2D CMOS SPAD-ilmaisinmatriisi laserpulssin lentoaikaan perustuvassa 1D-etäisyysmittauksessa

Nyky-yhteiskuntien moninaiset tarpeet etäisyyden ja pituuden mittaamiseksi esimerkiksi tieteellisessä tutkimuksessa, teollisuudessa, liikenteessä sekä kuluttajasovelluksissa edellyttävät kustannustehokkaita teknologisia ratkaisuja, jotka mahdollistavat nopeat automatisoidut mittaukset tarkoituksenmukaisella mittaustarkkuudella. Eräs ratkaisuvaihtoehto on hyödyntää sähkömagneettiseen säteilyyn perustuvia laseretäisyysmittausmenetelmiä, joiden sovellusesimerkit ulottuvat kädessä pidettävistä etäisyysmittareista liikenneturvallisuutta lisäävien järjestelmien kautta satelliittien ja taivaankappaleiden etäisyyksien määrittämiseen. Laseretäisyysmittausmenetelmien oleellinen ero aikaisempaan sähkömagneettista säteilyä hyödyntävään mikroaaltotutkaan on niissä käytettävä lyhyempi säteilyn aallonpituus, joka mahdollistaa merkittävästi paremman avaruudellisen tarkkuuden sekä ilmaisinteknologiasta riippuen yksittäisien fotonien ilmaisun.

Väitöstyössä tutkittiin yksittäisiä fotoneja ilmaisevien SPAD-elementtien kaksiulotteista ilmaisinmatriisiteknologiaa sekä suurienergisiä ja lyhyitä laserpulsseja hyödyntävän yksiulotteisen lasertutkan ominaisuuksia, suorituskykyä ja toteutettavuutta. Tähän liittyen tutkimuksessa karakterisoitiin ja vertailtiin erikoisrakenteisia ”enhanced gain switching”-moodissa toimivia bulk- ja kvanttikaivolaserdiodeja, joilla voidaan tuottaa ~1–5 nJ sekä ~100 ps (puoliarvoleveys) laserpulsseja >100 kHz pulssitustahdilla.

Tutkimustyössä kehitetyn ja toteutetun pienikokoisen lasertutkan vastaanottimena käytettiin tarkoitukseen suunniteltua integroitua CMOS-piiriä, joka sisältää 9x9 SPAD-valoilmaisinmatriisin sekä 10-kanavaisen aikadigitaalimuuntimen rinnakkaisia SPAD-kohtaisia laserpulssin kulkuaikamittauksia varten. Lasertutkan yksittäisen validin mittaustuloksen epävarmuus on ~20 mm ja mittausaika ~30 metrien etäisyydellä olevaan heikosti heijastavaan tummaan kohteeseen muutamia kymmeniä mikrosekunteja. Keskiarvostamalla useita (>400) mittaustuloksia epävarmuus on alle yhden millimetrin kokonaismittausajan ollessa sekunnin murto-osia. Kyseinen suorituskyky saavutettiin heikossa taustavalossa laserpulssin kokonaisenergian, pulssitustahdin ja vastaanottimen apertuurin halkaisijan ollessa 0,6 nJ, 100 kHz ja ~20 mm. Voimakkaasta taustasäteilystä aiheutuvat fotoni-ilmaisut ovat kyseiselle SPAD-valoilmaisinta hyödyntävälle lasertutkalle ominainen ongelma, jotka osaltaan pienentävät signaalifotonien ilmaisutodennäköisyyttä. Taustasäteilyn ollessa erityisen voimakasta on lisäksi vaarana, ettei SPAD-valoilmaisin kykene ilmaisemaan signaalifotoneja lainkaan. Tästä syystä lasertutkan vastaanottimeen suunniteltu fotoni-ilmaisuun aktivoitavan 3x3 osailmaisinmatriisin valintatoiminto minimoi vastaanottimen efektiivisen näkökentän (FOV) vähentäen siten taustasäteilyfotoneista aiheutuvia ilmaisuja. Sama valintatoiminto mahdollistaa laserspotin seurannan ilmaisinmatriisin pinnalla sekä etäisyysmittaustulokset ilman vastaanotetun signaalin voimakkuuden vaihtelusta johtuvaa systemaattista ajoitusvirhettä. Vastaanottimessa on lisäksi aikaportitustoiminto, jonka avulla vastaanotin voidaan aktivoida fotoni-ilmaisuun halutulla ajanhetkellä ja myös siten vähentää taustasäteilyfotonien haitallista vaikutusta signaalifotonien ilmaisuun. Lasertutkan avaruudellisen tarkkuuden sekä mittausnopeuden havainnollistamiseksi suoritetuissa soveltuvuustutkimuksissa mitattiin koehenkilön sydämen syke ilman fyysistä kontaktia usean metrin etäisyydeltä sekä havaittiin yksittäisistä lumihiutaleista aiheutuvia kaikuja lumisateessa. Tutkimuksen tuloksiin perustuen kehitetty teknologia on toimiva vaihtoehto ns. perinteisen lineaariseen ilmaisuun perustuvan lasertutkan ohella suorituskykyisiin, kompakteihin ja kustannustehokkaisiin lasertutkasovelluksiin.