28. okt. 2015

Vali endale projekt

LTFY.03.001 Fotoonika projekt
sügisel 2016/2017 kevadel pakutavad projektid

1.           FI – Pilulamp

  1. aasta lõpuks valmib Tartu Ülikooli Füüsika Instituudis projekt mille käigus plaanitakse välja töötada portatiivne optoelektrooniline pilulamp – uudne seade silma pinna ja põhja vaatlemiseks. Traditsioonilise pilulambi stereomikroskoop asendatakse kahe miniatuurse kaameraga, mis kinnitatakse patsiendi pea külge. Kaameratest tulev digitaalne pilt suunatakse silmaarsti peas olevatesse videoprillidesse ja nii saavutatakse stereoskoopiline visualiseerimine. Lisaks uuele vaatlussüsteemile täiustatakse pilulambi teine põhikomponent – uuritava silma valgustussüsteem, mis saadab silmale valgustasapinna ning lubab muuta selle tasapinna silmale langemise nurka.

Seoses sellega Tartu Ülikooli Füüsika Instituudi projekti meeskond– vanemteadur Koit Mauring ja doktorant Dmitri Lanevski – pakub võimaluse kaasa lüüa valgustussüsteemi väljatöötamises. Peamiselt tuleb katseliselt kontrollida ja analüüsida mitut ideed. Põhiideedeks on elliptilise peegli kasutamine ja teiseks võimaluseks on kasutada silindrilist läätse valgustasapinna langemisnurga muutmiseks. Kuid ka traditsiooniliste pilulampide valgustussüsteemide adapteerimine ning uute ideede rakendamine tulevad kõne alla.

Reaalsete eksperimentide abil tuleb välja selgitada, milline lahendus annab parima tulemuse silma valgustamisel, säilitades pilulambi jaoks vajaliku funktsionaalsuse. Samas tuleb hinnata, milline on kõige töökindlam ja tööstussõbralikum lahendus. Tuleb mõelda ka optoelektroonilise pilulambi disainile ning arvestada, et tegu on meditsiinilise seadme väljatöötamisega – see peab olema nii patsiendile kui ka arstile mugav ja ohutu.

2.           AHHAA – Valguse kiiruse mõõtmise seade

Räägitakse, et valguse kiirus vaakumis on 299 792 458 m/s, aga kuidas me seda teame? Legendi järgi üritas valguse kiirust esimena mõõta Galileo Galilei. Ta pakkus välja eksperimendi, kus kaks vaatlejat seisavad esialgu kaetud laternatega teineteisest mõne kilomeetri kaugusel. Esimene vaatleja vilgutab oma laternat ja paneb samal ajal kella käima. Kui teine vaatleja valgust näeb, siis vilgutab ta samuti laternat. Nähes teise laterna valgust, paneb esimene vaatleja kella kinni ja saadud ajavahemiku ning vaatlejate kauguse järgi võikski valguse kiiruse välja arvutada. Mõistlikku tulemust Galileo sellise katsega siiski ei saanud.

Oluliselt täpsema katse tegi Hippolyte Fizeau, kes suunas lambivalguse läbi pöörleva hammasratta hammaste, tekitades sellega kiiresti vilkuva valgusallika. Valgusallikast mõne kilomeetri kaugusele paigutas ta peegli, mis valguse katseseadme juurde tagasi peegeldas. Hammasratta pöörlemiskiirust muutes sai tekitada olukorra, kus hammasratas oli valguse tagasipöördumise aja jooksul parajasti nii palju pöördunud, et hammastevahelise pilu kohale oli jõudnud hammas, mis tagasipeegeldunud valguse blokeeris. Hammasratta pöörlemiskiiruse ja läbitud vahemaa põhjal sai Fizeau valguse kiiruseks 313 300 000 m/s.

Fotoonika projekti eesmärgiks on ehitada oluliselt moodsamal kujul sarnast vilkuva valgusallika põhimõtet kasutav seade valguse kiiruse mõõtmiseks. Seade koosneb valgusallikast, peeglist, fotodetektorist ja elektroonikast signaali hilistumise mõõtmiseks. Projektile on võimalik leida kaks mõnevõrra erinevat praktilist väljundit. Esimeseks on katseseade optika praktikumi jaoks, millega tudengid saaksid valguse kiirust mõõta. Sel juhul peaks praktikumi tegija valguse kiiruse ise ostsilloskoobiga mõõdetud signaali põhjal välja arvutama. Teine võimalus on ehitada eksponaat AHHAA keskuse jaoks. Sel juhul teeb seade peaaegu kogu töö ise ära ja väljastab tulemuse ekraanile. Külastajale võib jääda mõni suhteliselt lihtne ülesanne, näiteks valguse läbitud vahemaa mõõtmine. Mõlemal juhul valmib projekti tulemusel seadme töötav prototüüp.

3.           Signaalitöötlus – Optilise pilditöötluse seade

Photoshopi kasutajad teavad, et erinevate digitaalsete filtritega on võimalik pilti teravamaks või udusemaks muuta, näiteks et modelli näolt kortsud ära kaotada, või vastupidi selleks, et liblikatiiva muster pildil veelgi teravam paistaks. Mõne filtri mõju on veelgi märgatavam, jättes näiteks pildile alles vaid kontuurjooned. Tuleb välja, et mitmeid selliseid efekte on võimalik tekitada puht-optiliselt, st ainult läätsesid ja muid optikakomponente kasutades. Selle selgitamiseks vaatame korraks hoopis helitöötluse maailma. Salvestatud muusikapala koosneb erineva kõrgusega helidest. Muusika miksimise või kuulamise ajal on võimalik kõrgeid või madalaid helisid tugevdada või nõrgendada. Kui koduse muusikakeskuse puhul piirdub see sageli vaid võimalusega nupust bassi peale keerata, siis helistuudio mikseripult jaotab heli paljudesse erinevatesse sageduskanalitesse, millest igaühte saab eraldi reguleerida. Sagedusteks laialijaotamise ja kokkupanemise operatsioone, mida helipult teeb, kutsutakse Fourier’ teisenduseks.

Tuleb välja, et pildisignaali on võimalik samuti erineva sagedustega komponentideks laiali jaotada ja uuesti kokku panna. Madalad sagedused vastavad pildil suurtele ühtlastele piirkondadele nagu selge taevas. Kõrged sagedused vastavad säbrulisele või triibulisele pildiosale nagu nt rohulibled. Kui pildil kõrgeid sagedusi “maha keerata”, siis muutub see udusemaks ja vastupidi kõrgete sageduste võimendamisel teravamaks. Selgub, et optilist Fourier’ teisendust ehk pildi sageduste järgi laialijaotamist saab teha täiesti tavalise läätsega. Kui pilt paikneb läätse ühes fookuses (täpsemalt fokaaltasandis), siis tekib tema sagedusjaotuse muster läätse teise fookusesse. Teise läätsega saab pildi jälle sageduskomponentidest tagasi kokku panna. Kui kahe läätse vahel osa valgusest blokeerida, siis vastabki see erinevate sageduste nõrgendamisele ja teise läätsega taastatud pilt on esialgsest mõnevõrra erinev. Üks asi jäi veel mainimata: selleks, et kõik nii toimiks, peab kasutatav valgus olema koherentne ehk valgusallikana tuleb kasutada laserit.

Projekti eesmärgiks on optilist pilditöötlust tutvustava demoseadme ehitamine. Seade leiaks kasutust aine Signaalitöötluse alused I näitliku vahendina Fourier’ teisenduse omaduste demonstreerimiseks. Projekti tegijad saavad hea intuitiivse ettekujutuse Fourier’ teisenduse füüsikalistest rakendustest. Samuti saadakse optikaseadme projekteerimise ja ehitamise kogemus.

4.           Infrapunakiirgusel töötav puutetundlik pind

Tänapäeval on puutetundlikud pinnad mobiiltelefonide näol paljude inimeste taskutes, aga ka näiteks piletimüügiaparaatidel või arvutites. Mitmed neist töötavad infrapunakiirgusel ning selle tõttu tuleb selles projektis ehitada puutetundliku pinna prototüüp.

Esimesi puutetundlikke pindu kirjeldati 1965. Selline pind töötas läbipaistvate elektroodide vahelise mahtuvuse mõõtmise põhimõttel. See meetod on aga suurte ekraanide puhul kallis ja väljaspool tööstust raskesti teostatav. Üks alternatiivne lahendus probleemile on infrapunakiirguse kasutamine. Esimesene infrapunakiirgusel töötav puutetundlik pind ehitati 1972. aastal. Täieliku sisepeegeldumise tõttu pääseb valgus välja ainult klaasi servast. Kui klaasi sõrmega puudutada, siis hajub osa valgusest ka puutepunkti juurest välja. Hajunud valguse järgi on võimalik infrapunakaameraga tuvastada, mis punktis sõrm ekraani puudutas. Kuigi algselt suutsid sellised pinnad detekteerida vaid üht puudutust korraga, siis 10 aastat hiljem suudeti valmistada esimene prototüüp, mis suutis tuvastada samaaegselt mitut puudutust (multitouch). Tavakasutajate kätte jõudsid sellised puutetundlikud pinnad alles 90ndate aastate lõpus ning nende suurim areng toimus umbes 10 aastat tagasi kui hakati tootma esimesi puutetundlikke mobiiltelefone. Selliste puutetundlike pindade eeliseks on see, et nad on väga vastupidavad, nende pildikvaliteet on on konkurentidest parem, kuna nad ei vaja spetsiaalseid katteid.