Lysende framtid
De samme typer reflekser som du ser i en CD-plate, kan plukke ut returplast på et samlebånd og utnyttes til framtidas alkotest.
Vi har vel alle latt oss fascinere av de fargerike refleksjoner fra en CD som ligger i solen.
Det har også forskere ved SINTEF, som nå har patentert metoder for å utnytte slike refleksjoner i optiske målesystemer for å overvåke miljø og karakterisere materialer.
Med små biter av «spesiallagde» CD-er med et skreddersydd refleksjonsmønster er de i ferd med å gjøre optiske teknikker som hittil har krevet stort, ømfintlig og kostbart utstyr, tilgjengelig for masseproduksjon og allmenn bruk. Det betyr at optikkteknologi, om enn i en ny form, vil bli å finne i vår hverdag i enda større utstrekning enn i dag.
Brytningsbrikker
Fordelen med å bruke lys som måleredskap er at det korroderer ikke, det krever ingen bevegelige deler, og det er raskt.
Ved å ta i bruk små «brytningsbrikker» eller «mønstrede speil» som de gjerne kalles, har forskerne kommet fram til robuste og billige optiske konstruksjoner. Elementene kan framstilles i samme type maskiner som lager CD-plater. En slik maskin er i stand til å reprodusere et så finstrukturert mønster i brikken at den kan brukes til å styre lys.
Enkle utgaver av brytningsbrikkene er egentlig er en slags syntetiske hologrammer, og vi ser dem daglig på pengesedler og kredittkort der de er lagt inn for å vanskeliggjøre kopiering. De er små felt der bildet endres avhengig av betraktningsvinkel, og et mønster med nanometers nøyaktighet gjør det mulig i detalj å styre fasen på lysbølgene. En slik bit kan splitte opp lys i forskjellige fargekomponenter, og samle det slik at riktig bølgelengde treffer en lyssensor.
Brikkene har gjort det mulig å ta i bruk målemetoder basert på optiske effekter som har vært kjent i lang tid, men som det ikke har vært mulig å utnytte fordi de krevde en komplisert og dyr teknologi. Kombinasjonen mikroteknologi og lys har åpnet for masseproduksjon av slike elementer og den elektronikken som er nødvendig for at signalene fra brikkene skal kunne behandles.
Mikrofonelement i silisium på 4 x 4 mm. I midten er mikrofonens følsomme del, med en membran og en mønstret silisiumskive tett inntil hverandre. Lydbølger setter membranen i svingninger, og dette påvirker hvor mye lys som sendes mellom plate og membran. Variasjonene fanges opp av en detektor som sender strømpulser i takt med lyden til forsterkeren.
Foto: Ole Hesledalen
Oppvask og alkomåling
Brikkene kan få mange anvendelser. Vil du for eksempel plukke ut delene med verdifullt returmateriale av en strøm av retur-plast som passerer på et transportbånd, eller lage en oppvask- eller vaskemaskin som til enhver tid doserer riktig mengde pulver eller glansemiddel?
Da trenger du en føler som hurtig og billig analyserer lys reflektert fra plasten eller sendt gjennom vaskevannet. Den må være liten, billig og robust. Her er CD-biten svaret. Den settes i lysbanen som en selektiv reflektor. Mønsteret i brikken kan lages slik at den er følsom for nettopp det lyset som blir absorbert av returplasten eller av fettet i vannet og fortelle om plasten er PVC eller polyetylen, eller om vi trenger mer vaskepulver for at fettet skal emulgeres og pumpes ut med vaskevannet.
En annen anvendelse er gassanalyse. En aktuell anvendelse er robuste og pålitelige alkomålere montert sammen med tenningslåsen i biler. Lys som har gått gjennom utåndingsluften, spektralanalyseres på jakt etter alkohol. En slik måler kan kalibreres en gang for alle og trenger ingen etterjustering.
Hva skjer i en mikrofon?
Når du snakker mot en mikrofon, oppfanges lyden av en membran som settes i svingninger. Membranen i sin tur påvirker en spole i et magnetfelt eller den ene siden av en kondensator. På den måten dannes strømpulser som via en forsterker blir lyd.
Dersom en har to delvis reflekterende speil som ligger meget nær hverandre, og sender en lysstråle inn mellom speilene slik at den reflekteres mange ganger mellom speilene, vil retningen og intensiteten av lyset som kommer ut, variere sterkt med avstanden mellom speilene.
Dagens mikrofoner og trykksensorer er hovedsakelig basert på måling av spenningsforskjeller mellom to plater, der den ene platen er en membran som settes i bevegelse av lyd. Disse sensorene har begrensninger: Ulineær respons krever dyr elektronikk, og de beste studiomikrofonene er svært dyre i produksjon. I tillegg er de sensitive for elektromagnetisk stråling.
Måleobjektet karakteriseres ved å sende lys gjennom det. Lyset slippes gjennom et lite hull og inn på et mønstret speil. Bølgelengder som er karakteristiske for gjenstanden, vil bli reflektert og fokusert mot en fotodetektor. Lys fra andre deler av spekteret vil ikke treffe detektoren. Det mønstrede speilet er både linsesystem og filter .
Optiske mikrofoner
Dersom vi gjør mikrofon-membranen speilende og lar denne være et av speilene, har vi en «optisk» mikrofon. Slike mikrofoner kan lages meget følsomme samtidig som de er billige og lite følsomme for andre påvirkninger. Sensorene kan kobles sammen med optiske fibre. De vil også kunne brukes i eksplosjonsfarlige områder, eller områder med sterk elektromagnetisk eller radioaktiv strålingSINTEF har patentert to varianter av en optisk mikrofon, som er billige å lage ved hjelp av silisium mikromekanikk.
Vår high-end mikrofon er basert på Fabry-Perot-prinsippet. En monokromatisk lysstråle sendes mot to halvgjennomsiktige plater som ligger noen få mikrometer ifra hverandre. Avhengig av avstanden vil lyset som kommer igjennom platene, enten forsterkes eller svekkes siden lyset mellom platene interfererer.
Hvis en av disse platene erstattes med en membran som plukker opp lyd fra omgivelsene, og den andre platen med en lysdetektor, har vi en optisk mikrofon som kan plukke opp lyder så svake at øret ikke oppfatter dem. Opplinjering får en her «gratis» i mikromaskineringen av silisium- og glasskivene, og responsen er lineær slik at elektronikken som kreves blir billig. Produksjonskostnaden til en slik mikrofon er en tiendedel av prisen til en topp studiomikrofon.
Andre anvendelser
I andre applikasjoner er det ikke ytelse men ekstreme miljøer som setter krav til sensoren. Slike ekstreme miljøer kan være inne i kroppen, nede i en oljebrønn eller i sterke elektromagnetiske felter. Da kan den eneste løsningen være en passiv trykksensor i enden av en optisk fiber som bringer lyset til målepunktet, og målesignalet i form av lys tilbake til et sted hvor det kan omformes til elektriske signaler, forsterkes opp og tolkes. SINTEF har patentert en slik sensor som er basert på en diffraktiv linse og en membran.
Kjerneidé
Mikroteknologien har åpnet muligheter for å anvende optikk på flere områder enn tidligere. Mens optiske løsninger tidligere krevde linser, speil og kraftige lyskilder som skulle ha en meget nøyaktig plassering i forhold til hverandre, kan nå mesteparten av optikken lages som en plastbrikke, og lyskilden er en billig laser eller en lysdiode.
Tekst: JAN HELSTAD
