FotonMag

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

Kalifornská startupová společnost Q-Pixel vyvinula malý displej určený pro virtuální realitu (VR) o velikosti zhruba 11 x 6 mm a rozlišením 3K x 1,5K, který dosahuje 6800 PPI (pixelů na palec). To je až dvojnásobek oproti nejlepším stávajícím displejům, například nový špičkový Apple Vision Pro má zhruba 3380 PPI.

Na rozdíl od většiny pokročilejších VR displejů, které zpravidla využívají organické světelné diody (OLED), se tentokrát jedná technologii micro-LED, která navzdory usilovnému vývoji stále ještě nedosahuje komerčního úspěchu. Hlavní překážkou takovýchto displejů je momentálně náročnost montáže, kontroly a případně i opravy obrovského množství RGB microLED subpixelů, což je komplikovaný, pracný a drahý proces. Použití jednotlivých světelných diod jakožto subpixelů navíc zabírá dost místa, což představuje další překážku při tvorbě displejů s vysokým rozlišením.

Jedno z možných řešení těchto problémů s výrobou i rozlišením je nahradit trojici RGB subpixelů jediným pixelem. Právě tímto směrem se vydali vývojáři v Q-pixelu. Bližší technické podrobnosti zatím nejsou známy, avšak dle vyjádření technologické ředitelky společnosti Dr. Michelle Chen byly použity tzv. TP-LED pixely (tunable polychromatic LED). Jeden takový pixel má být schopen vyzařovat jakoukoli barvu napříč světelným spektrem, a to bez použití subpixelů, kvantových teček (tj. technologie používaná u pokročilejších LCD displejů), barevných filtrů, polarizátorů či mechanického vrstvení. Změny barvy se dosahuje změnou voltáže.

Ačkoli se možná jedná o trochu unáhlený názor, Q-Pixel je nyní spatřován za průkopníka v oblasti microLED displejů, který zásadně přispěje k jejich rozšíření. Více o jejich technologii a prototypu displeje se lze dočíst v aktuálním čísle magazínu Compound Semiconductors.

Zdroje: ledinside.com, compoundsemiconductor.net

Jednou z oblastí výzkumu, do které NASA investovala nemalé částky, je osvětlení. Na jedné straně kvůli kvalitě života astronautů, kteří na ISS tráví 6 i více měsíců v kuse, na druhé straně i kvůli pěstování rostlin v kosmických podmínkách, které bude do budoucna potřebné pro hlubší průzkum vesmíru. A byly to právě poznatky získané z těchto výzkumů, které se velkou měrou podílely i na vývoji osvětlení do našich pozemských domácností a skleníků.

V letech 1997 až 2017 NASA financovala National Space Biomedical Research Institute (NSBRI), který založili dva profesoři z Harvardovy a Jeffersonovy univerzity. Institut obecně zkoumal to, jak dlouhodobý pobyt ve vesmíru působí na člověka. Jednou z oblastí zájmu byly i zdroje osvětlení a jejich vliv na mozkovou aktivitu. Mimo jiné zde zjistili, že působení modré složky světla v nevhodný čas dokáže rozhodit biologický rytmus lidí, což vede k nedostatku odpočinku a únavě. Když se pak například v roce 2011 řešilo, čím na ISS nahradit stávající fluorescenční zářivky, výsledky výzkumu vedly k inovativnímu využití vhodných LED technologií, jež v průběhu dne zohledňují tzv. cirkadiánní rytmus astronautů.

Někteří z vědců, kteří původně pracovali na vytvoření LED modulů pro vesmírnou stanici, následně odešli do společnosti Lighting Science, kde získané poznatky využili komerčně. Tato společnost pak v roce 2018 dala vzniknout dalším firmám, které se věnovaly vývoji a výrobě cirkadiánního LED osvětlení pro kanceláře a domácnosti, např. Healthe. Dnes si může takovou cirkadiánní žárovku s proměnlivým jasem a barevnou teplotou snadno pořídit každý z nás.

Obdobný scénář nastal i v oblasti vnitřního pěstování rostlin, kde profesní zkušenosti z NASA nalezly uplatnění například ve společnosti VividGro, jež se zaměřuje právě na industriální pěstování.

Zdroj: ledinside.com

NASA už několik let používá LED osvětlení pro pokusy s pěstováním rostlin ve vesmíru, a to ve speciálním modulu na Mezinárodní vesmírné stanici. Nyní se chce o něco podobného pokusit na Měsíci.

Lidé naposledy stanuli na povrchu Měsíce v roce 1972, ale nejspíš už jste mohli zaslechnout, že let lidí na Měsíc je opět ve hře v rámci mise Artemis III. Podle momentálních informací k tomu dojde nejdříve v roce 2026. Až se tak ale stane, pak bude jedním z úkolů astronautů složit na Měsíci hortikulturní jednotku zvanou LEAF (Lunar Effects on Abricultural Flora), a to spolu s dalšími jednotkami pro měření seismické aktivity a dielektrických charakteristik.

LEAF bude zkoumat fotosyntézu, růst a systémové stresové reakce rostlin v podmínkách kosmického záření a nižší gravitace. Získaná data pak napomohou v porozumění možnostem pěstování plodin mimo Zemi. Kromě samotného růstu se projekt bude zajímat také o pohlcování CO₂, poskytování kyslíku rostlinami a čištění vody v podmínkách na Měsíci.

V plánu je pěstovat tři rostliny: brukev řepák (listová zelenina s olejnatými semeny), huseníček rolní (významná modelová rostlina pro vědecké experimenty, potenciálně i jedlá) a drobničku (vodní rostlina konzumovaná v některých asijských zemích).

Zdroje: ledsmagazine.com, nasa.gov

Japonská společnost DOWA ELECTRONICS MATERIALS CO., LTD. vyvinula vysoce výkonnou sérii LED čipů vyzařující krátkovlnné infračervené záření (short-wavelenght-infrared, zkráceně SWIR). V oblasti vrcholu vlnové délky v rozmezí 1200 až 1900 nanometrů se údajně jedná o nejefektivnější produkt.

Série zahrnuje LED čipy s různými vrcholy vlnové délky a ve třech velikostech – 250 µm, 350 µm a 1 mm. Jeden milimetrový čip s vlnovou délkou 1350 nm například dokáže dosáhnout výstupního výkonu 170mW, což má být až dvakrát více než u dosavadních výrobků na trhu. Takovéto velké zvýšení může zlepšit přesnost analýzy a testování v rozličných aplikacích a snížit spotřebu energie.

Mezi hlavní využití tohoto druhu LED patří především agrikulturní/potravinová analýza (např. kontrola kvality ovoce) a medicínské využití. Obzvláště v oné druhé oblasti se do budoucna očekává významný rozvoj technologií, senzory na této vlnové délce dokážou pod kůží zaznamenat vodu, alkohol, glukózu, kyselinu mléčnou atp. Mohou tak mimo jiné nalézt vyžití v nositelných zařízeních, jako jsou chytré hodinky nebo chytré prsteny, kde je velikost a výkon zásadním parametrem.

Zdroj: led-professional.com

Rakouská společnost ams OSRAM přišla na trh s novým LED čipem SFH 7018, který kombinuje červenou, infračervenou a zelenou diodu v jednom těle. Jedná se o zdroje specifických frekvencí pro měření tělesných funkcí v chytrých hodinkách a náramcích, zkrátka v tom, čemu se v angličtině jednotně říká „wearables“. Jedná se o medicínskou technologii, která je známá pod názvem fotopletysmografie (PPG).

Jak lze vidět na ilustracích, tři zdroje záření jsou rozděleny do dvou oddělených komor aby se odlišné vlnové délky navzájem neovlivňovaly. Samostatná zelená LED slouží pro měření tepové frekvence, zatímco červená LED a infračervená LED zjišťují nasycení krve kyslíkem.

Co do technických parametrů má mít nový čip až o 40 % vyšší intenzitu červeného a IR záření oproti předchozí generaci čipů, zeleného záření o 80 %. Čip se vyrábí ve dvou variantách, přičemž ta druhá se liší ještě výkonnější zelenou LED. A to při zachování poměrně kompaktních rozměrů 2,4 x 2,4 x 0,6 mm. Zřejmě se tak jedná o momentálně nejlepší produkt tohoto druhu na světě.

Avšak co všechna ta pěkná čísla vlastně reálně znamenají pro praxi? Systémový architekt ams OSRAM Dr. Sergey Kudaev k tomu řekl: „Výrobci nositelných zařízení budou moci s novým čipem SFH 7018 dramaticky zlepšit kvalitu optických signálů, na kterých je založeno měření frekvence tepu a kyslíku v krvi, činíce je přesnějšími a spolehlivějšími za věch provozních podmínek. SFH 7018 může pomoci přeměnit měření vitálních funkcí v přesné a absolutní stanovení srdeční frekvence, hladiny kyslíku v krvi, i ještě pokročilejších parametrů, jako je krevní tlak.“

Zdroje: ams-osram.com, ledinside.com

Už je tomu zhruba 10 let, co se ve větší míře dozvídáme rozličné zprávy o vývoji „chytrých brýlí“ s rozšířenou realitou (Augmented Reality – AR). Některé technologické společnosti na tomto poli byly úspěšnější, jiné naopak své projekty navzdory velkému očekávání a ještě větším investicím zrušily. I po mnoha letech se však lze v tomto odvětví setkat s poměrně překvapivými novinkami, jako je tomu u rakouské společnosti TriLite, která vyvinula světově nejmenší AR systém s využitím laserových diod (LD).

Nejdříve ale trochu kontextu: Většina vývojářů AR brýlí k problematice přistupuje tak, že vezme nějaký skutečně miniaturní microLED displej, který se speciální optikou promítá na skla brýlí. Různí výrobci se pak předhání v tom, kdo přijde s ještě miniaturnějším displejem, ještě lepším rozlišením, a ještě nižší hmotností. Naposledy jsme tu například psali microLED displeji s úhlopříčkou 5,6 mm a rekordní roztečí obrazových bodů 5 µm.

TriLite se svým novým laserovým modulem zvaným Trixel®3 na to jde zcela jinak. Základem jsou tři laserové diody dle barevného modelu RGB, které dodává přední rakouský výrobce LED a LD ams OSRAM. Ten ostatně již dříve avizoval jejich výrobu. Tři laserové paprsky prochází mikročočkami a následně už přímo směřují na speciální zrcadlo MEMS (micro-electro-mechanical system). Prakticky jde o mikrozrcadlo, které se na základě elektronického vstupu naklání ve dvou osách. Tímto způsobem velmi rychle odráží tři barevné paprsky na projekční plochu (skla brýlí) a vykresluje na ni jednotlivé pixely, které tvoří celkový obraz.

Z hlediska principu to připomíná dnes již historické vakuové CRT obrazovky z 20. století, tentokrát však s lasery namísto elektronového děla, a také s chytrým algoritmem, který jednotlivé pixely prokresluje v mnohem komplexnější trajektorii, nikoliv po řádcích (viz srovnávací graf).

Dle vyjádření a prezentačních materiálů společnosti TriLite má být tento laserový modul snad ve všech technických ohledech efektivnější řešení než microLED technologie, jak prezentuje na přiložené tabulce a grafice – zejména je menší, lehčí, energeticky úspornější a má lepší zobrazovací parametry. A jako by toho nebylo málo, má být i značně levnější. Jak se to nakonec propíše do praxe a jací výrobci chytrých brýlí projeví o modul Trixel®3 zájem teprve uvidíme.

Zdroje: ledsmagazine.com, trilite-tech.com

Německá společnost trinamiX, jež se zaměřuje na vývoj v oblasti spektroskopie a biometriky, v současnosti pracuje na speciálním spektroskopickém modulu, který by se vešel do mobilu. Díky němu by uživatelé mohli snadno kontrolovat některé své zdravotní indikátory (biomarkery).

Spektroskopie jako taková je poměrně široký fyzikální obor, který nalezl zajímavé využití i v biomedicíně. Díky spektroskopii mohou lékaři například monitorovat koncentraci hemoglobinu v krvi, rychle odhalit krvácení do mozku, nebo třeba zjišťovat určitá data o svalech nebo nádorech. Do jisté míry se jedná o neinvazivní náhradu za laboratorní rozbory krve nebo dokonce funkční magnetickou rezonanci (fMRI), ačkoli tyto diagnostické metody nedokáže zcela nahradit. A právě tuto technologii se trinamiX snaží maximálně zmenšit a poskytnout laické veřejnosti.

Pro spolupráci si trinamiX vybral předního výrobce světelných diod LUMILEDS, který poskytuje svou expertízu i vhodné infračervené LED vyzařující tzv. blízké infračervené záření (tzn. blízko viditelného spektra v rozmezí vlnové délky 0,76–1,4 µm). Americká společnost VIAVI, zaměřená mimo jiné na optické inovace, zase dodává vysoce citlivé infračervené detektory, jež snímají záření odražené od těla. Posbíraná data pak zpracovává vysoce výkonný telefonní čipset Qualcom Snapdragon 8 Gen 3, který jako první svého druhu dokáže podporovat generativní umělou inteligenci.

V některých oblastech zdraví by mohla tzv. spotřebitelská spektroskopie nahradit poměrně zdlouhavý proces odběru krve a laboratorního rozboru. Zatím není přesně známo, co všechno bude zařízení „umět“, v tiskových zprávách se prozatím mluví zejména o indikaci hydratace, zdraví pokožky, svalového výkonu a prediabetu.

Zdroje: ledinside.com, lumileds.com, trinamixsensing.com

Výzkumníci za japonské Ósacké univerzity pod vedením vědce Hiroty Hondy vytvořili zařízení, které generuje takzvané hluboké ultrafialové záření (deep-UV, DUV) s velmi úzkým rozpětím vlnové délky, jež dokáže zabíjet patogeny v prostředí a zároveň je neškodné pro lidi. Použili při tom proces zvaný druhé harmonické generování (second harmonic generation, SHG), které se opírá o fyzikální princip, že frekvence fotonu je úměrná jeho energii.

Za použití speciálně navrženého vlnovodu, který může ovládat orientaci krystalu nitridu hliníku, vědci dokázali spojit dva fotony s poloviční energií do jednoho fotonu s dvojnásobnou energií, a tedy i dvojnásobnou frekvencí. Tímto způsobem mohli vytvořit zmiňované DUV záření bezpečné pro člověka s velmi úzkým rozpětím vlnové délky.

Dle výzkumníku může nový objev vydláždit cestu pro kompaktní a efektivní DUV dezinfekční nástroje, které by šlo použít i s ohledem na bezpečnost vůči lidem. Jak už jsme totiž psali dříve, běžné dezinfekční UV záření může mít závažné důsledky pro zdraví kůže. Nová metoda japonských vědců se navíc může stát levnou a efektivnější alternativou ke stávajícím zdrojům DUV, jako jsou excimerové lampy a LED, které mívají nízkou efektivitu nebo krátkou životnost.

Zdroje: ledinside.com, iopscience.iop.org, interestingengineering.com