光技术的十个发展趋势将在未来发挥大作用

光技术是当今世界的核心，使最复杂的过程和程序得以实现。光技术发展的十大趋势，虽然每一个都是许多微小的、渐进的进步的结果，但在不久的将来提供更多的机会。

2019年位列榜首的十大趋势：

脑成像

添加剂制造或3D打印

量子技术

增强/虚拟现实

偏振相机

激光雷达探测

照明控制

深度学习

微型光谱仪

智能工厂

1. 脑成像

随着全息技术、三维成像技术、光子计数技术、光纤传感技术和可植入MRI成像技术的发展，脑成像领域不断扩大。仅3D成像市场就有望在未来三年内增长近25%，大脑研究是其众多应用之一。以色列特拉维夫大学(Tel Aviv University)的研究人员开发出一种光子计数解决方案，提高了活体大脑中神经元活动的二维和三维快速成像质量，试图揭示神经元和血管之间界面的内部工作机制。

全息术是大脑研究的另一个机会领域。加州大学伯克利分校的神经学家正在使用全息激光激活大脑中的神经元，模拟大脑实际反应的模式和节奏。Hillel Adesnik美国伯克利实验室的博士后研究员Alan Mardinly表示，“这是开发一种可以成为具有额外感官或增强感官的虚拟脑植入技术的漫长道路的第一步。”

在亚利桑那大学（美国），研究人员开发出了光纤传感器，可以替代用于绘制大脑活动的磁共振成像（MRI）系统。由于该系统便携、成本低、能够在室温和无屏蔽环境中运行，因此可以无论是在运动中诊断脑震荡还是在爆炸引起脑损伤的冲突区域，使用不受环境因素影响。

在其他工作中，麻省理工学院的研究人员开发了一种微型传感器，可以植入大脑，与体外的MIR扫描仪相互作用。该设备不需要电源或有线连接到大脑，它可以检测大脑中的微小电流和发光蛋白产生的光信号。

2. 添加剂制造或3D打印

一项新兴的技术是添加剂制造或3D打印，预计到2023年，其年增长率将超过26%。从汽车工业的金属零件制造到定制光学器件的设计和制造，再到人造四肢、血管和心脏瓣膜的制造，3D打印的应用无所不在。

在激光增材制造中，激光起着重要作用，因为它们将大量能量聚焦在各种材料粉末上，将它们融合成3D部件。激光器逐层熔化材料，直到部件完成。

激光粉末床融合（LPBF），也称为选择性激光熔化（SLM），是德国亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT AutoAdd项目的重点工艺。 AutoAdd项目旨在通过在汽车大规模生产环境中集成LPF工艺链，降低单位成本，使汽车行业更容易使用增材制造。

在医疗领域，增材制造被用于多种类型的植入物 – 从面部到整形外科到牙科等等。到2025年，3D打印医疗设备市场的项目将近100亿美元。英国的研究人员使用了添加剂制造以发现我们的骨骼是如何生长的。在模仿真实骨骼生长的过程中，他们不仅学会了骨骼的生长方式，而且还了解了骨骼抵抗冲击和弯曲的原因，这可能会导致更自然的植入物这可能会取代目前使用的金属和塑料植入物。这项研究也可能有助于了解骨质疏松症和骨质恶化。

3. 量子技术

数字技术改变了计算机、通信设备、安全、医药等。现在我们超越数字技术并转向量子技术。量子力学描述了宇宙中最小的物质 – 质子、中子、电子等亚原子粒子。大量的资金用于开发量子技术并将技术带入商业化的项目。例如，在欧洲，量子旗舰计划是一项投资10亿欧元，为期10年的计划，将涉及5000多名欧洲研究人员.UNIQORN是属于量子旗舰的众多项目之一，它将专注于量子通信系统。其使命是提供通过将复杂系统放入毫米级芯片中，使光子技术能够适应量子通信。

而另一个欧洲组织正联手开发人工智能和量子计算。 Imec，CEA-Leta签署协议，专注于开发、测试和试验神经形态和量子计算，旨在提供一个数字硬件计算工具箱，可供欧洲行业合作伙伴用于各种应用的创新，从个性化医疗和智能移动到新的制造业和智能能源领域。

当许多研究小组正在组建时，澳大利亚、意大利和瑞士的一组科学家开发了一种光子芯片，这可能是第一次证明量子信息可以通过芯片上的拓扑电路进行远距离编码、处理和传输。

4. 增强现实/虚拟现实

随着数字技术成为我们日常生活的一部分，我们将越来越多地接触虚拟、增强甚至混合现实。它们是什么，它们有何不同？虚拟现实让用户沉浸在另一个世界中。佩戴头部或头戴式显示器，将用户置于虚拟环境中，例如视频游戏或医疗保健环境中。增强现实(AR)将图像叠加在真实世界的视图上。

顾名思义，混合现实将虚拟与现实世界混合在一起，允许用户与软件生成的图像进行交互。VRHealth为医院，康复中心和医生办公室提供虚拟现实解决方案。 VR应用程序可用于疼痛管理，康复锻炼，ADHD儿童的治疗等。

VOSTARS（视频光学透视增强现实手术系统）项目正在开发一种外科医生使用的医用遮阳板。通过将患者的X射线与他们的身体一致地叠加在3D上，外科医生在手术期间不必将视线移开。遮阳板还提供了患者的麻醉数据，心率，体温和其他生命体征。该项目预测准确性的提高以及手术室的时间缩短。

随着AR / VR / MR应用程序的增长机会无限。平视显示器是新应用程序不可或缺的一部分，因此，到2024年，平视显示器市场预计将超过70亿美元，在此期间的复合年增长率超过19％。

5. 偏振相机

根据高级编辑DaveWilson的说法，今天我们看到相机前端的高度专业化。 “大型CMOS成像器的重要性日子已经一去不复返了。”今天，它完全取决于成像仪或相机的功能，因此出现了高度专业化的成像仪，可用于飞行时成像相机和偏振相机。

偏振是将非偏振光转换为偏振光的过程，这意味着它需要一个在多个平面内振动的光波，并将其转换为光波，振动发生在一个平面内。偏振相机

以昆虫的方式获取图像。昆虫和其他生物，如螳螂虾的视觉系统，能够用高动态范围的光敏细胞感知极化信息。

偏振相机在工业检测中非常有用，其中可能存在低对比度或高反射。偏振相机可以过滤从不同材料表面反射的光的偏振角。

随着索尼全球快门iMX250MZR CMOS传感器的出现，索尼向前迈进了一步，该传感器为相机制造商提供了现成的解决方案，而不是必须在相机的传感器上方安装旋转机械偏振滤光轮。

6. 激光雷达探测

根据ResearchandMarkets最近的一份报告，全球汽车激光雷达市场预计在未来十年将以29.6％的复合年增长率增长。自动驾驶汽车和先进驾驶员辅助系统（ADAS）的增长推动了市场，特别是考虑到无人驾驶车辆的安全事故数量不断增加。

激光雷达代表光探测和测距，用于代替相机，雷达和超声波传感器，或者用于相机，雷达和超声波传感器。

这个市场的机会似乎无穷无尽。众所周知的光学公司，如Jenoptik，正在提供一系列先进的激光雷达系统的光学元件。 Hamamatsu正在提供一种四通道脉冲激光二极管，可用于车载激光雷达模块的光源，可以更精确地测量远距离物体。 Laser Components是激光和光电元件的供应商，正在与弗劳恩霍夫微电子电路与系统研究所合作开展激光雷达开发。 Excelitas提供表面贴装器件脉冲激光二极管阵列作为下一代激光雷达系统的关键构建模块。AccuCoat等涂料公司正在解决激光雷达系统中独特的光学涂层需求。

7. 照明控制

在今天的灯光中，一切都与控制有关。固态照明的特性可以控制光强度，色温，色调，功耗等。照明控制可以内置在LED驱动器中，也可以由计算机处理或在互联网云中处理。

照明控制的应用范围从建筑物中的智能照明到工业机器视觉到室内农业。在机器视觉中，一致的光照水平是至关重要的，因为机器视觉系统必须非常精确地监控、检查、分析和分类。使用OLED控制器的室内农业应用在“OLED中描述可以将垂直农场效率提高20％”。

Cortet是智能建筑物联网（IOT）技术的专家，他开发了Cortet照明控制解决方案，可以通过移动应用程序进行控制。GardaSoft提供了一系列用于高速计算成像的照明控制器，它可以驱动照明，允许机器视觉应用中的快速图像序列，通过智能相机获取不同的照明角度。

8. 深度学习

高级编辑戴夫·威尔逊说：“我们所拥有的是软件业的一场革命，许多制造商和公司都在研究机器学习和深度学习。”这两者之间有区别，机器学习软件系统使用支持向量机（SVMS）或随机森林算法，深度学习使用卷积神经网络（CNN）——一类非常适合分析视觉图像的神经网络。威尔逊说，在他看来，深度学习（CNN）系统将很快变得非常重要。

根据MathWorks开发经理Girish Venkataramani的说法，深度学习是使用神经网络架构实现的。在视觉系统中，将教授深度学习软件执行非常具体的功能，识别复杂的特征，并相应地对图像进行分类。我们看到主要制造业正朝着深度学习方向发展。 Hyundai CRADLE，现代汽车公司的企业风险投资和开放式创新业务，最近投资了allegro.ai，这是一家专门从事深度学习的技术公司。 Matrox Imaging最近宣布其着名的基于流程图的视觉应用软件Matrox Design Assistant X集成了新功能，包括使用深度学习进行图像分类。 EyeVision是机器视觉软件的一个例子，它提供了一种车牌识别应用程序，该应用程序使用深度学习来识别车牌以及车辆的品牌和型号。

9. 迷你光谱仪

光谱学是一种用来测量紫外线、可见光、近红外和红外波长的光强度的技术。它广泛应用于医疗、环境、安全、药理学等领域。光谱学可以追溯到16世纪艾萨克牛顿的光学实验，但很快就发展到了350年左右，如今光谱学的发展趋势是能够进行实时、现场测量的小型微型和微型光谱仪。

即使是在微型封装中，小型分光计也具有高端光学设计，在减少杂散光和最大化光学分辨率的同时，提高吞吐量和稳定性。欧洲项目“检查”证明了这一领域的发展，在该项目中，研究人员开发了两类分光计系统：基于衍射光学的紧凑立方英寸分光计和基于Si的三层波导技术的分光计系统，将分光计集成到光子积分器上。TED电路另外，基于发光材料的固态激光激励，研制出一种新型的宽带光源。新一代经济高效的解决方案为手术室内的外科医生、咨询室的医生和远程医疗中心的临床医生带来了光谱传感。

除了生产紧凑型分光计外，制造商还提供为特定解决方案设计的面向应用的产品，而且这些产品非常容易被非分光计专家使用。

10. 智能工厂

4.0智能工厂,行业,互联网Thingsa”这些都是相对较新的术语描述现代的生产方式。今天我们´重新生活在´被称为第四次工业革命,因此工业4.0。第一次革命见证了早期由水和蒸汽驱动的机械化。在第二阶段，大规模生产开始于电力运行的装配线。第三是计算机化和自动化的新浪潮。今天，第四次革命包括通过互联网和云计算连接的网络物理系统。

光技术通过提供光通信、3D视觉系统、智能激光器、光学传感器、光纤、机器人和自主系统等发挥着核心作用。真正的智能工厂是由当今最先进的光技术融合而成的。

在装配展上，TechCon展示了一个智能点胶机器人，它融合了智能工厂的许多要素：自动执行特定的应用程序，它有基于PC的软件，使其易于编程和操作，它的视觉系统允许它纠正零件错位，模式识别有助于缩短编程时间。它有以太网和WiFi接口，因此可以从世界任何地方进行配置、监控和控制。

每个趋势都代表着重要的发展、广泛的应用以及扩大机会的希望。这十大趋势共同突出了光技术在我们生活的各个方面的重要性，它们必将在未来发挥越来越大的作用。

本文由Novus Light Technologies Today执行主编安妮•费舍尔(Anne Fischer)撰写。