光纤激光器 半导体激光器 激光切割
工业应用
光学技术推进可穿戴设备快速发展
录入时间:2018/3/9 10:29:07


文/Gail Overton

许多用于显示信息或跟踪个人健康或医疗参数的可穿戴设备,使用的是电信号、化学反应或材料变形技术。但是也有很多可穿戴设备依赖于光学技术:发射光直接进入皮肤,发挥治愈、监控甚至是预测危险病症的作用;被点亮的服装,可以作为一种个人艺术表述或安全装置;甚至还有光伏可穿戴设备,可用于为智能手机或其他可穿戴设备充电。

市场研究公司ABI Research预测,企业可穿戴设备(包括智能手表、智能眼镜和可穿戴式扫描仪)的市场规模将从2017年的106亿美元增长到到2022年的高达600亿美元。令人难以置信的是,市场研究公司IDTechEx预测,到2027年,可穿戴设备市场的规模将达到1500亿美元。

也许我们很难将可穿戴设备纳入光子学范畴,从理论上讲,用于宠物的激光打标标签或发光二极管(LED)项圈更适合光子学范畴。我们下面介绍的是一些较为复杂的技术密集型光子可穿戴设备,它们的问世也增加了上述数十亿、上百亿美元的消费预测的合理性。

人身安全和个性显示

microLED技术公司不仅在探索该技术在视觉显示领域的应用,同时也在探索该技术在个人可穿戴显示器及指纹识别和手势识别领域的应用,因为microLED技术微小的像素间距(直径1~10μm,间隔距离1mm,比液晶显示和OLED显示更具能量效率)可以在柔性衬底上制作,并且还可以在柔性衬底上整合电子电路,用于实现传感功能(见图1)。


目前苹果公司和Oculus公司都在押宝这项技术,并且这两家公司都有收购涉足microLED技术的公司。

图1:microLED面板显示了微小、紧密排列的像素是如何集成到柔性材料中,实现个人可穿戴显示的。


Luminit公司甚至设计了微扩散技术,来提高近距离观看时像素化microLED的视觉吸引力。扩散器包括嵌入在聚酯或聚碳酸酯膜上的全息光整形扩散器(LSD)微结构,其放置位置距离microLED表面10μm。根据选择的LSD结构,扩散器可以将光扩散到不同的自定义光束角度。

使用康宁公司的光纤技术开发的一种称为Fibrance可穿戴产品,现在已经商业化。Fibrance不是用最小的损失将光引导到远程目的地,而是使用有损光纤,沿其长度均匀发光,并将光带到体状的或分布式microLED或OLED照明无法到达的地方。

“康宁公司已经向大公司出售了长度达数百万千米的光纤,但我们的目标是针对数百万的消费者、可穿戴设备、游戏和汽车应用销售几米长的光纤。”硅谷新秀Versalume公司首席执行官Mario Paniccia说道。

Versalume的解决方案在一个精巧的工业设计中集成了激光、电子、光纤、电池和软件,它让用户将主要精力集中到应用上,以便能更加容易地把他们的产品推向市场。Versalume的单色产品有红光、绿光或蓝光(639nm/515nm/450nm)激光器。此外,还有一个蓝牙控制的RGB智能模块,其带有一个iOS应用程序,其中包括诸如加速度计、气压计、温度监视器和陀螺仪之类的传感器,并且可以工作在连续、闪烁、暗淡等多种模式。

Versalume的解决方案还提供FC或LC连接选项。光纤本身的直径为170μm,具有聚合物包层,弯曲直径小于10mm,扩散长度0.5~50m。其较大的数值孔径(0.53)可实现可见光、近红外光和紫外激光二极管的低损耗耦合。

Versalume的模块面对的一项巨大的可穿戴照明挑战是:用于照亮光纤的功率/控制器模块的体积和重量。毕竟,大多数LED或电致发光板的T恤均使用两节AA电池供电。

虽然说服消费者接受“激光照明的光纤对眼睛和身体是安全的”这一概念有些困难,但Paniccia公司还是通过其轻薄的柔性产品赢得了消费者的青睐,作为一款可穿戴的帽子,其不仅能在帽子上彰显个性化表达和显示,还能照亮珠宝,或是作为一种新的时尚表达方式。,此外,Paniccia公司也在努力将霓虹灯般的光纤植入到汽车显示、头盔显示、游戏PC和建筑照明中,并率先开发轻量化、低功耗模块,目的是提升建筑/公路施工者、夜晚骑行者以及遛狗者的安全性(见图2)。


图2:Versalume公司正在商业化康宁公司的Fibrance光纤,用于个人时尚和安全目的,另外还有许多其他应用正在开发中。


健康与体质监测

我们可能都听说过用智能手机上的光谱仪来监测健康和体质指标。该领域的下一个突破是:用无创施加到人体皮肤上的光谱仪来测量人体的血糖等体征指标,从而不再需要抽血测量。德克萨斯大学的研究人员已经开发出了一种传感器,这种传感器可以佩戴在手腕上或其他与皮肤的地方,用于监控人体的血糖、皮质醇和其他一些压力和健康指标。[1]

该设备使用位于纳米多孔聚酰胺基底上的氧化锌(ZnO)薄膜,可以确定人体汗水中的蛋白质和皮质醇水平,以揭示人体的某些健康状况。傅立叶变换红外光谱(FTIR)和动态光散射(DLS)光学方法已经证实了该传感器适合消费者使用。

另外,还有专门用于血糖检测的产品。德国法兰克福大学的研究人员正在利用光声光谱(PAS)来获得中红外光谱,其吸收葡萄糖分子产生一个声音信号,用于记录皮肤细胞中的血糖水平。

此外还有一些新的报道,比如太阳能供电的拇指大小的紫外剂量计、类似发带状的近红外光谱装置以及可穿戴显微镜等,这些可穿戴设备均可用于分析响应定点护理潜在条件的荧光信号变化。

除了监测身体健康和体质的光子可穿戴设备外,光学技术也可用于治愈作用。瑞士Biomimetic Membranes and Textiles的研究人员开发了一种可洗的耐穿光子服,其通过将LED发射的蓝光耦合到包裹在织物中的直径160μm的聚合物光纤中,进而用于击退新生儿黄疸。来自荷兰皇家飞利浦公司的蓝光可穿戴设备,最近获得了美国的FDA批准,用于治疗轻度银屑病。澳洲瑞泰姆生物眼镜(Re -Timer眼镜),在澳大利亚的零售价为299美元;还有发射500nm蓝绿光的超薄可穿戴眼镜,据说每天戴上大约60分钟,可以改善睡眠,减少疲劳,能让轮班制工人在夜间工作时,更好地管理他们的警觉水平(见图3)。

图3:Re-Timer眼镜发射500nm的蓝绿光,可用于减少疲劳,改善睡眠,提高倒班工人的警觉度。


超越Kinect

还记得微软的Kinect系统问世的时候,很多人都在自家的客厅里像孩子一样用他们的肢体动作来打高尔夫球,或是开跑车。Kinect的想法让人的身体沉浸在一个改变现实的状态中。Kinect由红外激光二极管控制,它将人体的动作转化为屏幕上虚拟化身的视觉运动。

然而不到十年后(第一代Kinect系统于2010推出),风靡全球的增强现实/虚拟现实/混合现实(VR / AR /MR)正在超越Kinect而使行动更接近人的身体,更重要的是,这类技术通过更小的可穿戴式耳机或眼镜,能够更接近人的大脑和思维过程。

在拉斯维加斯举行的2018消费电子展(CES)上,Kopin公司推出了AR/VR Eagle可穿戴家庭影院,这是Kopin与Pico Interactive公司联合开发的产品,其相当于一个80英寸的大屏幕。Eagle可穿戴家庭影院具有高清屏幕(分辨率1280×720),可以通过位于超薄耳机上的720像素、0.49英寸对角线OLED微型显示器,在10英尺远的地方观看(见图4)。

图4:在2018消费电子展上,Eagle家庭影院系统亮相,其通过超薄耳机实现了观看80英寸高清电视的体验。


最近,Innovega公司通过提供最终的可穿戴设备来改变现实的体验,又比一些大块头的AR/VR观看眼镜超前一步。2018年1月发布的新闻稿中写道,“Innovega公司的系列专利,将允许穿戴者将数字世界和现实世界整合到一起,提供一种无损的增强现实和混合现实体验,这种体验完全超越了市场上的其他可穿戴设备。”该系统将隐形眼镜(或手术植入的镜片)与时尚眼镜结合在一起。这种组合为用户提供了一种高性能的娱乐和信息体验。Innovega公司的专利让人想起谷歌智能隐形眼镜,它们基本上是在人的眼睛中植入了一个电脑。

当然,虽然许多可穿戴技术已经商业化或正处于商业开发中,仍然有更多的可穿戴技术尚未进入消费市场。

例如光学糖尿病监测范围,正在从拉曼光谱方法向光学相干层析成像(OCT)技术探索。然而到目前为止,市面上还没有一种可供大众使用的单一光学血糖监测技术。鉴于激光雷达在自动驾驶汽车领域的快速发展、3D传感在智能手机中的快速发展,以及来自Masimo等公司的基于LED的医疗设备(如脉搏血氧仪)的成功,毫无疑问,尚处于产品原型阶段的光子可穿戴技术,将会以比我们想象得更快的速度,进入消费市场。


参考文献

1. H. Huu Le et al., Int. J. Phys. Math. Sci., 11, 5, 202–205 (2017).



上一篇: 利用光纤激光器清除铁轨表面的锈... 下一篇:选择光纤激光器的四大原因

版权声明:
《激光世界》网站的一切内容及解释权皆归《激光世界》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《激光世界》杂志社。
 
 
 
 
友情链接
首页 | 关于我们 | 联络我们
Copyright© 2018: 《激光世界》; All Rights Reserved.
请用 Microsoft Internet Explorer 6.0 或以上版本。
Please use Microsoft Internet Explorer 6.0 or higher version.
备案序号:粤ICP备12025165号