Itä-Suomen yliopiston kampuksen fotoniikkakeskuksessa suunnitellaan tulevaisuuden silmälaseja. Tulostaminen antaa optiikalle muotoilun vapauden.
Artikkeli on julkaistu Kauppalehdessä syyskuussa 2022.
Joensuuhun on avattu Photonics Center eli fotoniikkakeskus, joka yhdistää yliopistotutkimuksen ja yritykset. Vaikka viralliset avajaiset ovat marraskuussa 2022, on valotieteen toimijoille tarkoitetut tilat jo täyteen vuokrattu kesällä.
Tuhannen neliömetrin tiloissa on mittalaitteita, testaukseen soveltuvia huoneita ja laitteita sekä optiikan ja puolijohteiden valmistukseen soveltuvat puhdastilat.
Kuuminta fotoniikassa ovat silmälasityyppiset lisätyn todellisuuden (AR) lasit. Lasien linssit näyttävät tavallisilta silmälasilinsseiltä, mutta niihin voidaan tuoda kuvaa miniprojektoreiden avulla.
Yksi keskuksen vuokralaisista on ar-lasien näyttöjä kehittää Dispelix , joka valittiin juuri Vuoden 2021 fotoniikkayritykseksi Suomessa. Espoossa pääkonttoriaan pitävä yritys aloitti Joensuun tiedepuistossa viisi vuotta sitten kolmen henkilön voimin. Nyt toimipisteen henkilöstömäärä on lähes 40.
”Joensuussa on kaikki, tilat ja ihmiset. Olemme rekrytoineet yliopistolta suoraan opiskelijoita. Tuotantopuolen ymmärrystä olemme saaneet entisen Perloksen ja Abloyn työntekijöiltä”, kertoo Dispelixin valmistuksen kehittämispäällikkö Petri Stenberg.
Dispelix on vuokrannut fotoniikkakeskuksesta kerroksen toimistotilaa, Lisäksi se on vuokrannut puhdastilaa tuotekehitykseen, jossa tehdään koetuotantoa omilla laitteilla. Yritys kartoittaa suuremman koevalmistuslinjan rakentamista Joensuuhun.
Dispelixin vahvuus on oma näyttöoptiikan suunnittelu. Valoa ohjataan läpinäkyvän näyttöelementin sisällä nanorakenteiden avulla. Silmälasin linssin näköiseen näyttöelementin sisällytettyjä hilamaisia rakenteita ei näe paljaalla silmällä. Nanorakenteet ohjaavat lisätyn todellisuuden kuvan käyttäjän silmään. Kuva tuotetaan linssiin joko led- tai laserprojektorin avulla.
Projektori sijoitetaan silmälasin sankaan ja linssi toimii periskoopin tavoin. Käyttäjälle lisätyn todellisuuden kuva on osana näkökenttää.
Koetuotannon avulla Dispelix kehittää maailmanlaajuista partneriverkostoa ja massatuotannon aloittamista. Lopputulokseen vaikuttaa se, miten hyvin nano-optiikka on suunniteltu. Suunnittelu korostuu kun menetelmästä skaalataan sarjatuotantoon.
”Valmistaudumme toimittamaan valojohteita massatuotantona, kun markkinat ovat siihen valmiita.”
Vetoa kuluttajapuolelta odotetaan, ja Stenberg veikkaa yhdeksi kohteeksi silmälaseja lisätyn todellisuuden ominaisuuksilla.
”Ar-lasit toimitetaan ehdottomasti omilla vahvuuksilla, mikäli asiakas niitä tarvitsee. Yksi mahdollisuus voi olla 3d-tulostuksen hyödyntäminen, joka mahdollistaa näköä korjaavan linssin valmistuksen räätälöidysti asiakkaan tarpeisiin. Isommassa mittakaavassa kuluttajatuotteita tulee 2–3 vuoden aikana. Lasien kuluttajahinta asettunee 500–1500 euron välille”, Stenberg kertoo.
Ar-lasit toimivat yksinkertaisimmillaan informaationäyttönä älykellojen tapaan. Jos laseihin on lisätty ympäristöä tarkkaileva kamera, voi näkökentässä esittää hologrammeja reaalimaailman näkymän päällä. Myös navigointiohjeiden esittäminen on mahdollista.
Linssien valmistustekniikoita Stenberg ei kerro, mutta valmistustarkkuus antaa suuntaa.
”Nano-optiikassa valmistustarkkuusvaatimukset ovat yksittäisistä nanometreistä jopa alle nanometriin. Käytämme näihin soveltuvaa, omaa laitekantaa ja yliopiston laitteita.”
Kuluttajatuotteiden valmistukseen käytetään yhdistelmää eri tekniikoista: ruiskuvalua, painettavaa optiikkaa ja 3d-tulostusta.
Valmistustoleranssivaatimukset ovat alle valon aallonpituuden. Rakenteita ja varsinkaan valmistusvirheitä ei voi nähdä perinteisellä mikroskoopilla.
”Pystyäksemme valmistamaan näyttöjä myös massatuotannossa meidän on käytettävä fotoniikkaan perustuvia mittauksia uusilla innovatiivisilla tavoilla”, Stenberg kertoo.
Tilat yritysten tarpeista
Photonics Center on Business Joensuun omistama tytäryhtiö. Tilat omistaa Tilat omistaa Suomen Yliopistokiinteistöt.
”Idea lähti yrityksiltä, jotka kyselivät, että saataisiinko joku pöydän nurkka käyttöön yliopiston läheltä”, fysiikan ja matematiikan laitoksen johtaja, Itä-Suomen yliopiston fotoniikan professori Jyrki Saarinen kertoo.
Tietotaidon lisäksi yritykset tarvitsivat testauslaitteita ja -tiloja.
”Suomessa fotoniikkaliiketoiminta kasvaa hurjaa vauhtia. Toimistotiloja Suomessa on, mutta ei laboratorio- ja puhdastiloja. Mahdollistamme tutkimuksellisen liiketoiminnan Joensuussa yhden luukun periaatteella”, Business Joensuun fotoniikan kehityspäällikkö Juha Purmonen kertoo.
Vaikka Photonics Centerin tilat olivat heinäkuussa vielä viimeistelyjä vailla, lisää tilaa tarvitaan jatkossa.
”Kaikki tilat on vuokrattu ensimmäisestä vaiheesta. Siksi jatkosuunnitelma toisesta vaiheesta on tärkeää, että on riittävästi tilaa Joensuun seudulla kasvaville yrityksille ja tänne tulijoille”, Purmonen kertoo.
Joensuun ylpeys
Saarinen esittelee Photonics Centerin kolmikerroksisia tiloja. Sisäänkäynnin yhteydessä on näyttelytila, jossa yritykset voivat esitellä tuotteitaan.
Ensimmäisessä kerroksessa sijaitsevat puhdastilat ja uusimmat koneinvestoinnit.
Toinen näistä on Panasonicin mittauslaite, atomivoimaprofilometri, joita on vain kaksi Euroopassa. Noin puolen miljoonan euron investoinnilla voidaan varmistaa valmistetun linssin tai muotin geometria. Laitteen mittaustarkkuus on 0,05 mikrometriä.
Yritykset voivat joko vuokrata sen kapasiteettia tai ostaa mittaukset palveluna.
Samassa tilassa on Triopticsin laite, jonka avulla optiikka ja elektroniikka voidaan kohdistaa ja liimata yhteen.
”Laite tekee kohdistuksen samanaikaisesti mittaamalla komponentin toimintaa ja liittää lopuksi kappaleet. Silloin ei tule hukkaa ja saannoksi tulee 100 prosenttia”, Saarinen kertoo.
Tarkkaa tulostamalla
Optiikan valmistuksessa Itä-Suomen yliopiston ylpeyden aihe on 3d-tulostin, jolla voidaan valmistaa erittäin tarkkoja linssejä.
Hollantilaisen Luxexcelin laitteella linssejä on valmistettu hartsista Joensuussa jo vuodesta 2016. Tulostin valmistaa linssit kerros kerrokselta mustesuihkutekniikalla. Neste kovetetaan uv-valolla.
Yhden tulostuskerroksen paksuus on vain neljä mikrometriä. Millimetriin tarvitaan siis 250 kerrosta. Mullistavaa tekniikassa on se, että linssejä ei tarvitse jälkikäsitellä.
Tulostimen valmistaja tekee laitteella silmälasien linssejä, mutta Joensuussa laitteen tarkkuutta on parannettu kalibroimalla tulostinpään suuttimet.
Tulostimessa on seitsemän senttimetrin matkalla tuhat suutinta, josta jokainen voi tiputtaa alle 20 mikrometrin kokoisen pisaran tulostusalueelle.
”Jokainen reikä on hiukan eri kokoinen, joten jos pisarat ovat eri kokoisia, virhe kertaantuu. Mittasimme, mikä on kunkin suuttimen sadan pisaran tuoma massa ja teemme korjauksen linssin geometriaan sen perusteella”, Saarinen kertoo.
Nyt tulostustarkkuuden virhe on alle mikrometrin, joten linssit sopivat suoraan vaativiinkin käyttökohteisiin.
Monimuotoisia ja kompakteja linssejä tarvitaan varsinkin puettavan elektroniikan sovelluksissa, kuten lisätyn todellisuuden laseissa. 3d-tulostettuun linssiin voidaan luoda miniatyyrisen lcd-näytön kuva, jolloin se näkyy käyttäjälle linssin pinnalla.
Toinen yleinen tulostettujen linssien käyttökohde on ledivalaisu. Jokaiselle ledille voidaan samalla tehdä yksilöllinen, eri polttovälillä oleva linssi. Näin valokuviosta saadaan juuri halutun kaltainen.
Eroon hionnasta
Perinteisesti linssit valmistetaan jääkiekon mallisista aihioista hiomalla tai timanttityöstämällä. 3d-tulostuksen tuoma muotoilun vapaus tuo säästöä, kun yhdellä linssillä voidaan korvata useita pallomaisia linssejä.
Tulostus sopii silmälasien linsseihin, mutta on menetelmänä kuluttajalinssien valmistukseen vielä liian kallis. Laitevalmistaja Luxexcel omistaa valtaosan linssien tulostukseen liittyvistä patenteista eikä anna teknologiaa ilmaiseksi käyttöön.
Kun pelkkä linssitulostin maksaa miljoona euroa, ovat tuotannon aloituskustannukset kymmenkertaiset viisiakseliseen koneistuskeskukseen verrattuna.
Menetelmien suora vertailu on vaikeaa, sillä perinteinen linssien valmistus aloitetaan valmiista ruiskupuristetuista aihioista, jotka joko hiotaan tai koneistetaan. Tulostamalla syntyy valmis tuote raaka-aineesta yhdessä osoitteessa.
Kuin väri tulostimessa
Perinteisten linssien valmistaminen on Joensuussa jo peruskauraa. Nyt tulostinta on päivitetty niin, että sillä voidaan tulostaa kolmea eri taitekertoimen materiaalia samaan linssiin.
”On kuin siirryttäisiin mustavalkotulostuksesta väritulostukseen”, Saarinen vertaa.
Kun samaan linssiin tulostetaan eri taitekertoimella olevia materiaaleja, sillä voidaan korvata monimutkaisia linssiryhmiä.
”Käyttämällä useita eri taitekertoimia samassa linssissä voidaan tehdä linssi, jonka muoto pysyy samana, vaikka kulkusuunta muuttuu.”
Yhdistetyille ominaisuuksille on käyttöä, kun linssijärjestelmistä halutaan saada mahdollisimman kevyt. Aikaa, tilaa ja materiaalia säästyy.
Virtuaalitilat
Kolmannen kerroksen tiloissa voidaan testata optiikkaa ja lisätyn todellisuuden laitteita. Uusien käyttökohteiden lisäksi käyttökokemuksesta on saatava mahdollisimman luonnollinen.
Hankesuunnittelija Veikko Miettinen esittelee lisätyn todellisuuden laboratoriota yhdessä opiskelija Xavi Anadón García-Arquimbaun kanssa.
Sitä mukaa kun García-Arquimbau liikkuu tilassa, piirtyy hänestä reaaliaikainen kuva monitorille. Taustalla pyörii mallinnusmoottori, joka tekee kohteesta kolmiulotteista mallia.
”Tällä saa virtuaaliympäristöön luotua esimerkiksi avatarin erittäin nopeasti. Tämä tukee myös peliteollisuutta, kaikkea ei tarvitse enää mallintaa”, Miettinen kertoo.
Tiloja on kaksi rinnakkain, jolloin virtuaalimaailmassa toimimista voi testata kaksi ihmistä yhtä aikaa vuorovaikutuksessa. Kun molemmilla on omat lasit repputietokoneineen, ei ole pelkoa johtoihin sotkeentumisesta.
Virtuaalilasien tekninen toimivuus on vain yksi osa käyttökokemuksesta.
García-Arquimbau ottaa esiin pannan, jonka pukee vr-lasien alle. Tämän jälkeen hän vaihtaa virtuaalimaailmassa olevan pallon värin punaisesta turkoosiin.
Panta on Musen valmistetta se mittaa aivosähkökäyrää, pulssia hengitystaajuutta ja unta. Sen ensisijainen käyttötarkoitus on unen mittaaminen. Laboratoriossa sen palautetta käytetään kuitenkin valveilla olon aistimusten todentamiseen.
”Tällä voidaan todentaa, kuinka keskittynyt käyttäjä on. Jos ajatus harhailee, se näkyy tuloksissa”, García-Arquimbau kertoo.
Toinen huone on pyhitetty katseen seurannan tutkimiseen. Sitä käytetään niin käyttöliittymäsuunnitteluun kuin xr-tekniikoiden käyttökokemuksen parantamiseen.
”Tällä voidaan tutkia, mihin käyttäjän katse tarkentuu ja rakentaa virtuaalimaailman terävyysalue sellaiseksi, että ihminen kokee sen luonnolliseksi, Miettinen kertoo.
Yliopistolla mietitäänkin nyt, minkälaista opetus on vuonna 2030. Tiloja on vapautunut, kun opetus on siirtynyt osin etänä tehtäväksi. Tämä vapauttaa luentosalien lisäksi työhuoneita.
”Olemme menneet ääripäästä toiseen. Ennen koronaa olimme kokonaan täällä, välillä kokonaan pois”, Jyrki Saarinen kertoo.
Syksyllä 2023 fotoniikan opetusohjelma laajenee. Silloin alkaa Diplomi-insinöörien koulutus.
”Koska Photonics Center on jo täynnä, niin laajennuksen suunnitteluun ja toteutukseen haluttaisiin päästä käsiksi mahdollisimman nopeasti. Itä-Suomen yliopiston Joensuun kampuksen uusi visio sattuu tähän samaan aikaan, jolloin kampuksella on muutoinkin joitain uudelleenjärjestelyjä”, Saarinen kertoo.
Tulevaisuudessa silmälasitkin tulostetaan
Tulostus on silmälasilinssien valmistukseen toistaiseksi vielä liian kallis menetelmä. Laitevalmistaja Luxexcel omistaa valtaosan linssien tulostukseen liittyvistä patenteista eikä luonnollisesti anna teknologiaa ilmaiseksi käyttöön.
Perinteisen ja tulostusmenetelmän suora vertailu on vaikeaa, sillä perinteinen linssien valmistus aloitetaan valmiista ruiskupuristetuista aihioista, joka joko hiotaan tai koneistetaan. Tulostamalla syntyy valmis tuote raaka-aineesta yhdessä osoitteessa.
Kun pelkkä linssitulostin maksaa miljoona euroa, on tuotannon aloituskustannukset kymmenkertaiset viisiakseliseen koneistuskeskukseen verrattuna.
Kun tulostuksen hinta laskee, tulee se alentamaan silmälasien valmistuksen logistiikkakustannuksia. Nyt linssiaihioita kuljetetaan mantereelta toiselle hiottavaksi tai jyrsittäväksi.
