Ve stavebnictví, architektuře, strojním průmyslu, geologii, geodézii, automatické navigaci a řízení pohybu a i v stále populárnější virtuální realitě je zajímavé měřit vzdálenosti a zaznamenávat obraz v 3D. Pro jednoduchou realizaci 3D snímání až na vzdálenost několik kilometrů slouží PMD senzor. O principu, připojení i použití je následující série článků.

V mnoha aplikacích je nutné elektronicky měřit vzdálenosti a rozměry v 3D prostoru. Takové zobrazení a měření je nezávislé na natočení konkrétního objektu, jeho pohybu, rotaci, úhlu snímání apod. Optika se již běžně využívá pro 2D měření rozměrů předmětů pomocí CCD snímače nebo PSD senzoru. Pro potřeby měření i zbývajícího třetího rozměru, se převážně využívala metoda triangulace nebo interference světla. Tyto metody jsou sice přesné, ale náročné na realizaci a vhodné jen pro malé vzdálenosti. Existuje však ještě třetí metoda známá jako TOF (Time-Of-Flight = měření doby letu světla), která díky vynalezení PMD snímače (Photonic Mixer Device) je velmi snadno realizovatelná.

V tomto článku jsem se pokusil co nejsrozumitelněji popsat funkci PMD senzoru i 3D měření vzdálenosti metodou TOF. V dalším dílu se pak zaměřím na praktické využití PMD senzoru v 3D kamerách a vyráběných kompletních senzorech pro měření vzdálenosti.

Princip 3D měření pomocí TOF

Pro 3D měření vzdáleností a rozměrů předmětů pomocí optiky je možné použít využít 3 metody:

• Metoda tringulace (Triangulation) - běžná a často využívaná metoda, která se však vyznačuje složitou konstrukcí měřící aparatury
• Měření prostřednictvím interferometrie (Interferometry) - měřící metoda vhodná pro přesná měření malých vzdáleností, ale náročná na přesnou aparaturu (čočky, optické hranoly apod.)
• TOF - Time-of-flight - měření času letu světla - metoda s nejjednodušší a nejlevnější celkovou konstrukcí měřící aparatury a však náročné provedení snímače; vhodná pro měření rozměrů a vzdáleností s přesností až cca 1 mm.

 

Metoda TOF je tedy založena na principu již využívaném u zvuku, tj. na měření doby td průchodu paprsku od vysílače k přijímači, která je při známé a konstantní rychlosti světla úměrná vzdálenosti, tj. td = 2R/c (R = hledaná vzdálenost mezi předmětem a senzorem, c = rychlost světla 3.10⁸ m/s). Princip se na první pohled zdá triviální. Prostě vyšleme impuls světla a změříme dobu, než dojde na přijímač. Problém je však právě v přesném měření času, kde cca 6 ps (6 pikosekund = 0,006 nanosekund) odpovídá hloubce 1 mm. Takže by bylo nutné zajistit opravdu neskutečně přesný a hlavně stabilní zdroj času pro měření vzdáleností s přesností alespoň 1 mm. To pro náročné podmínky, například v průmyslu, je hodně náročný úkol.

Proto se využívá jiné veličiny, která je přesně spjatá s časem, ale umíme ji dostatečně přesně měřit. Je to změna fáze. Pokud je vysílané světlo ze zdroje záření (například LED diod nebo LASERu) modulováno konkrétním referenčním RF napěťovým signálem z oscilátoru, vykazuje na straně přijímače posuv fáze, který je úměrný hledané době td. Stačí tedy na straně přijímače, v tzv. 2D-EOM (Electro-Optical Mixer), provést srovnání fáze referenčního RF signálu a příchozího světla a z rozdílu dále určit hledaný čas. Tato metoda se označuje jako CW-modulace (Continuous Wave Modulation = Modulace kontinuální vlny). Pro tuto metodu lze využít libovolnou vlnovou délku světla, téměř libovolná zdroj (např. LED nebo LASER) a je méně ovlivnitelná rušením.

Tzv. 2D-EOM (Electro-Optical Mixer) lze realizovat několika způsoby - viz obrázek 2. :

• "klasicky" - použitím fotodiody (Photo diode) jako převodníku světla na elektrický signál, který se z důvodu rušení frekvenčně omezuje pásmovým filtrem BP a pak se provádí zjištění posuvu fáze ve směšovači (Electrical mixer)



• pomocí PMD senzoru (Photonic Mixer Device), který provádí funkci směšovače již na úrovni dopadajícího světla (jeho fotonů), tzn. dělá prakticky paralelně dvě práce - převádí světlo na elektrický signál a zároveň již vyhodnocuje změnu fáze. Na výstupu takové senzoru je již elektrický signál s informací o změně fáze a i intenzitě dopadajícího záření.

PMD senzor tak výrazně zjednodušuje návrh zařízení pro 3D měření vzdálenosti, protože jeho použitím odpadají všechny diskrétní části a prvky od příjmu světla až po obvody zpracování (Signal Processing) na obrázku 2a. Samotnou konstrukci PMD senzoru lze několika slovy popsat, jako "modifikovaná struktura CCD snímače".

Princip a struktura PMD senzoru

Samotná struktura na světlo citlivého prvku je velmi podobná CCD snímači - viz obrázek 4. Základem je polovodičový substrát typu P nad nímž jsou umístěny dvě pro světlo průhledné elektrody, od substrátu oddělené oxidem SiO2. Zde vzniká potenciálová jáma pro zachytávání náboje dopadajících fotonů - balíčků energie. Jáma je zleva i zprava ohraničená sběracími elektrodami tvořenými ostrůvky polovodiče typu N+ a nakontaktované přes polysilikonové nebo metalické kontakty. Ty jsou pak napojené na čtecí a zpracovávající výpočetní logiku snímače. Isolační kanálky (Isolation Diffusion) pak vzájemně oddělují jednotlivé pixely pole PMD senzoru. Kombinace polovodičových ostrůvků N+ vůči P substrátu tvoří závěrně polarizovanou diodu, což je naznačeno na schématické značce na obrázku 4.

Co nejjednodušeji popsaný princip funkce jednoho pixelu PMD senzoru by mohl vypadat následovně:

Na fotocitlivé elektrody se přivádí referenční RF modulační napěťový signál um, kterým byla provedena i RF modulace vysílaného paprsku světla vysílače, přičemž na jednu elektrodu se přivádí signál fázově posunutý o 180° proti elektrodě druhé (vedlejší). Elektrody jsou navíc předepnuty stejnosměrným napětím Uo pro vytvoření potenciálové jámy pod elektrodou - na obr. 4. levá elektroda Uo+um, pravá elektroda Uo-um. Postupnou střídavou změnou potenciálu na obou elektrodách vzniká taková "potenciálová houpačka", která odvádí nahromaděný náboj z dopadajícího světla buď na levou nebo pravou sběrací elektrodu, kde je již snímán čtecí elektronikou.

Pokud je modulované dopadající světlo tzv. ve fázi s referenčním napěťovým signálem na elektrodách, tj. má stejný tvarový průběh, vždy je při kladné půlvlně náboj odváděn jen na pravou stranu. Pokud je světlo fázově posunuto o 180° je náboj odváděn na levou sběrnou elektrodu. Pokud by byl fázově posunut o 90° pro referenčnímu signálu, je náboj vzniklý dopadajícím světlem stejnoměrně odváděn na obě strany.

Vzniklé proudy z obou sběrných elektrod, i1 a i2, tak v sobě nesou následující informaci:

• součet obou proudů, tj. i1+ i2, udává intenzitu dopadajícího záření a tím útlum způsobený odrazem od vzdáleného předmětu
• rozdíl obou proudů, tj. i1- i2, udává fázový posuv na senzor dopadajícího světla proti světlu vyslaném vysílačem, tzn. i hledané zpoždění světla od vyslání vzniklé průchodem měřené vzdálenosti

Rozlišení, resp. citlivost měření času (fáze) lze zvýšit překládáním referenčního signálu ve více různých fázových posunutích, například 0° a 90° pro levou fotocitlivou elektrodu, 180° a 270° pro pravou elektrodu (viz obrázek 3.). Pro ještě přesnější měření, které je méně citlivé na rušení a nelinearity, je možné použít provedení s fázovým závěsem, tzv. PMD-PLL - viz obrázek 5. Zde se přímo signálovou hodnotou výstupu PMD snímače řídí napěťově řízení oscilátor VCO, který mění fázi generovaného řídícího signálu pro PMD tak, aby výstupní signál byl maximální. Posun fáze VCO proti referenci dané oscilátorem vysílače tak odpovídá době šíření paprsku světla. Přesnost měření zde závisí hlavně na přesnosti zavěšení fázového závěsu.

Provedení a použití celého snímače

Výše popsaný fotocitlivý element však se nevyrábí jako samostatná součástka, ale je zakomponovaný do širšího celku, který tvoří PMD senzor. Ten je tvořen maticí jednotlivých pixelů - jednotlivých PMD snímacích prvků doplněné o čtecí a zápisovou elektroniku, která převádí uložený a odebíraný náboj qa a qb na el. proud nebo napětí - viz. obrázek 6. Provedení čtecí elektroniky může být dvojího druhu:

 

• převodník náboje na el. proud (obr. 6. vlevo) - náboj se akumuluje v kondenzátoru CA , přičemž napětí na čtecí diodě PMD pixelu je udržováno konstantní napětí přivedenou zpětnou vazbou tvořenou tranzistory T1, T2, T3. Směšovací proces opticky aktivní oblasti PMD pixelu není tak z vnějšku ovlivňován. Zároveň vytváří i převodník proud - napětí, takže nakonec na výstupu je změna napětí ΔUout = iph . Tint / (CA + CG), kde CG je ekvivalentní kapacita následujícího připojeného bufferu.



• převodník náboje na el. napětí (obr. 6. vpravo) - je častěji využívaná (hlavně v CCD snímačích) a někdy se také označuje jako plovoucí difusní metoda (floating diffusion technique). Když je náboj opět nakumulován v externím kondenzátoru CD a zároveň difusní kapacitě čtecí diody PMD pixelu, jehož velikost je závislá na zvolené integrační době, je na výstupu napětí ΔUs. To je odebíráno přes oddělovací buffer tvořený tranzistory TA a TS. Na výstupu buňky je tak konečné napětí Uout, odpovídající náboji na jedné polovině pixelu (odděleně se odebírá náboj z levé a pravé čtecí diody PMD pixelu).

Celý pixel (2Q-PMD Pixel) tvořený fotocitlivým prvkem a čtecí elektronikou je pak součástí celé matice (Sensing & Modulation Array) - viz obrázek 7. Ta je doplněna vertikálními a horizontálními skenovacími registry (V a H Scan Register), které dočasně uchovávají právě načtenou informaci, spínací maticí (Switch Array) pro adresování konkrétního pixelu a na rozdíl od CCD snímače i obvody pro přivedení vertikálního a horizontálního referenčního signálu patřičně fázově posunutého (V a H Random Access Modulation). Ty jsou řízeny blokem fázového řízení. Obvykle se využívá a přivádí referenční signál s fázovým posuvem 0°, 90°, 180° a 270°. Signálové výstupy celého PMD senzoru jsou dva - rozdílový a sumační signál podávající informaci o časovém zpoždění a amplitudě dopadajícího signálu.

Závěr

PMD senzor je velmi zajímavý nejen principem svém funkce, ale i jednoduchostí, s jakou lze již kompletní senzor využít v zařízení pro měření vzdálenosti. Právě jeho vlastnostmi, použitím a přehledem jeho nasazení ve výrobcích různých firem se bude zabývat 2. pokračování tohoto článku, který by se měl objevit na serveru automatizace.HW.cz v průběhu července.

DOWNLOAD & Odkazy

• 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
  


• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz