Laseretäisyysmittari pilkkoo sekunnin biljoonasosiin

Mikko Hintikan väitöstyön tulos on ulkonaisesti varsin vaatimaton. Lyhyitä laserpulsseja vastaanottava piiri on kooltaan osapuilleen tulitikun kärjen kokoinen.

Sen sijaan mahdollisia sovelluksia millimetriluokan tarkkuuteen kykenevällä etäisyysmittarilla on lukuisia. Laservalon avulla esimerkiksi koneiden tärinää voidaan mitata kohteeseen koskematta.

– Jos kohteeseen ei voida kiinnittää antureita, tämä on tarkin mittauskeino tärinän mittaamiseen, tutkija Mikko Hintikka kertoo.

Etäisyyden mittaus valon kulkuajan perusteella oli eräs vuonna 1960 keksityn laserin ensimmäisistä sovelluksista. Vihollisen tankkien ja kuun etäisyyden mittauksesta on vuosikymmenten kuluessa edetty fyysisen ympäristön 3D-kartoittamiseen. Esimerkiksi robottiautoissa käytettävät laserkeilaimet kartoittavat ympäristöä lyhyiden laserpulssien avulla senttimetrien tarkkuudella ja jopa miljoonan pisteen sekuntivauhdilla.

Jos kohteeseen ei voida kiinnittää antureita, tämä on tarkin mittauskeino tärinän mittaamiseen.

Vikkeläliikkeinen valo asettaa kuitenkin rajoituksia laseretäisyysmittarien tarkkuudelle. Kun laserilla halutaan mitata etäisyyksiä millimetrien tarkkuudella, tarvitaan erittäin tarkkaa valon kulkuajan mittausta.

Se on asia, joka Oulun yliopiston elektroniikan professori Juha Kostamovaaran tutkimusryhmässä osataan. Tarkka ajanmittaus on välttämätön edellytys ryhmän pitkän tähtäimen visiolle: rakentaa halpa yleiskäyttöinen etäisyyskamera ilman liikkuvia osia yhdelle piisirulle, samaan tapaan kuin digikameroiden nykyiset kuvakennot. 

Tarkkuutta lyhyillä laserpulsseilla

Vuonna 2013 ryhmässä aloittaneen Mikko Hintikan väitöstyö on yhdistelmä vanhaa ja uutta. Uutta olivat etäisyydenmittauksessa käytetyt laserit, jotka lähettävät erittäin lyhyitä ja teräviä pulsseja. Nykyiset kaupalliset laserkeilaimet lähettävät tyypillisesti noin 3 nanosekunnin mittaisia laserpulsseja. Siinä ajassa valo ehtii taittaa jo noin metrin matkan. Kostamovaaran tutkimusryhmän itse rakentamat laserit taas kykenevät kertaluokkaa nopeampiin, vain 100 pikosekunnin pituisiin pulsseihin.

– Teoriassa tiesimme, että kapea pulssi parantaa mittaustarkkuutta, Hintikka kertoo.

Ryhmässä kehitetään myös uudenlaista single photon -valoilmaisinta, joka ilmaisee yksittäiset kohteesta sironneet valohiukkaset eli fotonit. Nykyisissä etäisyysmittareissa ja laserkeilaimissa käytetyt valoilmaisimet saattavat tarvita esimerkiksi tuhat laserpulssista takaisin sironnutta fotonia luotettavaan etäisyyden mittaukseen, single photon -ilmaisimissa riittää yksi ainoa kohteesta heijastunut fotoni. Näin ilmaisin voidaan tehdä paljon yksinkertaisemmaksi, ja sulloa jopa kymmeniätuhansia ilmaisimia yhdelle piisirulle.

Hintikka käytti kuitenkin väitöstyössään perinteisiä lineaarisia valoilmaisimia, samanlaisia kuin nykyisissä kaupallisissa tuotteissa.

– Kun aloitin väitöstyön, ryhmässä oli jo aloitettu mittaukset single photon -ilmaisimilla. Mutta myös tämä lineaarinen tekniikka piti ehdottomasti tutkia. Siinä oli selvä tutkimusaihe: lineaarista ilmaisinta nopeille laserpulsseille ei ollut olemassa.

Lineaarista ilmaisinta nopeille laserpulsseille ei ollut olemassa.

Hintikka lähti väitöstyössään rakentamaan mikropiiriä, joka kykenisi vastaanottamaan nykyistä nopeampia laserpulsseja. Tutkijoiden hypoteesi oli, että perinteisellä ilmaisintekniikalla päästäisiin uusia single photon -ilmaisimia tarkempaan etäisyyden mittaukseen.

– Kun yksittäinen fotoni otetaan kiinni single photon-ilmaisimella, ei voida sanoa mistä kohtaa lähetettyä laserpulssia se on peräisin. Lineaarisella menetelmällä etäisyys voidaan määrittää tarkasti pulssin etureunasta, Hintikka selvittää.

Tärinänmittaus löytyi matkalla

Yksi väitöstyön Heureka-hetkistä oli, kun Hintikka keksi teknologialle käytännön sovelluksen, tärinänmittauksen. Tarkimmat tärinämittarit eivät ole helposti liikuteltavia, ja moniin mittauskohteisiin tärinäantureiden kiinnittäminen on mahdotonta. Tällöin tärinän mittauksessa voidaan ottaa avuksi sähkömagneettinen säteily ja tutkatekniikat, joilla päästään hyvään tarkkuuteen kohteeseen koskematta.

Hintikka pohti, voisiko lyhyillä laserpulsseilla tehdä saman kuin radiotutkalla. Laserin etu on se, että mittaus pystytään kohdistamaan juuri haluttuun kohteeseen ja mittaus voidaan tehdä metrien etäisyydeltä. Radiotutkan keila on väistämättä leveämpi, eikä mittausta voida fokusoida kovin tarkasti.

Väitöskirjan IV-paperi todistaa, että ratkaisu toimii. 10 Hz:n taajuinen värähtely pystyttiin mittaamaan tarkasti lyhyiden laserpulssien ja Hintikan rakentamien elektroniikkapiirien avulla. Hintikka arvioi, että hänen mittarinsa ja lyhyiden laserpulssien avulla mittauksen tarkkuus paranee 4–5 kertaiseksi nykyisiin lasermenetelmiin verrattuna.

– Siirrettävänä tärinänmittarina tämä olisi monissa kohteissa paras mahdollinen ratkaisu, hän pohtii.

Hintikan mielessä on pyörinyt teknologian jatkokehitysajatus, jota on jalostettu eteenpäin tutkijoiden kahvipöytäkeskusteluissa. Nykyisin laserkeilaimia käytetään 3D-mallinnuksessa. Esimerkiksi tehdashallin sisätiloista voidaan laserkeilaimella luoda tiheä pistepilvi, joka on mittatarkka 3D-malli tehtaan seinistä, putkistoista, moottoreista ja muista laitteista.

– Samalla voisimme mitata esimerkiksi putkistojen tärinän taajuudet ja voimakkuudet, Hintikka pohtii.

Jos mittaus olisi jatkuvaa, järjestelmä voisi varoittaa lisääntyneestä värähtelystä reaaliajassa.

– Tekniikan jalostaminen toimivaksi tuotteeksi vaatisi paljon työtä, mutta tämä on varmasti tulevaisuutta.

Takaisin teollisuuteen

Haastattelupäivänä Hintikka on toiseksi viimeistä päivää tutkimusryhmän palkkalistoilla, ja intensiivinen työnhaku on käynnissä. Nyt työtilanne Oulun seudulla on aivan toinen kuin vuonna 2012, kun Nokian koko Oulun yksikköä oltiin sulkemassa. Myös Nokian puhelinalustojen elektroniikka-asiantuntija Mikko Hintikka joutui tuolloin pohtimaan, mitä tehdä seuraavaksi. Hän otti yhteyttä professori Juha Kostamovaaraan, jolla oli kiinnostava väitöskirja-aihio valmiina.

Hyvä hakemus avasi tien tutkimusryhmään, joka on maailman ehdotonta kärkeä.

– Hän sanoi, että jos saat itsellesi tutkijakoulurahoituksen, pääset kyllä väitöskirjaa tekemään.

Hyvä hakemus avasi tien tutkimusryhmään, joka on maailman ehdotonta kärkeä alallaan.

Väitöstyötä aloittaessa Hintikan suunnitelmana oli palata tekniikan tohtorina takaisin teollisuuteen, ja näin taitaa pian käydä.

– Muutama työtarjous on tullut, ja hiihtoloman jälkeen on jälleen yksi työhaastattelu.

Oman väitöstyön kaupallistaminenkin kiinnostaisi, mutta yrittäjäksi ryhtyminen ei ole vaihtoehto. Nokia-vuosinaan Hintikka näki, miten pitkä tie tuotteen kaupallistaminen on.

Hän paljastaa, että hänen demonstroimansa mittausjärjestely on jo poikinut yhteydenottoja teollisuudesta.

– Jos joku yritys rahoittaisi tutkimushanketta tai aloittaisi oman tärinämittarin tuotekehitysprojektin, niin sellaiseen hankkeeseen hyppäisin kyllä erittäin mielelläni mukaan.

Oulussa osataan nopeat sekuntikellot

Mikko Hintikan tutkijakollegalla oli pulma: hän sai akatemiarahoituksen, jonka ehtona oli ulkomaan tutkijavierailu alan huippuyksiköihin.

– Mutta maailmassa ei ole Oulun yliopistoa parempaa paikkaa meidän tutkimusalallamme, Hintikka nauraa.

Professori Juha Kostamovaaran tutkimusryhmän leipälaji on erittäin lyhyiden aikavälien tarkka mittaus ja siinä tarvittava mikroelektroniikka.

– Täällä tehdään pikosekuntiluokan tarkkuuteen kykeneviä aikadigitaalimuuntimia, joita käytetään esimerkiksi etäisyyden mittauksessa laserilla.

Ryhmän osaamisesta kertoo esimerkiksi se, että tutkijoiden tarvitsemat single photon -valoilmaisimet ja nopeat laserit pitää valmistaa itse, koska parempia ei maailmalta löydy. Ryhmällä on yli 20 patenttia, ja lasermittauksen tekniikoita on lisensoitu alan yrityksille.

Ryhmä on haluttu paikka jatko-opinnoille.

– Aluksi sitä tietysti epäili, että onko minusta tohtoriksi asti. Joku tokaisi siihen, että on sinulla ainakin paras mahdollinen ohjaaja, Hintikka muistelee.

Kostamovaara piti myös tarkasti huolen siitä, että väitöskirjan tekeminen oli tutkijakoulurahoituksen saaneen päätyö, eivät esimerkiksi opetus tai yritysprojektit.

Hintikan tutkijan pesti alansa huippuyksikössä ajoittui pahimpiin ruuhkavuosiin. Hintikan vanhin lapsi on nyt 9-vuotias, nuorin kolme, ja tutkijavuosiin on mahtunut myös iso kasa erilaisia rakennusprojekteja, pihasaunasta aina leikkimökkeihin.

– Ei tämä ehkä ollut se ihan optimaalisin aika väitöstyön tekemiseen.

Mutta toisaalta tutkijan työ on myös joustanut.

– Kun odotat jonkun IC-piirin valmistumista tai kommentteja lähettämääsi tutkimuspaperiin, eikä ole opetusta, niin on voinut tehdä lyhyempää päivää tai pitää vapaata.