FotonMag

Díky jediné laserové diodě dokáže technologie LiDAR v reálném čase vytvářet poměrně přesný 3D scan prostředí. Právě proto je tento senzor zásadním prvkem pro budoucnost autonomních vozidel. A v současnosti už se začíná používat u robotů pro rozvážku jídla.

Prozatím takové roboty můžete potkat ve čtvrti Koreatown uprostřed Los Angeles, už brzy by se ale mohli rozšířit po celých Spojených státech a brzy na to nejspíš i v Evropě. Za projektem stojí americká startupová společnost Serve Robotics, která svoje roznáškové roboty testuje už na stovkách restauracích přes populární rozvážkovou službu Uber Eats.

Čtvrť Koreatown byla vybrána primárně proto, že se jedná o živé obchodní centrum, rostoucí rezidenční oblast. Především však poskytuje dobrou infrastrukturu chodníků, neboť na silnici roboti zatím nemohou. Firma očekává, že v roce 2025 už by se celková „flotila“ o velikosti 2 000 robotů měla používat v městech po celých USA.

Z hlediska technických parametrů je zatím známo pouze to, že roboti využívají senzory REV7 s dosahem až 400 metrů. Ty pochází od firmy Ouster, Inc. sídlící v San Franciscu, která se specializuje výhradně na výrobu LiDARů s vysokým rozlišením. Dalším významným partnerem je proslulý výrobce grafických karet NVIDIA, který se o AI robotiku zajímá už několik let.

Dle vyjádření společnosti se navíc jedná o jednoho z prvních dovážkových robotů, jež dosáhl autonomie 4. úrovně. Tím se má na mysli, že roboti již dokáží rutinně fungovat bez lidské intervence a spoléhají se čistě na vlastní schopnosti, co se týče bezpečného provozu.

Zdroje: serverobotics.com, 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

Čínská společnost Dreame Technology, jejíž specializací jsou primárně robotické i obyčejné vysavače, uvedla na trh robotickou sekačku Roboticmown A1. Ta je zajímavá zejména tím, jak využívá potenciál pokročilejších technologií, obzvláště senzor LiDAR. Jde o senzor, který využívá laserovou diodu k vytvoření 3D skenu prostředí, mimo jiné je zásadní pro vyvíjená autonomní vozidla.

Robotické sekačky na trávník jsou zvláštní segment produktů, který má dodnes značné nedostatky. Ve svých počátcích tyto vynálezy jen „hloupě“ jezdily po trávníku a náhodně se odrážely od překážek a napnutého obvodového drátu. Zhruba před 10 lety se objevily už trochu chytřejší sekačky, které dokázaly nějakým základním způsobem zmapovat pozemek, jezdit v naprogramovaných patternech a díky jednodušším senzorům se také vyhýbat překážkám. Obvykle však stále ještě vyžadují vodící drát.

Dreame zašel ve vývoji sekaček ještě o kousek dál právě využitím LiDARu. Díky němu dokáže sekačka v reálném čase vytvářet 3D sken prostředí v celkovém úhlu 360° x 59°, a to do vzdálenosti 70 metrů. Po docela věrném zmapování prostředí pak robot systematicky seká trávník v U-patternech, údajně se pohybuje s přesností na 1 cm. Díky LiDARu (v kombinaci s dalšími senzory a GPS) se tak sekačka obejde zcela bez vodících drátů. Také může dobře reagovat i na nečekaně vzniklé překážky, jako jsou domácí zvířata nebo odložené předměty. Sekačka se ovládá mobilní aplikací, která umožňuje definovat různé zóny zmapovaného pozemku a blíže nastavit chování sekačky v každé z nich.

Pochopitelně se nejedná levnou záležitost, v Česku se cena této sekačky pohybuje okolo 50 000 Kč, což je až dvojnásobek oproti stávajícím lepším modelům, které se většinou stále ještě neobejdou bez obvodového drátu a upevňovacích kolíků.

Zdroje: ledinside.com, dreametech.com

Vývojáři z AceBeamu přišli s další výkonnou svítilnou, která namísto výkonných LED používá slibnou rozvíjející se technologii LEP, které se často přezdívá „bílý laser“. Výrobce AceBeam byl ostatně už se svým dřívějším modelem W30 mezi prvními, kdo si novou technologii osvojoval právě v oblasti svítilen. Takovýchto svítilen v poslední době přibývá stále více, nicméně co je na této svítilně výjimečné je speciální optika LC DEL (Liquid Crystal Diffractive Electro-optic Lens), která umožňuje rozostřovat světelný kužel čistě elektronicky. Škoda jen, že k této zajímavé technologii zatím neposkytla bližší informace.

Co do světelného toku nabízí svítilna nejvyšší výkon 800 lumenů, což se sice v porovnání s běžnými LED svítilnami může zdát málo, v rámci technologie LEP je to však standard. Svítilna totiž dokáže vrhnout silně koncentrovaný světelný kužel do úctyhodné vzdálenosti až 2,6 kilometrů. Není to tak úplně svítilna pro běžné posvícení do domácnosti, spíše se hodí pro ostrahu objektů, outdoorové aktivity jako je lov, nebo jako taktická svítilna – obzvláště pro tento účel je v čele svítilny umístěn úderný ráfek z nerezové oceli pro sebeobranu či nouzové rozbití skla, rovněž rukojeť je designována pro bezpečný úchop.

Ovládání je řešeno pomocí tří tlačítek. Zadní taktický spínač slouží jednoduše pro zapnutí/vypnutí svítilny.  V záhlaví svítilny se pak nachází dvojice menších tlačítek pro regulaci světelného výkonu (pět výkonů od 80 lm po 800 lm) a pro zooming světelného kužele (8 úrovní). Hlavní tlačítko má paměť naposledy zapnutého módu.

Zdrojem energie je Li-ion akumulátor typu 21700 s kapacitou 5000 mAh, který se dobíjí skrze USB-C port v těle svítilny. Jako materiál byl použit letecky tvrzený hliník, který zajišťuje odolnost svítilny při pádu z výšky do 1,5 metrů. Svítilna je zároveň voděodolná do hloubky 2 metrů dle standardu IP68. Cena včetně DPH je 8 790 Kč.

Zdroj: svitilny.eu, acebeam.com

Coherent je americká společnost sídlící v Kalifornii, která se výrobou laserů a souvisejících komponentů zabývá již od 60. let. Nyní představil novou energeticky efektivní laserovou diodu (LD) určenou primárně pro přenosné dálkoměry, která umožní zlepšit výdrž baterie i měřící dosah.

Nová dioda Coherent SS905A13-TO-01 je zvláštní zejména tím, že s využitím velmi tenkých „tunelových spojů“ propojuje tři vrstvy laserových emitorů v jednom čipu. Díky tomu může ve srovnání s klasickými jednovrstvými LD nabídnout mnohem větší výstup – maximálně až 140 W – při zachování srovnatelné velikosti i srovnatelných elektronických vlastností.

Na druhou stranu má tohle technologické řešení i velkou nevýhodu v podobě silného přehřívání. Z toho důvodu se nová LD hodí jen tam, kde se využije jen krátký pulz využívaný jednou za čas. Ideální tak může být například v dálkoměrech pro stavební inženýrství, naopak se nebude hodit pro některé jiné dálkoměrné aplikace, jako jsou výrobní procesy nebo třeba LiDAR.

Většina systémů na měření vzdálenosti využívá lasery s vlnovou délkou buď 905 nm nebo 1550 nm.  Coherent tentokrát upřednostnil variantu 905 nm, neboť tyto lasery podle jeho vyjádření využívají levnější a také energeticky efektivnější polovodič GaAs (zatímco 1550 nm lasery využívají InP). Navíc to není jen o samotných laserech, svou roli zde hrají i detektory snímající odražený laser. U 905 nm laserů se totiž používají levné křemíkové obvody CMOS, zatímco 1550 nm detektory už vyžadují mnohem nákladnější InGaAs komponenty.

Zdroje: 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

Japonská společnost Nichia se proslavila zejména v 90. letech vynálezem první výkonné modré LED, jež vzápětí uspíšila vývoj diod vyzařujících bílé světlo. Kromě LED se ale Nichia zaměřuje i na vývoj laserových diod (LD), zejména modrých a zelených. Co však dosud v portfoliu firmy výrazně chybělo, byla výkonná červená laserová dioda – tu začala vyrábět až nyní. Nichia tak konečně může poskytovat vlastní LD čipy se všemi třemi základními složkami barevného modelu RGB.

Hlavní využití RGB LD spočívá zejména v digitálních projektorech, kde jsou laserové diody oproti výkonným LED v mnohém lepší. Poskytují mnohem širší rozsah reprodukce barev, mají vyšší efektivitu i jas. Poptávka po takovýchto projektorech s LD přitom roste nejen v oblasti profesionálních kin, ale zejména u malých domácích projektorů a laserových televizí (což je v podstatě také projektor).

Nichia svým novým počinem reaguje na poptávku firem po různých parametrech laserových diod pro každou barvu RGB zvlášť. Zatímco zelené (G) a modré (B) laserové diody si Nichia už léta vyrábí sama a má jejich specifika pod kontrolou, ty červené (R) dosud pořizovala od vnějších dodavatelů, což se promítalo do kvality, ceny a zejména pak náročnosti vyhovět odlišným požadavkům různých zákazníků. Díky vlastní výrobě teď bude japonský výrobce schopen flexibilněji reagovat na jejich poptávku.

Jedním z hlavních produktů firmy bude QuaLas™ RGB (na obrázcích), ve kterém budou všechny LD čipy nahusto osazeny na jedné malé desce. Jejich parametry (viz tabulka) jsou navrženy tak, aby dohromady dokázaly poskytnout vyvážené barvy. Do prodeje se dostane na jaře 2024.

Zdroje: ledinside.com, nichia.co.jp

Společnost PreAct Technologies sídlící v Oregonu otevřela předprodej cenově dostupných jednotek tzv. zábleskového LiDAR pod názvem Mojave LiDAR. Zábleskový LiDAR (flash LiDAR) se od toho klasického liší způsobem skenování prostoru. Zatímco běžný LiDAR vystřelí řádově miliony krátkých pulzů úzkého laseru, kterými postupně oskenuje své okolí, zábleskový LiDAR k tomu využije jen jeden pulz širokorozbíhavého paprsku.

Technologie LiDAR do budoucna nabízí obrovský potenciál v mnoha odvětvích, jako je robotika, agrikultura, koncept chytrých měst, autonomní řízení, logistika, monitorování budov, monitorování pacientů a v neposlední řadě také vzdělávání a výzkum. Výskyt cenově dostupnější jednotky LiDAR je tedy pro rychlý rozvoj všech těchto aplikací skutečně příslovečným bleskem z čistého nebe.

Mojave LiDAR už z výroby přichází plně kalibrovaný, přičemž jeho firmware i software má být do budoucna plně upgradovatelný. Cílovkou společnosti PreAct navíc nemají být výhradně jen technologické společnosti s velkým odběrem, ale v podstatě kdokoli si bude moci koupit klidně jen jednu jednotku například přes Amazon. Zde je nakonec výčet některých parametrů nového Mojave LiDAR-u:

• Rozměry 90 x 25 x 25 mm, váha 75 gramů
• Více než 1,4 milionu bodů hloubkových informací za sekundu
• Hloubková přesnost s chybovostí méně než 2 %
• Schopnost detekovat sklon a převýšení terénu
• Ve srovnání s jinými dostupnými senzory na trhu velmi dobře detekuje útesy a okraje
• Maloobchodní cena je 350 USD, v přepočtu tedy zhruba 8 000 Kč.

Zdroje: preact-tech.com, ledinside.com, asc3d.com

Jeden z předních výrobců svítilen AceBeam přichází na trh se svým prvním hybridním modelem, který zajímavým způsobem kombinuje světelné technologie LED a LEP (laserem excitovaný luminofor). Uživatel tak může snadno přepínat mezi šířkovým reflektorem pro kvalitní osvětlení nejbližšího okolí a úzkým dálkovým reflektorem, který poskytuje dosvit až 1600 metrů.

Jak je patrné z obrázků, výrobce rozhodl pro umístění dvou reflektorů vedle sebe, namísto aby je spojoval do jednoho. Hranatý širokoúhlý reflektor ukrývá tři LED Nichia 519A s velmi vysokým indexem podání barev (CRI) >90 a teplotou chromatičnosti 5000 K. Řečeno méně technickým jazykem, reflektor ozáří široké okolí světlem, které se svými vlastnostmi podobá tomu dennímu. Maximální dosvit LED reflektoru je až 154 metrů při výkonu 2300 lumenů.

Za kulatým reflektorem se ukrývá jednotka LEP, někdy přezdívaná i „bílý laser“ vzhledem k vysoce koncentrovanému světlu. Při maximálním výkonu LEP vydává světelný tok až 700 lumenů, pro delší výdrž baterie lze výkon snížit. Reflektor je otočný, díky optice lze měnit úhel světelného kužele v rozmezí 3–16 stupňů a vzdálenost dosvitu mezi 177–1600 metry.

K ovládání svítilny slouží dvě tlačítka, z nichž jedno přepíná mezi LED a LEP, zatímco druhé ovládá zapínání, režimy výkonu, aktivaci stroboskopu a elektronické uzamknutí svítilny. Zdroj energie poskytuje akumulátor Li-ion 21700 s kapacitou 5000 mAh, který v sobě ukrývá nabíjecí port typu USB-C.

Svítilna je vyrobená z leteckého duralu, výrobce zaručuje odolnost při pádu z výšky 1 metru. Zároveň je vodotěsná až do hloubky dvou metrů dle standardu IP68. Poněkud nevšední hranatý design „terminátora“ zachovává stále ještě kompaktní rozměry 10,4 x 6,3 x 3,5 cm. K dostání je za 7 899 Kč včetně DPH.

Zdroj: svitilny.eu

Čím dál více se do popředí dostává nová světelná technologie známá jako LEP (laser-excited phosphor, česky laserem excitovaný luminofor). Někdy se jí poněkud nepřesně přezdívá i “bílý laser”. LEP je často srovnáván s široce rozšířenými LED (light-emitting diode), které momentálně osvětlují většinu našeho života a které jsou do určité míry příbuznou technologií. Ukazuje se, že v některých oblastech je LEP svými vlastnostmi výrazně předčí. Podívejme se proto, co je tohle nové osvětlení zač a jaký má potenciál.

LEP je v principu modrý laser vyzařovaný polovodičovou laserovou diodou (LD), který se odrazí od vrstvy luminoforu a tím vznikne celospektrální bílé světlo. Podle měnitelných parametrů použitého luminoforu (tloušťka, absorpční koeficient, chemické složení) se pak odvíjí konkrétní vlastnosti výsledného světla. Obecně však platí, že výsledný kužel bílého světla má mnohem větší dosvit (až jednotky kilometrů) než ty nejlepší LED a je také mnohem koncentrovanější.

LEP (respektive modrý laser) navíc netrpí na významný pokles energetické účinnosti při vyšším proudu, což je u LED známý problém. Technologie LEP by měla být i relativně bezpečná pro zrak, neboť ačkoli skutečně používá nebezpečný laser, po odražení od luminoforu se z něj stává obyčejné bílé světlo.

Momentálně je LEP značně dražší než LED. Na jednu stranu se skutečně jedná o nákladnější technologii co do výroby, kromě toho je ale také výzkum a vývoj LEP více v začátcích. Zatímco LED se vyvíjí již od 60. let, vývoj LEP se začal pomalu rozbíhat až kolem roku 2010. Roli v tom hraje i fakt, že se „čekalo“ na dostupnost výkonných modrých laserových diod za rozumnou cenu.

Nakonec se podívejme na stávající aplikace LEP a jeho budoucí potenciál. V současnosti se díky výtečnému dosahu LEP používají zejména do laserových svítilen určených pro pátrání, lov, ozbrojené složky atp. Také se pomalu dostává do automobilových světlometů. “Bílé lasery” se již osvědčily i jako zdroj světla pro projektory v kinech (viz schéma na obrázku), kde nahrazují xenonové výbojky s velmi nízkou životností a vysokými nároky na chlazení. Skvěle se hodí na vnější architektonické osvětlení, např. pro nasvícení památek a věží. V nemocnicích zase mohou sloužit jako výkonná operační světla. Jak je vidět, zatím se jedná o dosti specifické oblasti. Předvídá se ale, že s postupem času se seznam využití LEP výrazně rozšíří i na mnohem běžnější aplikace, například i jako osvětlení do domovů a kanceláří.

Zdroje: Faiz Rahman, Diode laser-excited phosphor-converted light sources: a review (2022); batteryjunction.com; lumintoponline.com