FotonMag

Na okraji pouště Taklamakan v nejzápadnějším cípu Číny vyrostla rozsáhlá soustava skleníků, ve kterých se na třípatrových kultivačních regálech pěstuje rýže. S využitím obrovského množství LED se zde daří pěstovat rýži ve zrychleném cyklu 60 dní, což je mnohem méně než běžných 120 až 150 dní.

Rozsáhlá „pěstební továrna“ má kontrolovanou teplotu, vlhkost, světlo, oxid uhličitý i výživu kořenů. Významnou roli zde hraje právě dynamické LED osvětlení, které výzkumníci stále ještě optimalizují na fotosyntetické potřeby rýže v různých stádiích růstu. Rýže zde může růst kontinuálně po celý rok bez jakýchkoli sezonních omezení. Nejspíš se tak bude do budoucna jednat o jedno z možných opatření pro zajištění potravinové bezpečnosti.

První úspěšná sklizeň proběhla letos v dubnu, výnos činil 15,7 tun rýže na hektar, což je pro srovnání více než dvojnásobek průměrného výnosu pšenice v ČR. V současnosti už se projekt blíží ke čtvrté sklizni. Za celý rok jich lze mít potenciálně až pět, což by dohromady činilo ohromný roční výnos až 75 t/ha.

Tento způsob skleníkového pěstování rýže byl již dříve úspěšně testován v provincii S’-čchuan ležící uprostřed Číny, vzhledem k nedostatečnému množství přirozeného světla a potřebě občas vytápět skleníky uhlím se však energeticky nevyplatil. Právě proto byl projekt přesunut do pouštní oblasti, respektive do oázového města Chotan napájeného dvěma řekami z nedalekých Himalájí. Umělé LED osvětlení zde stále hraje důležitou roli v urychlení růstového cyklu, není ho však potřeba až v takovém množství. Výzkumníci pracují i na možném pěstování dalších plodin, včetně bavlny, v budoucnu navíc chtějí vyzkoušet pěstování v poušti Gobi.

Zdroj: ledinside.com

Čínská státem založená polovodičová laboratoř oznámila, že dosáhla milníku ve vývoji křemíkové fotoniky. V nepříliš vzdálené budoucnosti by to mohlo Číně pomoci překonat stávající americké sankce, které kontrolují export nejpokročilejších technologií na výrobu mikročipů. ČLR by se tak v této oblasti – ve které dnes mají monopol nizozemské stroje a tchajwanská výroba – mohla stát zcela soběstačnou, což je zásadní pro vývoj nejnovější elektroniky, pokročilejších zbraní a umělé inteligence.

JSF Lab byla založena teprve v roce 2021 se státní investicí 8,2 miliard yuanů, v přepočtu 27 miliard Kč.  Sídlí ve městě Wu-chan, což je pro kontext třetí největší vzdělávací centrum v Číně (po Pekingu a Šanghaji) a zároveň hlavní čínské centrum pro studium fotoniky, oboru o praktickém využití fotonů. Místní technologické zóně se dokonce po vzoru amerického Silicon Valley přezdívá „Optic Valley“.

Ilustrační obrázek fotonického mikročipu. Credit: Di Zhu, et al.

O co tedy jde v onom údajném „milníku“? Vůbec poprvé se v Číně podařilo vytvořit tzv. fotonický integrovaný obvod (fotonický mikročip) s InP laserem na 8palcovém křemíkovém waferu. Pokud vám tato slova nic moc neříkají, tak se ve zkratce jedná o novou generaci mikročipů, které už pro práci s informacemi nepoužívají elektrony, nýbrž fotony. Zatímco běžné mikročipy staví na klasických komponentách jako jsou rezistory, kondenzátory a tranzistory, novější fotonické mikročipy navíc používají i různé lasery, modulátory, detektory, reflektory, vlnovody a další optické prvky. Ve vzájemném srovnání mohou být energeticky úspornější, rychlejší a mít větší přenosový výkon (bandwidth), zároveň by mohly být potenciálním řešením blížících se fyzikálních limitů Moorova zákona. Jednou z hlavních překážek je však velmi komplexní proces výroby, který vyžaduje obrovskou přesnost. A něco takového se teď Číňanům zřejmě podařilo. Nejčtenější čínské (státní) noviny Lidový deník to komentovaly jako „zaplnění jednoho z mála prázdných míst optoelektronické technologie“.  Dosud mají v této oblasti náskok Američané a Nizozemci, avšak je zřejmé, že Čína tentokrát nechce v čipových technologiích zůstat pozadu a nebojí se výzkum štědře sponzorovat.

Zdroj: ledinside.com

Mezi zobrazovacími technologiemi používanými v televizích a monitorech dnes často narazíme na obrazovky OLED a QLED. Ačkoli oba názvy vypadají velice podobně, dokonce až zaměnitelně, ve skutečnosti se ale jedná o propastně odlišné technologie. Pojďme se podívat na rozdíly mezi nimi.

Princip QLED

LCD “sendvič” se žlutou vrstvou kvantových teček

Hlavní rozdíl mezi oběma technologiemi spočívá v tom, jak je produkováno světlo a barvy. Začněme u technologie QLED. S tímto obchodním názvem přišel Samsung v roce 2017 a vlastně je tak trochu zavádějící. V jádru se totiž jedná o klasickou technologii tekutých krystalů LCD, která zaplavila svět už v průběhu nultých let. LCD displeje si lze představit jako takový sendvič několika vrstev, které proměňují jednolité bílé LED podsvícení na jednotlivé barevné pixely. Odtud tedy pochází ono „LED“ z názvu QLED.

Zbývající „Q“ potom odkazuje na novou inovativní vrstvu ve zmíněném „sendviči“ – vrstvu Quantum dots. Kvantové tečky jsou mikroskopické molekuly, které po zasažení paprskem světla emitují odlišně zabarvené světlo – červené, zelené nebo modré. Toto světlo následně prochází klasickou LCD vrstvou, která z barev vytvoří konečný obraz. Výhodou této nové vrstvy je rozšíření používaného barevného spektra i výrazné snížení energetické náročnosti.

Princip OLED

Oproti tomu obrazovky OLED už nemají s technologií LCD vůbec nic společného. Zde světlo produkují přímo jednotlivé pixely obrazovky, tvořené zpravidla trojicí velmi malých zdrojů červené, zelené a modré barvy. Světlo zde vytváří tzv. organické LED, tedy specifický typ diod, které k elektroluminiscenci místo anorganických látek (třeba AlGaAs) používají složitější organické molekuly, například Al(C₉H₆NO)₃.

Jelikož OLED displeje nepotřebují podsvícení, dokážou být extrémně tenké. Až do roku 2022 byl jediným výrobcem OLED panelů korejský technologický gigant LG. Aby to ale nebylo až tak jednoduché, Samsung nedávno přišel s novým hybridem QD-OLED, ten teď ale ponechme stranou.

Srovnání kvality QLED a OLED

Šéfredaktor a dlouhodobý recenzent technologického magazínu CNET David Katzmaier přinesl na základě vlastní expertízy vzájemné srovnání obou technologií:

• Všechny OLED TV mají podobně vysokou úroveň celkové obrazové kvality, kdežto u QLED obrazovek se kvalita hodně odvíjí od ceny produktu – zlepšení kvality zde není dáno ani tak nějakými kvantovými tečkami, ale je závislé na celkovém provedení produktu, zejména co se týče podsvícení.
• Z hlediska kontrastu a úrovně černé barvy mají bezkonkurenční výhodu OLED obrazovky, protože dané pixely se jednoduše vypnou. Propracovanější QLED sice dokážou vypnout část podsvícení a dosáhnout tak docela věrohodné černé barvy, přesto to není úplně dokonalé a kolem jasnějších částí obrazu se vytváří „blooming“ efekt.
• Co se týče jasu, zde vedou QLED i klasické LCD obrazovky. To může být výhoda ve velmi prosvětlených místnostech, za běžných podmínek však na tom nijak zvlášť nezáleží.
• V uniformitě a pozorovacím úhlu jsou zase jednoznačně lepší OLED obrazovky, protože vyzařují pixely přímo ze samotných diod blízko povrchu, což podporuje sledování i ve velmi ostrých úhlech. I ty nejlepší LCD a QLED obrazovky trpí v principu tím, že jejich světlo vychází až ze zadní části zařízení a prochází přes celou řadu různých filtrů.
• Rozlišení, barvy, video processing a další podobné parametry jsou u OLED i QLED prakticky stejné. Žádná z technologií v tomto ohledu nemá žádnou závratnou výhodu, snad jen novější hybridní obrazovky QD-OLED by mohly mít lepší barvy.

Z celkového srovnání tak dle Katzmaiera vychází mnohem lépe OLED. Dalo by se pouze namítnout, že mohou více trpět “burn-in” efektem, kdy na obrazovce zůstávají vypáleni „duchové” statických prvků na obrazovce (loga, textové panely atp.). Podle experta to však hrozí jen v případě, že by programy zůstávaly zapnuty denně po několik hodin bez jakéhokoli přepínání.

Zdroje: ledinside.com, cnet.com

Špičkové čipy v současnosti patří mezi obchodně i strategicky nedůležitější produkty na Zemi. Drtivá většina z nich se vyrábí v té vůbec nejhodnotnější asijské technologické společnosti – tchajwanské TSMC. Ta k jejich výrobě používá velice složitou a nákladnou EUV litografii (Extreme UltraViolet), na kterou se pro změnu specializuje nejhodnotnější evropská technologická společnost – nizozemská ASML. V blízké budoucnosti by se však tato situace, která mimochodem vytváří značné geopolitické napětí, mohla razantně proměnit.

Srovnání stávající a nové zjednodušené EUV litografie

Japonští vědci z Okinawského institutu pro vědu a technologii (OIST) vyvinuli novou verzi EUV litografie, která obsahuje méně součástek a je energeticky efektivnější. Zatímco současné stroje od Holanďanů „vypalují“ čipy do křemíkových waferů pomocí složité soustavy šesti zrcadel, nová japonská verze používá trochu jiný optický systém jen se dvěma zrcadly (viz ilustrace). Díky menšímu počtu částí tak budou nové stroje levnější i méně náchylné k poruše. Také si vystačí s desetkrát slabším zdrojem tzv. extrémního ultrafialového záření (20 W oproti stávajícím 200 W), čímž se rovněž snižuje i náročnost na chlazení. Podle vyjádření Okinawského institutu se teď nově až 10 % EUV záření dopadne na samotný wafer, oproti stávajícímu 1 %.

Nové stroje tak ve výsledku budou až desetkrát energeticky efektivnější – ty současné od ASML mají gigantickou spotřebu přes 1 MW, přičemž Tchajwanci jich vlastní desítky a neustále zvyšují kapacity. Pořizovací náklady strojů mají být nejméně o polovinu nižší, údajně nepřesáhnou 100 milionů USD. A jestliže takto rapidně klesne cena strojů i jejich provozu (elektřina, údržba, delší životnost EUV zářičů), pak se to samozřejmě propíše i do ceny špičkových čipů, které nalezneme ve všem možném od smartphonů přes počítače až po balistické střely.

Principy fotolitografie a tiskové litografie (credit: Canon)

OIST již požádal o patent a chystá se na demonstrativní experimenty. V technologickém soupeření však tento institut není zcela sám. Proslulý japonský výrobce foťáků, tiskáren a optiky Canon již loni oznámil vývoj vlastní technologie na výrobu špičkových 5 nm čipů, která bude fungovat na principu nanotiskové litografie (nanoimprint litography).

Ve výsledku se tak může značně oslabit dominantní pozice ASML, což se pak zajisté nějak dotkne i takových technologických gigantů jako je TSMC, Samsung, Intel, AMD a Apple nebo také vývoje umělé inteligence. Pojmy jako „technologický přelom“ a „revoluce“ se sice v posledních letech značně nadužívají, v tomto případě se však zdají být oprávněné.

Zdroje: ledinside.com, oist.jp, datacenterdynamics.com, global.canon

Existuje hned několik metod a technologií na rozpoznávání obličeje, přičemž nyní zaznamenalo značný pokrok termální rozpoznávání založené na infračerveném záření. To především poskytuje výhody tam, kde mají obyčejné kamerové systémy založené na viditelném záření svá omezení. Ty totiž chybují nejen ve zhoršených světelných podmínkách, ale problém jim mnohdy dělají i tmavší odstíny kůže.

Termální rozpoznávání staví na tom, že každý z nás má v obličeji jedinečný „teplotní pattern“, který je utvářen především cévní a tkáňovou strukturou. IR metoda tak může skvěle fungovat na komkoli z nás třeba i v noci. Jednou z takových vlaštovek běžného využití byla například čínská Xiaomi, která takovouto formu biometrické autentizace nainstalovala do svého vlajkového smartphonu.

Většímu rozšíření takovéto technologie však dosud bránily značné technologické nedostatky – degradace obrazu vlivem šumu, rozmazání, kolísání teploty obličeje v různých situacích a také změny výrazu tváře.

S těmito nedostatky se teď údajně vypořádali vědci z Arab Open University a Kuwait Technical College. Ve své studii zveřejněné v International Journal of Information and Communication Technology demonstrovali efektivní využití tzv. konvolučních neurálních sítí (CNN), konkrétně architektury ResNet-50.  S tímto nástrojem dokázali zlepšit IR rozpoznávání obličeje, což úspěšně vyzkoušeli na vzorku 7500 termosnímků.

Zdroj: ledinside.com

Vývoj autonomních vozidel je v plném proudu v Asii, Americe a dokonce i v Evropě. Nejnovějším přírůstkem jsou aktuálně autonomní vozidla od čínské startupové společnosti Zelos, jež uzavřela exkluzivní partnerství s předním výrobcem laserových senzorů LiDAR – Hesai technology.

Nová autonomní vozidla nazvaná jednoduše „2024 Z5“ jsou vybavena čtyřmi jednotkami LiDAR Hesai AT128. Každá z těchto jednotek používá 128 laserových kanálů s dlouhým dosahem, jež dokáže scanovat prostředí s velmi vysokým rozlišením 1,53 milionů bodů za sekundu. Vozidla díky tomu mohou mít dobrý přehled o okolí a překážkách. Hesai technology započala masovou výrobu LiDAR jednotek již v roce 2022. Jen za první čtvrtletí letošního roku dodala do světa přes 300 000 kusů.

Vozidla Z5 mají autonomii 4. úrovně, což znamená, že dokážou činit vlastní informovaná rozhodnutí na základě změn v prostředí. Ve většině situací nepotřebují žádnou lidskou interakci, což je hlavní rozdíl oproti autonomii 3. úrovně. Jejich jediným omezením je legislativa dané země a infrastruktura. Nová vozidla Z5 tak mohou samostatně působit v různých dovážkových scénářích – městská expresní dovážka, maloobchod, logistická centra atp.

Zdroj: ledinside.com

Představte si, že jedete autem po dálnici a na vašem čelním skle se v reálném čase promítá navigace, rychlost, vzdálenost od ostatních aut, informace o dopravním provozu a k tomu třeba ještě aktuální počasí. Ačkoli to byl ještě donedávna spíše sci-fi koncept, v současnosti už si hned několik technologických firem pohrává s myšlenkou, že by automobilová skla doplnila tzv. rozšířená realita (AR).

Americká startupová společnost Distance Technologies představila na kalifornském veletrhu Augmented World Expo prototyp právě takového zařízení AR. Na první pohled vypadá jednoduše, jedná se o větší LCD panel, který se odráží na čelní skle s reflexivní vrstvou. To je princip, s který už nyní testují i automobilky jako Volvo a Mercedes-Benz. Nicméně ty pracují pouze s malou plochou projekcí ve spodní části skla.

Prototyp od Distance Tech zřejmě pokročil o něco dál a promítá prostorový obraz. Využívá k tomu technologii, kterou již známe ze speciálních 3D monitorů, jež se obejdou bez speciálních brýlí. Staví na tzv. paralaxové bariéře, kdy pro pro každé oko zobrazuje mírně odlišné obrazy. To ještě doplňují trackovací kamery namířené na směr řidičova pohledu, aby mohly promítaný dvojitý obraz náležitě upravovat.

Ačkoli příchod takovéto technologie pochopitelně vyvolává obavy o silniční bezpečnost (informační přehlcenost a rozptýlení řidiče), momentálně jsou AR displeje do aut považovány za sektor se spíše slibnou budoucností. Někteří vývojáři dokonce argumentují, že přenesení navigace a jiných informací z různých malých displejů přímo na čelní sklo by naopak mohlo být krokem k lepší bezpečnosti.

Zdroj: ledinside.com

Jednou z hlavních nevýhod stávajících LCD displejů je jejich nižší jas a špatná viditelnost za slunečného dne. V tomto ohledu jsou lepší modernější OLED a MicroLED displeje. Nicméně američtí a tchajwanští vědci ze dvou spřátelených univerzit navrhli nové technické řešení, díky kterému by LCD displeje mohly z hlediska jasu zastínit ostatní technologie.

Pozastavme se na chvíli u toho, co je motivací pro vylepšování dékady staré technologie navzdory výskytu zajímavějších novinek. Tandemové OLED displeje mohou skutečně nabídnout velmi vysoký jas a perfektní zobrazení barev, na druhou cenu však mají nižší životnost a problém s tzv. vypalováním obrazu. MicroLED displeje tyto problémy sice překonávají, avšak na druhou stran jsou vysoce náročné na výrobu a tedy i velmi nákladné.

Nové řešení LCD displejů spočívá v tom, že se jako podsvícení použily MiniLED (velikost zhruba 100~200 µm, rozměrově tedy mezi MicroLED a běžnými LED). Ty navíc podsvěcují displej na základě dynamického tónového mapování (dynamic tone mapping), díky kterému lze například zvlášť zvýraznit detaily v oblastech s nízkou úrovní šedi, jako je třeba sníh pokrývající hory.

Podle výzkumníků z University of Central Florida a National Cheng-Kung University by díky tomu mohly tyto nové LCD displeje svým jasem a čitelností překonat konkurenční technologie – avšak s tím, že se zachová jejich nižší cena, dobrá odolnost a dlouhá životnost. Prototyp je však zatím ještě ve fázi testování a optimalizace, aby se předešlo problémům s posunem barev a ořezovým efektem (clipping effect).

Zdroj: ledinside.com

Čím dál častěji se dnes zavádějí digitální systémy, které potřebují vnímat prostor ve všech třech dimenzích – například v oblasti autonomních vozidel, rozpoznávání obličejů nebo ovládání za pomocí gest. V tomto článku se podíváme na základní metody strojového vnímání hloubky a jak zásadní roli v tom hrají diody.

Obecně existují dva základní přístupy, jak stroje dokáží vnímat hloubku: triangulace a tzv. ToF – Time of Flight (volně přeložitelné jako výpočet délky „letu“ paprsku světla“).

Triangulace je založená na v principu jednoduché geometrii a v podstatě sem spadá i lidské vidění, kdy náš mozek porovnává dva mírně odlišné úhly vidění pro „vypočtení“ trojrozměrného obrazu. Binokulární vidění je nicméně nedokonalé při horších světelných podmínkách a vyžaduje výrazně texturované povrchy, proto se v technice obtížně zavádí.

Místo toho se používá poněkud odlišná triangulační metoda vnímání hloubky, kdy jeden světelný projektor promítne na daný objekt strukturovaný pattern (např. mřížky, linky nebo tečky), který pak z mírně odlišného úhlu nasnímá sensor, jenž vypočte vzniklé zkreslení. Výhodou metody je velmi vysoké rozlišení výsledného 3D obrazu, dobře však funguje jen na krátké vzdálenosti, tedy například pro účely rozpoznávání obličeje nebo gest.

Druhá metoda ToF používá zcela jiný princip. Zdroj světla, většinou laserová dioda, vyšle krátký puls světla, který se odrazí od snímaného objektu zpět do senzoru. Počítač pak na základě časové prodlevy vypočte vzdálenost daného bodu, přičemž takovéto systémy zvládají zaznamenávat řádově až miliony bodů za sekundu. Zde je hlavní předností rychlé naskenování okolí i do větších vzdáleností. Na tomto principu staví primárně senzory LiDAR.

V obou metodách je pochopitelně kladen vysoký požadavek na kvalitní světlo. Triangulační metody vyžadují především koherentní a stabilní zdroj světla, protože jakékoli odchylky by vedly k nepřesným výpočtům hloubky. U ToF je zase nezbytná preciznost ve vysílání pulzů světla, protože vzhledem k rychlosti světla zde záleží na každé mikrosekundě.

Ačkoli se k těmto účelům dříve používaly běžné světelné diody (LED), zejména kvůli lepší dostupnosti a nižší ceně. Dnes už se v obou metodách výhradně používají laserové diody (LD), které se mezitím staly značně dostupnějšími. Laserové diody poskytují vyšší jas, rychlejší modulaci a lepší energetickou efektivitu, což umožňuje jejich použití i v zařízeních napájených baterií.

Zdroj: ledinside.com

Při výběru displeje – ať už do domácnosti, společnosti nebo veřejného prostoru – hraje významnou roli jejich spotřeba energie. U displejů se pro účely srovnávání používá jednotka Watt na metr čtvereční (W/m²). Podívejme se, jak si v tomto parametru vedou dvě v současnosti nejpoužívanější displejové technologie.

U čím dál populárnějších LED displejů je každý jeden pixel (respektive subpixel) tvořen samostatnou světelnou diodou, jež vyzařuje světlo. Díky tomu mohou mít displeje vysoký jas, takže je lze dobře využít i ve venkovních aplikacích, například v reklamě nebo na stadionech.

Spotřeba konkrétního displeje se bude výrazně lišit dle rozlišení, zvolené úrovně jasu, zobrazovaném obsahu (více pohybu a světlých bodů = více spotřeby) a rozteče pixelů (čím jsou rozestupy mezi jednotlivými LED čipy kratší, tím více se jich vleze na danou plochu, a tedy roste i spotřeba energie). Obecně se spotřeba LED displejů pohybuje někde mezi hodnotami 100 až 1000 W/m². Typická venkovní reklama mívá kolem 300-400 W/m², zatímco vnitřní displeje s vysokým rozlišením mohou mít kolem 200-300 W/m².

LCD displeje vedle toho využívají technologii tekutých krystalů, které samy nevyzařují světlo, pouze jej modulují. Proto musí mít podsvícení – kdysi se používala speciální zářivková trubice CCFL, dneska už se používají bílé LED čipy.

Zde se spotřeba energie odvíjí primárně od toho, jak je proveden podsvícení a vrstva tekutých krystalů, nicméně i zde má značný vliv nastavení jasu a typ zobrazovaného obsah. Přesto je spotřeba těchto displejů obecně nižší. Větší displeje spotřebovávají 100-150 W/m², zatímco obyčejné domácí monitory mohou mít spotřebu i jen 20-30 W/m².

Na první pohled tedy mají značně nižší spotřebu LCD displeje, avšak je třeba se na to dívat z širší perspektivy. LED displeje totiž mají v mnoha ohledech mnohem lepší zobrazovací parametry, díky kterým je lze využívat i tam, kde LCD displeje selhávají.

LED displeje tedy sice mívají vyšší spotřebu (s ohledem na vyšší zobrazovací nároky), zato však jsou energicky efektivnější, jelikož dokáží lépe „hospodařit“ se světlem. Zaprvé vyzařují barevné světlo přímo ze samotných pixelů a nedochází tak k jeho ztrátám přes vrstvu tekutých krystalů a tranzistorů. A zadruhé při zobrazování černých ploch se mohou jednotlivé pixely jednoduše vypnout, kdežto u LCD displejů musí podsvícení svítit stále stejnou intenzitou po celou dobu. Pokud by se teoreticky měly LCD displeje svými zobrazovacími vlastnostmi vyrovnat LED displejům, pak by na tom zřejmě se spotřebou byly už o něco hůř.

Zdroje: ledinside.com, britannica.com, researchgate.net