Лазерный мир

Световые технологии лежат в основе современного мира, обеспечивая самые сложные процессы и процедуры.

Редакторы Novus Light определили десять значительных тенденций в применении световых технологий, каждая из которых является результатом множества небольших, постепенных достижений, и все они предлагают обильные возможности.

Десять тенденций, которые возглавят наш список в 2019 году:

• Изображение мозга
• Аддитивное Производство
• Квантовые технологии
• Дополненная / виртуальная реальность
• Поляризационные камеры
• Лидар зондирования
• Управление освещением
• Глубокое обучение
• Мини спектрометры
• Умные фабрики

Изображение мозга

Область визуализации головного мозга расширяется по мере продвижения вперед в таких технологиях, как голография, трехмерная визуализация, подсчет фотонов, волоконно-оптическое зондирование и имплантируемая МРТ-визуализация. Ожидается, что рынок трехмерных изображений в ближайшие три года вырастет почти на 25%, и одним из его многочисленных приложений является исследование мозга. Исследователи из Тель-Авивского университета в Израиле разработали решение для счета фотонов, которое улучшает качество быстрой 2D- и 3D-визуализации активности нейронов в живом мозге, пытаясь раскрыть внутреннюю работу интерфейса между нейронами и кровеносными сосудами.

Голография — еще одна область возможностей в исследованиях мозга. Калифорнийский университет в Беркли с помощью голографического лазерного излучения активирует нейроны в мозге, имитируя характер и ритм фактической реакции мозга. Алан Мардинли (Alan Mardinly), сотрудник докторской диссертации в американской лаборатории Беркли в Гилеле-Адеснике, сказал: «Это один из первых шагов на долгом пути разработки технологии, которая могла бы стать виртуальным мозговым имплантатом с дополнительными ощущениями или усиленными ощущениями».

В Университете Аризоны (США) исследователи разработали волоконно-оптические датчики, которые могли бы предложить альтернативу системам магнитно-резонансной томографии (МРТ), используемым для картирования мозговой активности. Поскольку система будет портативной, недорогой и способной работать при комнатной температуре и в неэкранированной среде, она может использоваться непосредственно в точке воздействия либо в спорте для диагностики сотрясений мозга, либо в зонах конфликта, где взрывчатые вещества вызывают травму головного мозга.

В другой работе исследователи из Массачусетского технологического института разработали крошечный датчик, который можно имплантировать в мозг, взаимодействуя со сканером MIR вне тела. Устройство не требует питания или проводного соединения с мозгом, и оно может обнаружить крошечный электрический ток в мозге и оптические сигналы, производимые люминесцентными белками.

Аддитивное производство

Появляющейся технологией является аддитивное производство или 3D-печать, которая, по прогнозам, будет расти более чем на 26% в год к 2023 году. Она будет использоваться во всем, от производства металлических деталей в автомобильной промышленности до проектирования и изготовления оптики на заказ и производства протезов, кровеносных сосудов и клапанов сердца.

В лазерном аддитивном производстве лазеры играют важную роль, потому что они фокусируют большое количество энергии на широком диапазоне порошков материала, спдавляя их в трехмерные детали. Лазеры сплавляют материалы слой за слоем, пока деталь не будет закончена. Лазерное сплавление в порошковом слое (Laser Powder Bed Fusion, LPBF), также известное как селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM), представляет собой процесс, находящийся в фокусе проекта AutoAdd, Института лазерной технологии Фраунгофера ILT в Аахене, Германия. Проект AutoAdd направлен на то, чтобы облегчить автомобилестроению использование аддитивного производства за счет интеграции технологической цепочки LPBF в среду массового производства автомобилей, чтобы снизить удельные затраты. На медицинском фронте аддитивное производство используется для многих типов имплантатов, от лицевых до ортопедических, до стоматологических и т.д. По прогнозам, рынок медицинских устройств с 3D-печатью к 2025 году составит почти 10 миллиардов долларов. Исследователи из Великобритании использовали аддитивное производство, чтобы узнать, как растут наши кости.

Создавая процесс, имитирующий реальный рост костей, исследователи не только узнали, как растут кости, но и узнали, что создает устойчивость к ударам и изгибу костей, что может привести к появлению более естественных имплантатов, которые могли бы заменить металлические и пластиковые имплантаты, используется сегодня. Исследование также может помочь в понимании остеопороза и разрушения костей.

Квантовые технологии

Цифровые технологии изменили компьютеры, коммуникационное оборудование, безопасность, медицину и многое другое. Теперь мы переходим от цифровых технологий к квантовым технологиям. Квантовая механика описывает самые маленькие вещи во вселенной субатомных частиц, таких как протоны, нейтроны, электроны. Большое финансирование направлено на развитие квантовой технологии и проектов, которые приведут технологию к коммерциализации. Например, в Европе Quantum Flagship — это 10-летняя инициатива стоимостью 1 млрд. Евро, в которой примут участие более 5000 европейских исследователей. UNIQORN является одним из многих проектов, которые подпадают под квантовый флагман, и он будет сосредоточен на квантовых системах связи. Его миссия состоит в том, чтобы предоставить активную фотонную технологию для размещения квантовых коммуникаций путем помещения сложных систем в микросхемы миллиметрового размера.

И еще одна европейская группа объединяет усилия для развития искусственного интеллекта и квантовых вычислений. Imec, CEA-Leta подписали соглашение, направленное на разработку, тестирование и эксперименты с нейроморфными и квантовыми вычислениями, намереваясь предоставить набор инструментов для цифровых аппаратных вычислений, который может использоваться европейскими отраслевыми партнерами для инноваций в различных приложениях, от персонализированного здравоохранения и умной мобильности для новой обрабатывающей промышленности и умных энергетических секторов.

И хотя сегодня многие исследовательские группы формируются, группа австралийских, итальянских и швейцарских ученых разработала фотонный чип, который впервые продемонстрировал, что квантовая информация может кодироваться, обрабатываться и передаваться на расстоянии с помощью топологических схем на чипе.

Дополненная реальность / виртуальная реальность

Поскольку цифровые технологии становятся частью нашей повседневной жизни, мы будем все больше контактировать с виртуальной, дополненной и даже смешанной реальностью. Что есть они и чем они отличаются? Виртуальная реальность погружает пользователя в другой мир. Надев головной экран или установленный на голове дисплей, пользователь помещается в виртуальную среду, например в видеоигру или в медицинское учреждение. Дополненная реальность (Augmented reality, AR) накладывает изображения на вид реального мира. Смешанная реальность, как следует из названия, смешивает виртуальное с реальным миром, позволяя пользователю взаимодействовать с программными изображениями. Более подробная информация представлена в разделе «Покрытия для виртуальной реальности, дополненной реальности и смешанной реальности».

VRHealth предоставляет решения для виртуальной реальности для больниц, реабилитационных центров и кабинетов врачей. Доступны приложения VR для снятия боли, реабилитационных упражнений, терапии для детей с ADHD и многое другое.

Проект VOSTARS (видеооптическая прозрачная хирургическая система дополненной реальности) разрабатывает медицинскую систему видения для использования хирургами. Наложив рентгеновский снимок пациента в трехмерном виде в унисон с его телом, хирургам не нужно отвлекаться во время операции. Система видения для хирургов  также представляет данные анестезии пациента, частоту сердечных сокращений, температуру тела и другие жизненно важные органы. Проект прогнозирует улучшение точности, а также сокращение времени в операционной.

Возможности безграничны с ростом приложений AR / VR / MR. Головные дисплеи являются неотъемлемой частью новых приложений, и, как следствие, ожидается, что к 2024 году рынок настольных дисплеев превысит 7 миллиардов долларов США, увеличившись за тот же период более чем на 19% в среднем.

Поляризационные камеры

Сегодня, по словам старшего редактора Дэйва Уилсона, мы видим высокую степень специализации в области камер. Прошли те времена, когда все большее значение имели более крупные КМОП-камеры. Сегодня все зависит от того, что может делать имейджер или камера, отсюда и появление узкоспециализированных имейджеров, которые можно использовать во время полетных фотокамер и поляризованных камер.

Поляризация — это процесс преобразования неполяризованного света в поляризованный, то есть, процесс принимает  световую волну, которая колеблется в нескольких плоскостях, и преобразует ее в световые волны с колебаниями, возникающими в одной плоскости. Поляризационные камеры получают изображения так, как это делают насекомые. Насекомые и другие существа, такие как личинки богомола, имеют зрительную систему, которая способна воспринимать информацию о поляризации с помощью светочувствительных клеток с высоким динамическим диапазоном.

Поляризованные камеры полезны при промышленной проверке, где может быть низкий контраст или высокое отражение. Поляризационные камеры могут отфильтровать свет с углами поляризации от света, который может отражаться от поверхностей из различных материалов.

Sony сделала шаг вперед с появлением глобального CMOS-затвора — датчика  Sony iMX250MZR, который предоставляет производителям камер готовое решение, вместо того, чтобы устанавливать вращающееся колесо механического поляризационного фильтра над датчиком в камере. Для получения более подробной информации об этом прогрессе, а также о ведущих производителях поляризационных камер, прочитайте «Industrial Vision Gets Polarized».

Лидар зондирования

Согласно последнему отчету ResearchandMarkets, в ближайшие 10 лет мировой рынок автомобильных лидаров будет расти в среднем на 29,6%. Рынок обусловлен ростом числа автономных транспортных средств и усовершенствованных систем помощи водителю (ADAS), особенно в свете растущего числа случаев, связанных с безопасностью транспортных средств без водителя.

Лидар подразумевает обнаружение и определение дальности источника света и используется вместо камер, радаров и ультразвуковых датчиков или в дополнение к ним.

В статье «Датчики отображают путь к полностью автономным транспортным средствам» рассказывается о том, как эти технологии датчиков дополняют друг друга и обеспечивают наилучшую возможную надежность для дневного и ночного вождения.

Возможности на этом рынке кажутся безграничными. Известные компании по производству оптики, такие как Jenoptik, поставляют ряд оптических элементов, которые используются в современных лидарных системах. Hamamatsu поставляет четырехканальный импульсный лазерный диод, который можно использовать в качестве источника света для автомобильных лидарных модулей, что позволяет более точно измерять объекты на больших расстояниях. Laser Components, поставщик лазерных и оптоэлектронных компонентов, сотрудничает с Институтом микроэлектронных схем и систем Фраунгофера IMS, чтобы сотрудничать в разработке лидаров. Excelitas предлагает устройство импульсного лазерного диода для поверхностного монтажа в качестве ключевого строительного блока лидарных систем следующего поколения. Компании по нанесению покрытий, такие как AccuCoat, удовлетворяют уникальные потребности оптических покрытий в лидарных системах. Смотрите статью Лидарные покрытия принимают много форм. И этот список можно продолжать по мере расширения технологий и роста рынка.

Управление освещением

В сегодняшнем освещении  все под управлением. Характеристики твердотельного освещения позволяют контролировать интенсивность света, цветовую температуру, оттенок, энергопотребление и многое другое.

Управление освещением может быть встроено в драйвер светодиода, либо управляться компьютером, либо отключаться в облаке Интернета.

В статьях «Интеллектуальное управление осветительными приборами в интеллектуальном освещении» и «Стандарты управления дуэли в интеллектуальном освещении» подробно рассматриваются вопросы современного управления освещением.

Область применения управления освещением варьируется от интеллектуального освещения в зданиях до промышленного машинного зрения и сельского хозяйства в помещениях. В машинном зрении постоянные уровни освещения имеют решающее значение, поскольку системы машинного зрения должны очень точно контролировать, проверять, анализировать и классифицировать. Подробнее читайте в статье «Необходимость точного управления освещением в машинном зрении». Внутреннее сельскохозяйственное приложение, в котором используются контроллеры OLED, описано в статье OLED Could Boost Vertical Farm Efficiency на 20%.

Cortet, специалист по технологиям интеллектуального строительства Интернета вещей (IoT), разработал решение Cortet Lighting Control, которым можно управлять с помощью мобильного приложения. Gardasoft предлагает серию контроллеров освещения для высокоскоростной вычислительной визуализации, которые могут управлять освещением, которое позволяет быстрой последовательности изображений в приложениях машинного зрения с различными углами освещения получать интеллектуальную камеру.

Глубокое обучение

«У нас есть революция в бизнесе программного обеспечения со многими производителями и компаниями, занимающимися машинным обучением и глубоким обучением», — говорит старший редактор Дейв Уилсон. Существует различие между этими двумя системами программного обеспечения машинного обучения, использующими векторные системы  (SVM) или алгоритмы Random Forest, и глубоким обучением с использованием Convolutional Neural Networks (CNN) — класса нейронных сетей, отлично подходящих для анализа визуальных образов. Уилсон сказал, что, по его скромному мнению, системы глубокого обучения (CNN) станут очень важными — очень скоро.

По словам Гириша Венкатарамани, менеджера по развитию в MathWorks, глубокое обучение осуществляется с использованием архитектуры нейронных сетей. Программное обеспечение для глубокого обучения, используемое в системе видения, научат выполнять очень специфические функции, выявляя сложные особенности и соответствующим образом классифицируя изображения. В статье Deep Learning объединяется с Vision и подробно рассказывает о преимуществах обученной системы зрения. Мы видели, как крупное производство двигалось в направлении глубокого обучения. Hyundai CRADLE, компания Hyundai Motor Company, занимающаяся корпоративными предприятиями и открытыми инновациями, недавно инвестировала в allegro.ai, технологическую компанию, которая специализируется на глубоком обучении. Matrox Imaging недавно объявила, что ее известное прикладное программное обеспечение для визуализации на блок-схемах Matrox Design Assistant X объединяет новые функции, включая классификацию изображений с использованием глубокого обучения. И EyeVision является примером программного обеспечения машинного зрения, которое предлагает приложение для распознавания номерных знаков, которое использует глубокое обучение для распознавания номерных знаков, а также марки и модели автомобилей.

Мини спектрометры

Спектроскопия — это метод, используемый для измерения интенсивности света в длинах волн UV, VIS, NIR и IR. Метод  используется в широком спектре приложений, включая медицину, охрану окружающей среды, безопасность, фармакологию и многое другое. Спектроскопия восходит к оптическому эксперименту Исаака Ньютона в 1600-х годах, и развивается примерно  350 лет, и сегодня в спектроскопии преобладают небольшие мини- и микро-спектрометры, которые позволяют проводить измерения на месте в реальном времени.

Даже в крошечных корпусах маленькие спектрометры имеют высококачественную оптическую конструкцию, которая увеличивает эффективность и стабильность, одновременно уменьшая рассеянный свет и максимизируя оптическое разрешение. Пример разработок в этой области демонстрирует европейский проект InSPECT, в котором исследователи разработали два класса спектрометрических систем: компактный кубический дюймовой спектрометр на основе дифракционной оптики и спектрометрическую систему на основе Si с использованием  волноводной технологии TriPleX, объединяющей спектрометр на фотонной интегральной схеме. Кроме того, был разработан новый класс широкополосных источников света, основанный на твердотельном лазерном возбуждении люминесцентных материалов. Новое поколение экономически эффективных решений обеспечивает спектральное зондирование для хирургов в операционной, врачей в консультационных кабинетах и врачей в отдаленных медицинских центрах.

В дополнение к производству компактных спектрометров, производители предлагают ориентированные на применение продукты, предназначенные для конкретного решения, а также достаточно легкие, чтобы их могли использовать эксперты, не занимающиеся спектроскопией.

Умная фабрика

Умная фабрика, Индустрия 4.0, Интернет вещей — все это относительно новые термины, которые описывают современный способ производства. Сегодня мы живем в ходе так называемой 4-й промышленной революции, отсюда и Индустрия 4.0. Первая революция увидела начальную механизацию, управляемую водой и паром. Во второй, массовое производство началось с сборочных линий, работающих на электричестве. Третьей была новая волна компьютеризации и автоматизации. И сегодня 4-я революция включает кибер-физические системы, соединенные Интернетом и облачными вычислениями.

Световые технологии играют центральную роль, обеспечивая оптическую связь, системы 3D-визуализации, интеллектуальные лазеры, оптические датчики, оптоволокно, роботизированные и автономные системы и многое другое. По-настоящему умные фабрики стали возможными благодаря слиянию современных светотехнических технологий.

На выставке Assembly Tech продемонстрировал интеллектуального робота-дозатора, который включает в себя множество элементов умной фабрики: он автоматизирован для выполнения конкретного приложения, у него есть программное обеспечение на базе ПК, которое упрощает программирование и управление, его система видения позволяет ему исправить смещение деталей, распознавание образов помогает сократить время программирования, а также имеет интерфейсы Ethernet и WiFi, так что его можно настраивать, контролировать и контролировать из любой точки мира.

Прогноз

В отдельности каждая тенденция представляет важные достижения, полезные приложения и многообещающие обещания для расширения возможностей. В совокупности эти десять тенденций подчеркивают значимость световых технологий практически во всех аспектах нашей жизни, и они, несомненно, будут играть все большую роль в будущем.

Источник: https://www.novuslight.com/top-ten-trends-in-light-technologies-2019_N8826.html