光技術(shù)的十個(gè)發(fā)展趨勢(shì)將在未來(lái)發(fā)揮大作用

光技術(shù)是當(dāng)今世界的核心，使最復(fù)雜的過(guò)程和程序得以實(shí)現(xiàn)。光技術(shù)發(fā)展的十大趨勢(shì)，雖然每一個(gè)都是許多微小的、漸進(jìn)的進(jìn)步的結(jié)果，但在不久的將來(lái)提供更多的機(jī)會(huì)。

2019年位列榜首的十大趨勢(shì)：

腦成像

添加劑制造或3D打印

量子技術(shù)

增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)

偏振相機(jī)

激光雷達(dá)探測(cè)

照明控制

深度學(xué)習(xí)

微型光譜儀

智能工廠

1. 腦成像

隨著全息技術(shù)、三維成像技術(shù)、光子計(jì)數(shù)技術(shù)、光纖傳感技術(shù)和可植入MRI成像技術(shù)的發(fā)展，腦成像領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。僅3D成像市場(chǎng)就有望在未來(lái)三年內(nèi)增長(zhǎng)近25%，大腦研究是其眾多應(yīng)用之一。以色列特拉維夫大學(xué)(Tel Aviv University)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種光子計(jì)數(shù)解決方案，提高了活體大腦中神經(jīng)元活動(dòng)的二維和三維快速成像質(zhì)量，試圖揭示神經(jīng)元和血管之間界面的內(nèi)部工作機(jī)制。

全息術(shù)是大腦研究的另一個(gè)機(jī)會(huì)領(lǐng)域。加州大學(xué)伯克利分校的神經(jīng)學(xué)家正在使用全息激光激活大腦中的神經(jīng)元，模擬大腦實(shí)際反應(yīng)的模式和節(jié)奏。Hillel Adesnik美國(guó)伯克利實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員Alan Mardinly表示，“這是開(kāi)發(fā)一種可以成為具有額外感官或增強(qiáng)感官的虛擬腦植入技術(shù)的漫長(zhǎng)道路的第一步?！?/p>

在亞利桑那大學(xué)（美國(guó)），研究人員開(kāi)發(fā)出了光纖傳感器，可以替代用于繪制大腦活動(dòng)的磁共振成像（MRI）系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)便攜、成本低、能夠在室溫和無(wú)屏蔽環(huán)境中運(yùn)行，因此可以無(wú)論是在運(yùn)動(dòng)中診斷腦震蕩還是在爆炸引起腦損傷的沖突區(qū)域，使用不受環(huán)境因素影響。

在其他工作中，麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種微型傳感器，可以植入大腦，與體外的MIR掃描儀相互作用。該設(shè)備不需要電源或有線連接到大腦，它可以檢測(cè)大腦中的微小電流和發(fā)光蛋白產(chǎn)生的光信號(hào)。

2. 添加劑制造或3D打印

一項(xiàng)新興的技術(shù)是添加劑制造或3D打印，預(yù)計(jì)到2023年，其年增長(zhǎng)率將超過(guò)26%。從汽車工業(yè)的金屬零件制造到定制光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和制造，再到人造四肢、血管和心臟瓣膜的制造，3D打印的應(yīng)用無(wú)所不在。

在激光增材制造中，激光起著重要作用，因?yàn)樗鼈儗⒋罅磕芰烤劢乖诟鞣N材料粉末上，將它們?nèi)诤铣?D部件。激光器逐層熔化材料，直到部件完成。

激光粉末床融合（LPBF），也稱為選擇性激光熔化（SLM），是德國(guó)亞琛弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所ILT AutoAdd項(xiàng)目的重點(diǎn)工藝。 AutoAdd項(xiàng)目旨在通過(guò)在汽車大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中集成LPF工藝鏈，降低單位成本，使汽車行業(yè)更容易使用增材制造。

在醫(yī)療領(lǐng)域，增材制造被用于多種類型的植入物 – 從面部到整形外科到牙科等等。到2025年，3D打印醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)的項(xiàng)目將近100億美元。英國(guó)的研究人員使用了添加劑制造以發(fā)現(xiàn)我們的骨骼是如何生長(zhǎng)的。在模仿真實(shí)骨骼生長(zhǎng)的過(guò)程中，他們不僅學(xué)會(huì)了骨骼的生長(zhǎng)方式，而且還了解了骨骼抵抗沖擊和彎曲的原因，這可能會(huì)導(dǎo)致更自然的植入物這可能會(huì)取代目前使用的金屬和塑料植入物。這項(xiàng)研究也可能有助于了解骨質(zhì)疏松癥和骨質(zhì)惡化。

3. 量子技術(shù)

數(shù)字技術(shù)改變了計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、安全、醫(yī)藥等。現(xiàn)在我們超越數(shù)字技術(shù)并轉(zhuǎn)向量子技術(shù)。量子力學(xué)描述了宇宙中最小的物質(zhì) – 質(zhì)子、中子、電子等亞原子粒子。大量的資金用于開(kāi)發(fā)量子技術(shù)并將技術(shù)帶入商業(yè)化的項(xiàng)目。例如，在歐洲，量子旗艦計(jì)劃是一項(xiàng)投資10億歐元，為期10年的計(jì)劃，將涉及5000多名歐洲研究人員.UNIQORN是屬于量子旗艦的眾多項(xiàng)目之一，它將專注于量子通信系統(tǒng)。其使命是提供通過(guò)將復(fù)雜系統(tǒng)放入毫米級(jí)芯片中，使光子技術(shù)能夠適應(yīng)量子通信。

而另一個(gè)歐洲組織正聯(lián)手開(kāi)發(fā)人工智能和量子計(jì)算。 Imec，CEA-Leta簽署協(xié)議，專注于開(kāi)發(fā)、測(cè)試和試驗(yàn)神經(jīng)形態(tài)和量子計(jì)算，旨在提供一個(gè)數(shù)字硬件計(jì)算工具箱，可供歐洲行業(yè)合作伙伴用于各種應(yīng)用的創(chuàng)新，從個(gè)性化醫(yī)療和智能移動(dòng)到新的制造業(yè)和智能能源領(lǐng)域。

當(dāng)許多研究小組正在組建時(shí)，澳大利亞、意大利和瑞士的一組科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種光子芯片，這可能是第一次證明量子信息可以通過(guò)芯片上的拓?fù)潆娐愤M(jìn)行遠(yuǎn)距離編碼、處理和傳輸。

4. 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)

隨著數(shù)字技術(shù)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠郑覀儗⒃絹?lái)越多地接觸虛擬、增強(qiáng)甚至混合現(xiàn)實(shí)。它們是什么，它們有何不同？虛擬現(xiàn)實(shí)讓用戶沉浸在另一個(gè)世界中。佩戴頭部或頭戴式顯示器，將用戶置于虛擬環(huán)境中，例如視頻游戲或醫(yī)療保健環(huán)境中。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)將圖像疊加在真實(shí)世界的視圖上。

顧名思義，混合現(xiàn)實(shí)將虛擬與現(xiàn)實(shí)世界混合在一起，允許用戶與軟件生成的圖像進(jìn)行交互。VRHealth為醫(yī)院，康復(fù)中心和醫(yī)生辦公室提供虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案。 VR應(yīng)用程序可用于疼痛管理，康復(fù)鍛煉，ADHD兒童的治療等。

VOSTARS（視頻光學(xué)透視增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)手術(shù)系統(tǒng)）項(xiàng)目正在開(kāi)發(fā)一種外科醫(yī)生使用的醫(yī)用遮陽(yáng)板。通過(guò)將患者的X射線與他們的身體一致地疊加在3D上，外科醫(yī)生在手術(shù)期間不必將視線移開(kāi)。遮陽(yáng)板還提供了患者的麻醉數(shù)據(jù)，心率，體溫和其他生命體征。該項(xiàng)目預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的提高以及手術(shù)室的時(shí)間縮短。

隨著AR / VR / MR應(yīng)用程序的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)無(wú)限。平視顯示器是新應(yīng)用程序不可或缺的一部分，因此，到2024年，平視顯示器市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò)70億美元，在此期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率超過(guò)19％。

5. 偏振相機(jī)

根據(jù)高級(jí)編輯DaveWilson的說(shuō)法，今天我們看到相機(jī)前端的高度專業(yè)化。 “大型CMOS成像器的重要性日子已經(jīng)一去不復(fù)返了?！苯裉?，它完全取決于成像儀或相機(jī)的功能，因此出現(xiàn)了高度專業(yè)化的成像儀，可用于飛行時(shí)成像相機(jī)和偏振相機(jī)。

偏振是將非偏振光轉(zhuǎn)換為偏振光的過(guò)程，這意味著它需要一個(gè)在多個(gè)平面內(nèi)振動(dòng)的光波，并將其轉(zhuǎn)換為光波，振動(dòng)發(fā)生在一個(gè)平面內(nèi)。偏振相機(jī)

以昆蟲(chóng)的方式獲取圖像。昆蟲(chóng)和其他生物，如螳螂蝦的視覺(jué)系統(tǒng)，能夠用高動(dòng)態(tài)范圍的光敏細(xì)胞感知極化信息。

偏振相機(jī)在工業(yè)檢測(cè)中非常有用，其中可能存在低對(duì)比度或高反射。偏振相機(jī)可以過(guò)濾從不同材料表面反射的光的偏振角。

隨著索尼全球快門iMX250MZR CMOS傳感器的出現(xiàn)，索尼向前邁進(jìn)了一步，該傳感器為相機(jī)制造商提供了現(xiàn)成的解決方案，而不是必須在相機(jī)的傳感器上方安裝旋轉(zhuǎn)機(jī)械偏振濾光輪。

6. 激光雷達(dá)探測(cè)

根據(jù)ResearchandMarkets最近的一份報(bào)告，全球汽車激光雷達(dá)市場(chǎng)預(yù)計(jì)在未來(lái)十年將以29.6％的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。自動(dòng)駕駛汽車和先進(jìn)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）的增長(zhǎng)推動(dòng)了市場(chǎng)，特別是考慮到無(wú)人駕駛車輛的安全事故數(shù)量不斷增加。

激光雷達(dá)代表光探測(cè)和測(cè)距，用于代替相機(jī)，雷達(dá)和超聲波傳感器，或者用于相機(jī)，雷達(dá)和超聲波傳感器。

這個(gè)市場(chǎng)的機(jī)會(huì)似乎無(wú)窮無(wú)盡。眾所周知的光學(xué)公司，如Jenoptik，正在提供一系列先進(jìn)的激光雷達(dá)系統(tǒng)的光學(xué)元件。 Hamamatsu正在提供一種四通道脈沖激光二極管，可用于車載激光雷達(dá)模塊的光源，可以更精確地測(cè)量遠(yuǎn)距離物體。 Laser Components是激光和光電元件的供應(yīng)商，正在與弗勞恩霍夫微電子電路與系統(tǒng)研究所合作開(kāi)展激光雷達(dá)開(kāi)發(fā)。 Excelitas提供表面貼裝器件脈沖激光二極管陣列作為下一代激光雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。AccuCoat等涂料公司正在解決激光雷達(dá)系統(tǒng)中獨(dú)特的光學(xué)涂層需求。

7. 照明控制

在今天的燈光中，一切都與控制有關(guān)。固態(tài)照明的特性可以控制光強(qiáng)度，色溫，色調(diào)，功耗等。照明控制可以內(nèi)置在LED驅(qū)動(dòng)器中，也可以由計(jì)算機(jī)處理或在互聯(lián)網(wǎng)云中處理。

照明控制的應(yīng)用范圍從建筑物中的智能照明到工業(yè)機(jī)器視覺(jué)到室內(nèi)農(nóng)業(yè)。在機(jī)器視覺(jué)中，一致的光照水平是至關(guān)重要的，因?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)必須非常精確地監(jiān)控、檢查、分析和分類。使用OLED控制器的室內(nèi)農(nóng)業(yè)應(yīng)用在“OLED中描述可以將垂直農(nóng)場(chǎng)效率提高20％”。

Cortet是智能建筑物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術(shù)的專家，他開(kāi)發(fā)了Cortet照明控制解決方案，可以通過(guò)移動(dòng)應(yīng)用程序進(jìn)行控制。GardaSoft提供了一系列用于高速計(jì)算成像的照明控制器，它可以驅(qū)動(dòng)照明，允許機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中的快速圖像序列，通過(guò)智能相機(jī)獲取不同的照明角度。

8. 深度學(xué)習(xí)

高級(jí)編輯戴夫·威爾遜說(shuō)：“我們所擁有的是軟件業(yè)的一場(chǎng)革命，許多制造商和公司都在研究機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)。”這兩者之間有區(qū)別，機(jī)器學(xué)習(xí)軟件系統(tǒng)使用支持向量機(jī)（SVMS）或隨機(jī)森林算法，深度學(xué)習(xí)使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）——一類非常適合分析視覺(jué)圖像的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。威爾遜說(shuō)，在他看來(lái)，深度學(xué)習(xí)（CNN）系統(tǒng)將很快變得非常重要。

根據(jù)MathWorks開(kāi)發(fā)經(jīng)理Girish Venkataramani的說(shuō)法，深度學(xué)習(xí)是使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。在視覺(jué)系統(tǒng)中，將教授深度學(xué)習(xí)軟件執(zhí)行非常具體的功能，識(shí)別復(fù)雜的特征，并相應(yīng)地對(duì)圖像進(jìn)行分類。我們看到主要制造業(yè)正朝著深度學(xué)習(xí)方向發(fā)展。 Hyundai CRADLE，現(xiàn)代汽車公司的企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)投資和開(kāi)放式創(chuàng)新業(yè)務(wù)，最近投資了allegro.ai，這是一家專門從事深度學(xué)習(xí)的技術(shù)公司。 Matrox Imaging最近宣布其著名的基于流程圖的視覺(jué)應(yīng)用軟件Matrox Design Assistant X集成了新功能，包括使用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行圖像分類。 EyeVision是機(jī)器視覺(jué)軟件的一個(gè)例子，它提供了一種車牌識(shí)別應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序使用深度學(xué)習(xí)來(lái)識(shí)別車牌以及車輛的品牌和型號(hào)。

9. 迷你光譜儀

光譜學(xué)是一種用來(lái)測(cè)量紫外線、可見(jiàn)光、近紅外和紅外波長(zhǎng)的光強(qiáng)度的技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、環(huán)境、安全、藥理學(xué)等領(lǐng)域。光譜學(xué)可以追溯到16世紀(jì)艾薩克牛頓的光學(xué)實(shí)驗(yàn)，但很快就發(fā)展到了350年左右，如今光譜學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)是能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的小型微型和微型光譜儀。

即使是在微型封裝中，小型分光計(jì)也具有高端光學(xué)設(shè)計(jì)，在減少雜散光和最大化光學(xué)分辨率的同時(shí)，提高吞吐量和穩(wěn)定性。歐洲項(xiàng)目“檢查”證明了這一領(lǐng)域的發(fā)展，在該項(xiàng)目中，研究人員開(kāi)發(fā)了兩類分光計(jì)系統(tǒng)：基于衍射光學(xué)的緊湊立方英寸分光計(jì)和基于Si的三層波導(dǎo)技術(shù)的分光計(jì)系統(tǒng)，將分光計(jì)集成到光子積分器上。TED電路另外，基于發(fā)光材料的固態(tài)激光激勵(lì)，研制出一種新型的寬帶光源。新一代經(jīng)濟(jì)高效的解決方案為手術(shù)室內(nèi)的外科醫(yī)生、咨詢室的醫(yī)生和遠(yuǎn)程醫(yī)療中心的臨床醫(yī)生帶來(lái)了光譜傳感。

除了生產(chǎn)緊湊型分光計(jì)外，制造商還提供為特定解決方案設(shè)計(jì)的面向應(yīng)用的產(chǎn)品，而且這些產(chǎn)品非常容易被非分光計(jì)專家使用。

10. 智能工廠

4.0智能工廠,行業(yè),互聯(lián)網(wǎng)Thingsa”這些都是相對(duì)較新的術(shù)語(yǔ)描述現(xiàn)代的生產(chǎn)方式。今天我們′重新生活在′被稱為第四次工業(yè)革命,因此工業(yè)4.0。第一次革命見(jiàn)證了早期由水和蒸汽驅(qū)動(dòng)的機(jī)械化。在第二階段，大規(guī)模生產(chǎn)開(kāi)始于電力運(yùn)行的裝配線。第三是計(jì)算機(jī)化和自動(dòng)化的新浪潮。今天，第四次革命包括通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算連接的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)。

光技術(shù)通過(guò)提供光通信、3D視覺(jué)系統(tǒng)、智能激光器、光學(xué)傳感器、光纖、機(jī)器人和自主系統(tǒng)等發(fā)揮著核心作用。真正的智能工廠是由當(dāng)今最先進(jìn)的光技術(shù)融合而成的。

在裝配展上，TechCon展示了一個(gè)智能點(diǎn)膠機(jī)器人，它融合了智能工廠的許多要素：自動(dòng)執(zhí)行特定的應(yīng)用程序，它有基于PC的軟件，使其易于編程和操作，它的視覺(jué)系統(tǒng)允許它糾正零件錯(cuò)位，模式識(shí)別有助于縮短編程時(shí)間。它有以太網(wǎng)和WiFi接口，因此可以從世界任何地方進(jìn)行配置、監(jiān)控和控制。

每個(gè)趨勢(shì)都代表著重要的發(fā)展、廣泛的應(yīng)用以及擴(kuò)大機(jī)會(huì)的希望。這十大趨勢(shì)共同突出了光技術(shù)在我們生活的各個(gè)方面的重要性，它們必將在未來(lái)發(fā)揮越來(lái)越大的作用。

本文由Novus Light Technologies Today執(zhí)行主編安妮?費(fèi)舍爾(Anne Fischer)撰寫。