Miniaturised Optical ROad Sensor

Prosjektet nådde målet om å utvikle det sentrale MEMS-filteret med nye innovasjoner i nyutviklede speilbelegget som øker sensitiviteten til sensoren betraktelig. Det ble bygget et sensorsystem som ga vellykket klassifisering av is, våt og tørre overflater under kontrollerte forhold, men på grunn av forsinkelser i prosjektet ble det ikke anledning til å teste systemet i feltet. Mer om dette er beskrevet under i forbindelse med gjennomgangen av de ulike arbeidspakkene. En kort oppsummering av milepæler i arbeidspakkene H1-H5 i MOROS prosjektet: H1) Planlegging og spesifisering: Arbeidet med å innhente spesifikasjoner for MEMS filteret og sensor-systemet ble ledet av Comlight AS og ble ferdigstilt i 2020. Spesifikasjons-dokumentet er blitt revidert etter behov underveis med arbeidet i utviklingen av sensor-systemet. H2) Elektronikk og pakkning: Elektronikk og pakkning ble utviklet for å montere opp nye IR-filtere til uttesting i relevant miljø. Arbeidet med kontroll-elektronikk og pakking til MEMS filteret ble ledet av Tunable AS. Tunable laget et miniatyrisert kort med mikrokontroller som er betraktelig mindre enn det tidligere kortet. Tunable har også videreutviklet deteksjons-funskjonaliteten til MEMS-filteret: Nå kan MEMS filteret beveges på en måte som gir fortløpende spektra betraktelig raskere enn tidligere. H3) Design og utvikling av veiovervåkningsensor: Lab-oppsett ble bygget basert på optiske simuleringer og design, og den er blitt brukt til å skille mellom tørr, våt og isete takshingel under kontrollerte forhold (se H5 demonstrator og evaluering): Et område belyses og det oppsamlede lyset fra dette området analyseres ved hjelp av IR-filteret. Analysen viser intensiteten for ulike bølgelengder, og fra denne informasjonen brukes for å avdekke om overflaten er tørr, våt, isbelagt eller snøbelagt. H4) MEMS: Nyutviklede IR-filter brikker ble produsert, men etter delvis betydelige forsinket pga utfordringer med lang nedetid på prosessutstyr. IR-filtrene består av to deler som prosesseres hver for seg: Toppbrikker og bunnbrikker. I MOROS prosjektet får disse IR-filtrene får et nytt optisk belegg som gir vesentlig bedre transmisjon i NIR området. Mye arbeid har gått inn i prosessutvikling for å kunne fremstille IR-filtere med dette belegget. Bunnbrikkene ble ferdigstilt i mai 2022 mens toppbrikkene ble ferdigstilt i oktober 2022. For å sikre fremdrift i prosjektet ble derfor tidligere versjoner av IR-filteret (uten det nye optiske belegget, utviklet i tidligere prosjekter) benyttet i forbindelse med uttesting av det optiske systemet i H3. Senere ble de nye ferdigstilte bunnbrikkene (med nytt optisk belegg) kombinert med gamle toppbrikker (uten nytt optisk belegg) for å realisere omtrent halve gevinsten av det nye belegget. Denne "hybrid"-løsningen ble benyttet for uttesting i H5 Demonstrator og evaluering, diskutert nedenfor. Til slutt ble det endelige IR-filteret laget, bestående av bunnbrikker og toppbrikker med nye speilbelegg på. Et annet mål med prosjektet var å demonstrere mulighet for sammenstilling av MEMS-fitlere på skivenivå. Dette arbeidet ble igangsatt, men på grunn av nedetid på utstyr mot slutten av prosjektet ble dette arbeidet ikke konkludert. H5) Demonstrator og evaluering: Uttesting av demo og innhenting av data ble gjennomført av Comlight. Det optiske systemet utviklet i H3 ble brukt til å skille mellom tørr, våt, isbelagt og snøbelagt takshingel under kontrollerte forhold. I første fase ble en fryseboks benyttet og målinger gjennomført innendørs på 1.8m avstand. I neste fase ble forsøket flyttet ut i en garasje der man kunne velge mellom å gjøre målinger med og uten dagslys ved åpning av garasjedøra. Da ble målinger gjennomført på 3.6m avstand, og en peltierelement avkjølt plate ble benyttet for å gjennomføre målinger mens overflaten gikk fra våt til is. Deretter ble snø tatt inn utenfra og lagt på platen. Til tross for at "hybrid"-IR-filteret (beskrevet over i H4) ble benyttet (som har noe lavere ytelse enn det ønskede filteret) ble vellykkede målinger oppnådd som gir klar klassifisering mellom tørr, våt, is og snø ved hjelp av ulike algoritmer (Principle Component Analysis og Linear Discriminant Analysis). Et eksempel vises nedenfor ("icb" står for isbelagt og "snb" står for snøbelagt): De fire kategoriene er klart avskilt fra hverandre, og en maskinlæringsalgoritme vil derfor lett kunne skille mellom de ulike tilstandene.

Prosjektet nådde målet om å utvikle det sentrale MEMS-filteret med nye innovasjoner i nyutviklede speilbelegget som øker sensitiviteten til sensoren betraktelig. Det ble bygget et sensorsystem som ga vellykket klassifisering av is, våt og tørre overflater under kontrollerte forhold med relativt robust klassifisering. Resultatet gir grunnlag for videre utvikling av løsningen som kan være med å forbedre varsling av glatte veistrekninger og raskere respons på strøing og/eller varsling av billister.

I dette prosjektet vil Comlight og Tunable sammen med SINTEF utvikle et sensorsystem for overvåkning av veioverflaten (is, snø og vann) som er integrert i fast infrastruktur langs veiene. Systemet muliggjør varsling til bilister om veiforholdene fremover, og vil gi verdifull informasjon til veivedlikehold og behov for brøyting, strøing og salting. Det er flere selskaper som tilbyr optisk deteksjon av veibanen, men disse er både store og for kostbare. Comlight vil utvikle et instrument som er rimelig i pris og enkelt å installere slik at storskala utrulling av veiovervåkningssensorer er mulig. Dette vil de oppnå ved å benytte et mikroelektromekanisk system (MEMS) utviklet ved Sintef og kommersialisert for gassdeteksjon av Tunable. Selve MEMS-brikken fungerer som et miniatyrisert optisk spektrometer som kan transmittere lys innenfor et kontinuerlig spektrum av infrarøde bølgelengder. Gjennom prosjektet vil Tunable kunne etablere volumproduksjon av filtermoduler og selge slike utover eget bruk, inkludert til is-deteksjon. Sentrale FoU utfordringer som må løses er følgende - Framstille MEMS filtre for riktig spektralt område for å separere is, vann, snø og tørre overflater - Utvikle en kompakt og rimelig optisk pakke med styringselektronikk for MEMS-filteret - Demonstrere prosesser som kan gjøre masseproduksjon av MEMS filtre mulig - Utvikle en kompakt demonstrator som er enkel å installere og kan klassifisere veioverflaten Om prosjektet lykkes vil det være mulig å oppnå tilstrekkelig tetthet av sensorer gjennom integrasjon i fast infrastruktur langs veiene (lyktestolper og lysarmaturer) til å få full oversikt over vanskelige veiforhold og vil kunne muliggjøre en behovsstyrt brøyting, strøing og salting av vei og sanntidsinformasjon om veiforhold til bilister. Et vellykket prosjekt sum utvikler teknologi for rimelige justerbare optiske filtre vil også åpne muligheter innen en rekke andre markedsområder som materialgjenvinning og hyperspektral avbildning.