Elektroniikan osaaja pilkkoo sekunteja

Fyysisen ympäristömme digitaaliseksi pistepilveksi muuntava halpa etäisyyskamera on kuuma tutkimusaihe ympäri maailmaa. Yksi maailman kärkiryhmistä toimii Oulun yliopistossa.

Kun Henna Ruokamo vuonna 2015 huomasi tarjolla olevan väitöskirjaprojektin etäisyyskamerateknologian parissa, päätti taitava elektroniikkasuunnittelija tarttua tilaisuuteen.

Ruokamon väitöstyön aiheena oli rakentaa uudella periaatteella toimiva sensori etäisyysmittaukseen. Rakenteeltaan se olisi kuin tavallisen digikameran kuvakenno, mutta pikseleiden värin sijasta se mittaisi kohteiden etäisyyttä kamerasta.

Kiinnostavan haasteen kruunasi Ruokamon saama neljän vuoden tutkijakoulurahoitus.

”Sain keskittyä rauhassa itse väitöstyöhön”, Henna Ruokamo kertoo.

Teoria helppoa, käytäntö vaikeaa

Valon kulkuaikaan perustuvan etäisyyskameran periaate on erittäin yksinkertainen: lähetä valon nopeudella kulkeva laserpulssi kohteeseen, mittaa milloin kohteesta heijastunut valo palaa takaisin kuvakennolle ja laske kulkuajan perusteella kyseisen pikselin havaitseman kohteen etäisyys.

Käytännössä sekunnin pilkkominen miljardisosiin on varsin vaikeaa.

Henna Ruokamo kytkee virrat rakentamaansa laitteistoon ja asettuu kameran eteen koekaniiniksi. Laitteiston laservalonlähde alkaa lähettää lyhyitä 100 pikosekunnin – siis kolmen sentin mittaisia – laserpulsseja kohti tutkijaa.

Ruokamo selittää, että sensori toimii kuin ultranopea kameran suljin: se avataan laserpulssin lähettämisen jälkeen vain sekunnin miljardisosan mittaisen aikaportin ajaksi.

”Jos vastaanottimelle ei tule fotoneita, tiedämme ettei ensimmäisen 15 sentin etäisyydellä linssistä ole kohdetta”, Ruokamo kertoo.

Aikaportitustekniikassa sensorin aktivointiaikaa viivästetään askel kerrallaan, kunnes koko mittaussyvyys on skannattu läpi. Jos aktivointia viivästetään esimerkiksi 200 pikosekuntia kerrallaan, tulee koko mittaussyvyys skannattua 3 sentin askelin.

Etäisyysmittaus avaa kännykän

Etäisyyskamera ei ole mikään uusi keksintö. Uudet teknologiat perustuvat valon kulkuajan mittaukseen. Laserkeilaimia käytetään jo yleisesti ympäristön 3D-mallinnuksessa, mutta pyöriviin peileihin perustuvat laitteet ovat suuria ja kalliita.

Ilman liikkuvia osia valmistetut, digikameroita muistuttavat etäisyyskamerat ovat nekin jo arkitekniikkaa. Esimerkiksi uusimpien kännyköiden lukituksen avaava kasvojentunnistus perustuu kasvoista napattuun 3D-kuvaan.

Oululaistutkijat kehittävät seuraavan sukupolven tekniikkaa etäisyysmittauksiin. Tavoitteena on miniatyyrikokoinen täysin elektroninen 3D-etäisyysmittauslaite. Laitteen pitää olla halpa valmistaa, tarkkuuden senttimetriluokkaa ja virrankulutuksen vähäistä. Ruokamon etäisyyskamerassa virrankulutus on painettu milliwattiluokkaan käyttämällä erittäin lyhyitä laserpulsseja.

”Meidän tutkimusryhmämme vahvuus on oma custom made -laser. Erittäin lyhyt ja voimakas laserpulssi auttaa kirkkaassa valaistuksessa”, Ruokamo paljastaa.

Yksi fotoni riittää

Ruokamon etäisyyskameran ilmaisimena toimii puolijohdekomponentti nimeltä SPAD (single-photon avalanche diode). Kun nykyisissä etäisyyskameroissa tarvitaan etäisyyden mittaukseen jopa tuhansia kohteesta heijastuneita fotoneja, riittää SPAD-ilmaisimelle jopa yksi ainoa kohteesta sironnut fotoni.

”SPADeilla on paljon hyviä ominaisuuksia: fotonin saapumisajankohdan voi mitata tarkasti ja niistä voi tehdä pikselimatriiseja edullisilla mikropiiritekniikoilla”, Ruokamo kertoo.

Kun Henna Ruokamo aloitti väitöstyönsä vuonna 2015, hänen piti lähteä liikkeelle sananmukaisesti puhtaalta pöydältä. 80 x 25 pikselin kokoiselle kuvasensorille ja sen tarvitsemalle ohjauselektroniikalle ei ollut esikuvia.

Vasta toinen prototyyppi alkoi tuottaa odotettuja tuloksia. Odotusaika ei mennyt hukkaan. Ruokamo suunnitteli sillä aikaa älykästä ohjauselektroniikkaa, joka nopeutti piirin toimintaa. Sensoria ohjaava elektroniikka osaa lukittua liikkuvaan käteen, ja mittaus nopeutuu.

”Se oli yksi väitöstyön hienoista hetkistä, kun sain ensimmäistä kertaa pikselien ohjausalgoritmin toimimaan ja jopa nopeasti liikkuvan kohteen seuraaminen onnistui”, Ruokamo muistelee.

Ylistävää palautetta

Henna Ruokamon väitöstilaisuus joulukuussa 2019 oli menestys. Esimakua tulevasta antoi se, että yksi väitöskirjan tutkimusartikkeleista päätyi julkaistavaksi IEEE Journal of Solid-State Circuits -lehdessä.

”Se on meidän alamme arvostetuin julkaisu. Olihan se hienoa, että he olivat kiinnostuneita tutkimuksestani”, riemuitsee Ruokamo.

Ruokamon väitöstilaisuudessa vastaväittäjä kehui työtä niin, että yleisö äityi aplodeihin, vaikka se ei ole tapana.

”Hän kehui työn laaja-alaisuutta, IC-piirin suunnittelusta aina toimivaan prototyyppiin”, kertoo Ruokamo.

Nelivuotisen väitöskirjaprojektin aikana Ruokamon kehittämä teknologia on edennyt lähemmäs käytännön sovelluksia. Nyt yksinkertaisia SPAD-etäisyyssensoreja saa jo valmiina komponentteina, ja niitä käytetään esimerkiksi uusissa kännyköissä aistimaan, pidetäänkö puhelinta korvalla vai katsotaanko sen näyttöä.

Yksi Ruokamon tutkiman aikaportitusteknologian valteista on se, että elektroniikaltaan hyvin yksinkertaisen sensorin kokoa on helppo kasvattaa. Väitöskirjan demolaite oli kooltaan vaatimattomat 2 000 pikseliä, mutta paljon tätä suurempien pikselimatriisien valmistus ei ole ongelma.

Pian väitöstilaisuuden jälkeen ilmestyikin tutkimuspaperi, jossa kameravalmistaja Canonin ja sveitsiläisen tekniikan yliopisto EPFL:n tutkijat kertovat valmistaneensa ensimmäisen megapikseliluokan etäisyyskameran, joka toimii samalla aikaportitustekniikalla kuin Ruokamon protolaite.

”Tämän laitteen tarkkuus ei ehkä riitä kännyköihin. Enemmänkin ajattelemme tätä autonomisiin autoihin, koneisiin ja robotteihin”, Ruokamo pohtii.

Piirisuunnittelijaa tarvitaan aina

Työpaikan etsiminen ei tuottanut vaikeuksia väitöstyötään viimeistelleelle Henna Ruokamolle. Hänet suorastaan haettiin töihin CoreHW Oy:n Senior Analog IC Design Engineeriksi.

”En ollut ehtinyt miettiä tulevaa työpaikkaa, olin valmistautumassa väitöstilaisuuteen. Mutta siellä oli entisiä työkavereita töissä. Kai he ajattelivat, että tarvitsen töitä, kun väitöskirja on valmistumassa”, Ruokamo nauraa.

Juuri päättynyt nelivuotinen tutkimusrupeama yhdessä alansa johtavassa tutkimusryhmässä oli mielenkiintoinen kokemus.

Teksti: Petja Partanen. Kuvat: Teija Soini. Juttu on julkaistu aiemmin TEK-lehdessä.