Verkfræðingar hafa smíðað minnstu ljósskynjunarsnúru í heimi sem auðvelt væri að samþætta í minnstu færanlega nútímatækni.
Gyroscopes eru algengar í hverri tækni sem við notum í dag. Gyroscopes eru notaðir í farartæki, dróna og rafeindatæki eins og farsíma og wearables þar sem þeir hjálpa til við að vita rétta stefnu tækis í þrívídd (3D) rými. Upphaflega er gyroscope tæki hjóls sem hjálpar hjólinu að snúast hratt um ás í mismunandi áttir. Staðall sjón gyroscope inniheldur spólaða ljósleiðara sem ber púlsleysisljós. Þetta gengur annað hvort réttsælis eða rangsælis. Aftur á móti eru gyroscopes nútímans skynjarar, til dæmis í farsímum eru öreindanemar (MEMS) til staðar. Þessir skynjarar mæla krafta sem verka á tvær einingar með sama massa en sem sveiflast í tvær mismunandi áttir.
Sagnac áhrifin
Skynjararnir, þó þeir séu nú mikið notaðir, hafa takmarkað næmi og þess vegna optísk gyroscope eru nauðsynlegar. Afgerandi munur er sá að sjón-snjóspjöld geta framkvæmt svipað verkefni en án hreyfanlegra hluta og með meiri nákvæmni. Þetta er hægt að ná með Sagnac áhrifunum, sjónrænu fyrirbæri sem notar Einsteins almenna afstæðiskenningu til að greina breytingar á hornahraða. Meðan á Sagnac áhrifum stendur er geisli af leysiljósi brotinn í tvo sjálfstæða geisla sem ferðast nú í gagnstæðar áttir eftir ávölri leið sem hittast að lokum við einn ljósskynjara. Þetta gerist aðeins ef tækið er kyrrstætt og aðallega vegna þess að ljós ferðast á jöfnum hraða. Hins vegar, ef tækið snýst, snýst ljósleiðin einnig sem veldur því að tveir aðskildir geislar ná ljósskynjaranum á öðrum tímapunkti. Þessi fasabreyting er kölluð Sagnac-áhrif og þessi munur á samstillingu er mældur með gyroscope og notaður til að reikna út stefnu.
Sagnac áhrifin eru mjög viðkvæm fyrir hávaða í merkinu og allur hávaði í kring eins og litlar hitasveiflur eða titringur geta truflað geislana þegar þeir ferðast. Og ef gyroscope er af töluvert minni stærð þá er það hættara við truflun. Optísk gyroscope eru augljóslega miklu áhrifaríkari en það er samt áskorun að minnka sjón gyroscopes þ.e. minnka stærð þeirra, því eftir því sem þau verða minni veikist merki sem sent er frá skynjurum þeirra líka og tapast síðan í hávaða sem myndast af öllu dreifðu ljós. Þetta veldur því að gyroscope erfiðara við að greina hreyfingu. Þessi atburðarás hefur takmarkað hönnun smærri optískra gyroscopes. Minnsta gyroscope með góða frammistöðu er að minnsta kosti á stærð við golfkúlu og því óhentugt fyrir lítil flytjanleg tæki.
Ný hönnun fyrir lítinn gyroscope
Vísindamenn við California Institute of Technology í Bandaríkjunum hafa hannað sjónrænan gyroscope með mjög lágum hávaða sem notar leysir í stað MEMS skynjara og fær jafngildar niðurstöður. Rannsókn þeirra er birt í Náttúra ljóseðlisfræði. Þeir tóku pínulítinn 2 fermetra mm sílikonflögu og settu rás á hana til að leiðbeina ljósinu. Þessi rás hjálpar til við að leiðbeina ljósinu til að ferðast í allar áttir í kringum hring. Verkfræðingar eyddu út gagnkvæman hávaða með því að lengja leið leysigeisla með því að nota tvo diska. Eftir því sem leið geislans verður lengri jafnast magn hávaða út sem leiðir til nákvæmrar mælingar þegar geislarnir tveir mætast. Þetta gerir kleift að nota smærri tæki en viðhalda samt nákvæmum niðurstöðum. Tækið snýr líka stefnu ljóssins til að aðstoða við að draga úr hávaða. Þessi nýstárlega gíróskynjari heitir XV-35000CB. Bættum árangri var náð með „gagnkvæmri næmniaukning“ aðferð. Gagnkvæm þýðir að það hefur áhrif á tvo sjálfstæða ljósgeisla á sama hátt. Sagnac áhrifin eru byggð á því að greina breytingar á milli þessara tveggja geisla þar sem þeir ferðast í gagnstæðar áttir og þetta jafngildir því að vera ógagnkvæmt. Ljósið fer í gegnum litla sjónbylgjuleiðara sem eru litlar leiðslur sem flytja ljós, svipað og vír í rafrás. Allar ófullkomleikar í ljósleiðinni eða utanaðkomandi truflun munu hafa áhrif á báða geislana.
Aukning á gagnkvæmu næmi bætir merki-til-suðhlutfalli sem gerir kleift að samþætta þessa sjónrænu gyroscope á pínulítinn flís sem er kannski á stærð við odd af nögl. Þessi agnarsmái gyroscope er að minnsta kosti 500 sinnum minni að stærð en núverandi tæki en getur greint fasabreytingar 30 sinnum minni en núverandi kerfi. Þessi skynjari er fyrst og fremst hægt að nota í kerfum til að leiðrétta titring myndavélar. Gyroscopes eru nú ómissandi á mismunandi sviðum og núverandi rannsóknir sýna að hægt er að hanna smærri sjón-gyroscope þó það gæti tekið nokkurn tíma fyrir þessa rannsóknarstofuhönnun að vera fáanleg í verslun.
***
{Þú getur lesið upprunalegu rannsóknarritgerðina með því að smella á DOI hlekkinn sem gefinn er upp hér að neðan á listanum yfir tilvitnaðar heimildir}
Heimildir)
Khial PP o.fl. 2018. Nanophotonic sjón gyroscope með gagnkvæmri næmniaukning. Náttúra ljóseðlisfræði. 12 (11). https://doi.org/10.1038/s41566-018-0266-5
***
