi. Sisäinen Q-kytkentä on ilmiönä erittäin mielenkiintoinen senkin vuoksi, että se tavallaan tarjoaa neljännen ulottuvuuden varastoida varauksenkuljettajia "energiakaista-avaruuteen" (diodin aktiivisen alueen tilakoordinaattien lisäksi), mikä luonnollisesti lisää diodista saatavan laserpulssin tehoa Q-kytkentähetkellä.
Em. tekniikat edellyttävät erittäin suorituskykyistä laserdiodipulssittajaa, jonka on tuotettava kymmenien ampeerien virtaohjaus, jonka aikaparametrit (nousuaika, laskuaika, pulssinpituus) ovat satojen pikosekuntien - nanosekuntien luokassa. Elektroniikan laboratorion tutkimuksessa on kehitetty tähän monia menetelmiä, jotka perustuvat pn-liitoksen dynaamisten läpilyöntiefektien hyväksikäyttöön. Tämä tutkimusalue on sinällään varsin laaja liittyen moniin käytännön sovelluksiin - aivan kuten pikosekuntiluokan laserpulssitkin, joilla voi kuvitella olevan yleisemminkin sovelluksia mm. optisen mittaustekniikan parissa.
Aiheesta enemmän
Kari Määttä: "Pulsed time-of-flight laser rangefinding techniques and devices for hot surface profiling and other industrial applications", Acta Universitatis Ouluensis, Technica C 81, Doctoral Thesis
Tarmo Ruotsalainen, "Integrated receiver channel circuits and structures for a pulsed time-of-flight laser radar", Acta Universitatis Ouluensis, Technica C 136, Doctoral Thesis
Elvi Räisänen-Ruotsalainen, "Integrated time-to-digital converter implementations" Acta Universitatis Ouluensis, Technica C 122, Doctoral Thesis
Yhteystieto: Juha.Kostamovaara@Oulu.fi
Tutkimushanke: TIMIC, tietoliikenteen ja mittaustekniikan IC-rakenteet
Yhteistyössä: Noptel, Nokia Mobile Phones, Nokia Telecommunications, Polar Electro ja Fincitec.
Teknologiaohjelma: ETX