V prvním díle s podtitulem "Princip" jsem stručně popsal princip 3D měření vzdálenosti metodou TOF a k tomu určený PMD senzor. Následující díl pak stručně uvádí nejdůležitější vlastnosti PMD snímače a jeho použití v kompletních senzorech pro měření vzdálenosti a v 3D kamerách.

V první části článku o PMD senzorech, označené jako "PMD senzor & 3D měření vzdálenosti - 1. část "Princip", jsem se pokusil stručně a co nejjednodušeji popsat princip a funkci měřící metody TOF i samotný PMD snímač, který výrazně zjednodušuje realizaci zmíněné metody. Ovšem podobné informace jsou na nic, pokud není uvedeno, k čemu se to dá prakticky využít. V následujících řádcích tedy navazuji na minulý díl a pokusil jsem se co nejstručněji uvést základní vlastnosti PMD senzoru a hlavně aplikace, kde se už buď využívá nebo v nejbližší době využívat bude.

Hlavní vlastnosti PMD senzoru

Samotný PMD snímač i celé provedení senzoru se zdrojem světla, tzn. 3D kamery a senzory vzdálenosti, se vyznačují několika významnými vlastnostmi a parametry, které při návrhu a stavbě 3D kamery nebo výběru PMD senzoru hrají významnou roli. PMD snímač lze i samostatně otestovat, například zapojením testovací aparatury dle obrázku 1. Nejvýznamnější vlastnosti jsem se pak pokusil stručně popsat v následujících řádcích. Uvedené obrázky průběhů byly získány praktickým naměřením hodnot právě zobrazenou testovací sestavou na univerzitě SIEGEN.

 

Popis hlavních vlastností:

 

• Zkreslení modulovaného optického paprsku a demodulovaných signálů PMD pixelu - bohužel modulace paprsku světla není ideální, stejně jako přijímací schopnost každého PMD pixelu. Se změnou modulační frekvence se mění i reálných průběh demodulovaného signálu na výstupu PMD pixelu - viz obrázek 3. Tím se zhoršuje schopnost přesně určit posun váze i časové zpoždění získané průchodem paprsku měřenou vzdáleností. Zatímco při modulační frekvenci 1 MHz i 5 MHz je dobře patrný fázový posuv cca 90°, při modulaci 20 MHz to již zřejmé není.

• Spektrální citlivost PMD senzoru - určuje vhodnou vlnovou délku vysílaného paprsku světla. Fotocitlivé plošky PMD snímače mají určitou citlivost na určité vlnové délky dopadajícího světla. To je dáno vlastností světla, kdy různé vlnové délky mají různou pronikavost strukturou senzoru (pixelu). S rostoucí vln. délkou světlo proniká hlouběji do křemíku. Pro krátké vln. délky světlo proniká jen do úplně horních vrstev senzoru a naopak pro velké vln. délky proniká až hluboko do substrátu mimo na světlo citlivý kanál. Pro PMD senzor se spektrálním průběhem na obrázku 4. byl zvolen jako zdroj světla laser s vln. délkou 625 nm.

Převodní charakteristika PMD senzoru - popisuje schopnost PMD senzoru kumulovat a držet náboj. Převodní charakteristika je závislost výstupního napětí pixelu PMD senzoru na modulačním napětí, které se přikládá na řídící elektrody. Jak je vidět na obrázku 5., závislost je lineární zhruba v rozsahu 500 mV v okolí modulačního napětí 0.5 V. Zde také dochází k maximální efektivitě separaci náboje. Na koncích je charakteristika již silně nelineární. Fakt, že maximální separace nedosahuje limitu 100%, je způsoben nesouměrnou distribucí potenciálu na celé ploše na citlivé oblasti PMD pixelu. Frekvenční charakteristika PMD senzoru - definuje závislost modulačního výkonu na modulační frekvenci.

Obr. 5. Příklad převodní charakteristiky PMD senzoru

 

• Korelační charakteristika PMD senzoru - dává nám informaci o působících vlivech typu nelinearita, omezení frekvenčního pásma, i jiných dalších typech působících rušení. V ideálním případě, tj. bez jakýchkoliv vlivů, má průběh korelační charakteristiky sinusový průběh v případě, že průběh modulace je sinusový, a trojúhelníkový průběh v případě modulace obdélníkovým průběhem. Na obrázku 6. je pak naměřena korelace pro obdélníkový modulační signál s různou modulační frekvencí (20 kHz, 20 MHz a 60 MHz). Zde je vidět, že s rostoucí frekvencí dochází ke zkreslení trojúhelníkového průběhu až na téměř sinusový. To je způsobeno omezením frekvenčního pásma PMD senzoru. Navíc tento jev způsobí i posuv měřené fáze v porovnání se sinusovou modulací na stejné frekvenci. Na obrázku zobrazený výrazný posuv fáze je pak způsoben vlivem připojených kabelů a filtrů. Právě uvedené omezení sice hovoří pro použití sinusové modulace, ale obdélníková modulace je zase snažší na realizaci a lze jí dosáhnout 100 % hloubky modulace.

Princip 3D kamery

Hlavní možnost využití PMD senzoru je v zařízení nazývané 3D kamera, která využívá TOF metodu snímání. Při čtvercové pixelové struktuře CMOS-PMD snímače lze snímat jak dvojrozměrný klasický obraz (podobně jako u CCD snímače), tak i potřebný třetí rozměr. Díky komplexní konstrukci senzoru je provedení takové kamery v porovnání s jiným řešením jednoduché. Zvláště při použití již hotového modulu - PMD front-end modul - je již na výstupu k dispozici přímo typizovaný napěťový signál.

Obecně lze konstrukci 3D kamery s CMOS-PMD rozdělit na následující části:

• Optická modulační jednotka se zdrojem paprsku světla - Laserová nebo LED dioda (Laser diode + Laser diode driving module)
• Snímací modul s PMD snímače (PMD front-end module)
• Jednotka posuvu fáze (Phase shifting unit)
• Modul řízení časování a zpracování dat (Timing control and data processing module)

Na následujícím obrázku 9. je podrobnější blokové schéma elektroniky. Mimo nejdůležitější bloky, tj. PMD Chip a zdroj světla (Lasersender), patří mezi základní svatební kameny mikroprocesor, který řídí a zpracovává data a zároveň může zajišťovat i komunikaci s okolními systémy. Pro modulaci a demodulaci světla slouží dvoukanálový modul posuvu fáze (Phase shifting module), který vyrábí referenční signály s požadovaným fázovým posuvem pro zdroj světla i obě řídící elektrody na fotocitlivých plošek PMD pixelu. Tento modul je dnes obvykle řešen na bázi fázového závěsu PLL a využívá přímou digitální syntézu DDS (Direct Digit Synthesis), kdy se konkrétní parametry signálu "vyrábějí" digitálně pomocí fázového akumulátoru a následně převádějí D/A převodníkem na analogový průběh. Analogový signálový výstup PMD senzoru (průběh napětí Ua a Ub - viz obrázek 2.) je pak opět převeden na digitální a zpracován mikroprocesorem. Časovací modul (PMD Timing Generation) slouží integraci signálu v čtecích obvodech jednotlivých pixelů PMD senzoru.

Důležitým parametrem kamery nebo měřiče vzdálenosti je maximální dosah. Tato hodnota je hlavně závislá na třech faktorech: vysílací optický výkon zdroje světla, citlivost PMD senzoru a odrazivost plochy, od které se vyslaný paprsek odrazí zpět. Na následujícím obrázku 10. je příklad reálných naměřených závislostí přijímaného optického výkonu na měřené vzdálenosti pro různé vysílací výkony laserové diody a závislosti přijímaného optického výkonu na úhlu odrazu od plochy tvořené bílým papírem (white paper) nebo speciální odraznou plochou (3M - reflector).

PMD senzor ve výrobcích firem

PMD senzor vzdálenosti firmy ifm electronic

Mezi přední výrobce, které mají v nabídce senzory využívající PMD snímač, patři i firma ifm electronic. Ta ve své nabídce nabízí optické distanční senzory řady O1D10x. Ty jsou umístěny v kvádrovém kovovém pouzdru a jejich vnitřní konstrukce je podobná té na obrázku 7. Jako zdroj světla se využívá viditelné laserové světlo, které je dle výše uvedeného principu odráženo od měřeného objektu zpět na PMD snímač. Měřící dosah je až 10 m, což ovšem platí pro odraznou plochu typu bílý papír s 90 % odrazem světla. V případě šedivé barvy je už dosah jen cca 6 m. K nastavení vlastností a spínacích parametrů slouží 4znakový displej se 2 tlačítky.

Hlavní vlastnosti:

• Zdroj světla: červený laser, vln. délka 650 nm, max. výkon 1 mW
• Modulace: pulsní, délka pulsů 8 ms
• Měřící rozsah: 0.2 až 10 m
• Přesnost měření vzdálenosti: až 15 mm
• Frekvence měření: max. 50 Hz
• Výstup: proudová smyčka 4/20 mA a volitelný spínaný DC PNP N.O./N.C.
• Napájení: 10 až 30 V DC, max. 150 mA
• Pracovní teplotní rozsah: -10°C až 60°C
• Rozměry: 42 x 42 x 52 mm
• Krytí: IP65

 

3D kamera pro řízení automobilů

Z pohledu využití kompletní 3D vizualizace a snímání obrazu se v současnosti nejčastěji skloňuje automobilový průmysl, kde by tato technologie umožnila větší automatizaci řízení vozidla a další zvýšení bezpečnosti v hustém provozu. Automobil s přesnou 3D kamerou s PMD snímačem by tak získal "oči", poskytující důležitou komplexní informaci o vzdálenosti i tvarech objektů předním, případně i okolo. Mohl by tak sledoval nejen okolo jedoucí automobily, ale i například reagovat na chodce ve vozovce ve výrazně kratším čase, než je schopen sám řidič. Podobné systémy jsou již ve vývoji několika firem. Jednou z nich je i Conti Temic microelectronic GmbH, která je součástí sdružení Continental Group.

Závěr

3D kamery a měřiče vzdálenosti (distanční senzory) na bázi PMD snímačů představují nejen zajímavý, ale i efektivní systém, jak pro potřeby jednoduchého měření vzdáleností s přesností na mm, tak i pro náročnější 3D snímání obrazu. Stěžejní uplatnění této technologie je hlavně v automobilovém průmyslu, dopravě, robotice, zabezpečovacích zařízeních a virtuální realitě. Myslím si, že již v blízké budoucnosti můžeme očekávat masivní rozšíření těchto systémů pracujících na principu TOF se snímačem na bázi struktury PMD.

 

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovské stránky firmy ifm electronic - výrobce distančních senzorů s PMD - www.ifm-electronic.cz, přímý odkaz na stránky o distančních senzorech s PMD
  


• Domovská stránka firmy TEMIC, Continental Group - www.conti-online.com, odkaz na článek v angličtině
  


• Xuming Luan: "Experimental Investigation of Photonic Mixer Device and Development of TOF 3D Ranging Systems Based on PMD Technology", DEPARTMENT OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMPUTER SCIENCE AT UNIVERSITY OF SIEGEN


• Z. Xu, R. Schwarte, H. Heinol, B. Buxbaum, and T. Ringbeck: "Smart pixel 3 photonic mixer device (PMD)", Universität-GH-Siegen
  


• Článek "PMD senzor & 3D měření vzdálenosti - 1. část "Princip" na serveru automatizace.HW.cz