Optisen linssin uudet muodot

Vapaamuotoinen optiikka (freeform optics) on tulevaisuuden ratkaisu valosaasteeseen. 3D-tulostamalla valmistetut linssit voivat olla minkä muotoisia tahansa, ja ne voivat kohdistaa LED-valon täsmälleen haluttuun paikkaan.

Teksti Marianne Mustonen Kuva NASA

– Tavallinen optiikka lähtee siitä, että lasilevyä lähdetään hiomaan. Fysiikan lakien mukaisesti linssistä tulee yleensä pallon muotoinen, kuvailee professori Jyrki Saarinen fysiikan ja matematiikan laitokselta.

– Muunlaisia linssejä ei ole paljoakaan tehty, koska ei ole ollut minkäänlaista tekniikkaa olemassa. Nyt menetelmiä on jo useita, kuten timanttityöstö, jolla voi uurtaa linssiin millaista pintaa tahansa. 

Suurimmat odotukset ovat kuitenkin vapaamuotoisessa optiikassa ja 3D-tulostuksessa. 

– Vapaamuotoisessa optiikassa on parasta se, että valo voidaan muokata menemään minne tahansa halutaan. Yksi ei-pallonmuotoinen linssi ajaa saman asian, kuin jos olisi useita pallolinssiä päällekkäin. 3D-tulostus on myös halpaa verrattuna timanttityöstöön.

Ruiskuvaluun tarvittavan työkalun tekeminen maksaa, mutta sen jälkeen voi Saarisen mukaan tuottaa samaa komponenttia halvalla loputtomiin.

– 3D-tulostuksessa kaikki linssit voivat olla erilaisia.

Oleellinen osa uuden menetelmän käyttöönottoa on tuloksen mitattavuus. Jos ei pysty mittaamaan mitä tuli tehtyä, ei linssiä kannata valmistaa. 

– Vasta nyt meillä on käytössämme tarpeeksi hyvät menetelmät pinnan muodon mittaamiseen. Seuraava haaste on linssin pinnan kuvaaminen parametreilla. Ennen niitä oli muutamia kymmeniä, nyt vapaita parametreja on tuhansia. Juuri tämä on optiikan suunnittelussa kaikkein inspiroivinta.

– Emme siis vielä tiedä, miten linssejä voi käytännössä suunnitella. Tässä olemmekin haastaneet mukaan inversio-ongelmien tutkimusryhmän Kuopion kampukselta. Olisiko mahdollista, että halutusta valaisukuviosta voisi laskea taaksepäin sen, millainen linssin pitäisi olla?

LED-valot ovat halpoja, ja kun niiden tuottamaa valoa osataan vielä suunnata oikein, energiaa säästyy ja estetään valosaastetta, joka näkyy avaruuteen saakka.

– LED-valoja voitaisiin käyttää esimerkiksi kiemuraisen tien valaisemisessa. Katulamppujen valon voisi suunnata alaspäin ja täsmälleen minne haluaa, sanoo Saarinen.

Vapaamuotoisella optiikalla tuotettuja linssejä on jo käytössä satelliiteissa ja avaruuskaukoputkissa. LEDitkin olisivat jo välittömästi kaupallistettavissa, mutta tämä vaatii Saarisen mukaan vielä ohjelmisto- ja menetelmäkehitystä.

–  Kehitykseen vaikuttavat tietenkin myös LED-valmistajien intressit ja viranomaismääräykset. LEDien tehot kasvavat koko ajan, joten niitä ei ole tarvinnut optimoida.

Kuva: Maapallon valosaaste näkyy avaruuteen saakka. Kehittyneitä maita ovat perinteisesti olleet ne, joista loistaa eniten valoa. Tulevaisuudessa kehittyneiden maiden tilalla näkyy pelkkää pimeyttä. 
Juttu on julkaistu Saima-lehdessä 3/2017