Wie Apple erschwingliche iPhone-Lidare ohne bewegliche Teile herstellte
Bei der iPhone 12-Präsentation am Dienstag stellte Apple die Funktionen des neuen Lidars vor. Laut Apple wird Lidar die Kamera des iPhones verbessern, indem es die Fokussierung beschleunigt, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen. Vielleicht erscheint auf diese Weise eine neue Generation hochentwickelter AR-Anwendungen.
Am Dienstag ging es in der Präsentation darum, wie Lidar im iPhone funktioniert, obwohl dies nicht das erste Gerät mit Apples Lidar ist. Das Unternehmen stellte im März erstmals ein Gerät mit dieser Technologie und einem aktualisierten iPad vor. Obwohl noch niemand Zeit hatte, das iPhone 12 zu zerlegen, können wir aus dem jüngsten Abriss des neuesten iPad viel lernen.
Das Prinzip von Lidar ist, dass es Laserlicht aussendet und misst, wie lange es dauert, bis es zurückkehrt. Da sich das Licht mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, kann die Umlaufzeit in eine genaue Entfernungsschätzung umgewandelt werden. Wiederholen Sie diesen Vorgang in einem 2D-Raster. Das Ergebnis ist eine 3D-Punktwolke, die die Position von Objekten in einem Raum, einer Straße oder einem anderen Ort anzeigt.
Eine Juni-Analyse von System Plus Consulting ergab, dass das Lidar des iPad Licht mit einem vertikal emittierenden Laserarray (VCSEL) von Lumentum sendet. Anschließend wird der Rückblick mit einem von Sony gelieferten SPAD-Array (Single Photon Avalanche Diode) erfasst. Ich werde im nächsten Abschnitt erklären, was es ist.
Ich fand Apples Präsentation besonders interessant, weil ich an einem Text über Unternehmen arbeitete, die diese Technologien (VCSEL und SPAD) verwenden, um ein viel leistungsfähigeres Lidar für den Automobilmarkt zu schaffen. Vertikal emittierende Laser und Einzelphotonen-Lawinendioden sind insofern interessant, als sie unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterherstellungstechniken in Massenproduktion hergestellt werden können. Der Vorteil ergibt sich somit aus den enormen Einsparungen bei der Massenproduktion. Mit zunehmender Akzeptanz vertikaler Lasersensoren steigt deren Qualität (und der Preis sinkt).
Die beiden Unternehmen, die am vertikalen Laser-Lidar der Spitzenklasse arbeiten (Ouster und Ibeo), erhalten bereits mehr Unterstützung als die meisten Akteure auf dem engen Lidar-Markt. Die Entscheidung von Apple, diese Technologie einzuführen (und die Möglichkeit, dass andere Smartphone-Hersteller dem Beispiel von Apple folgen), wird ihnen in den kommenden Jahren Rückenwind verschaffen.
Mit vertikalen Lasern konnte Apple sehr einfache Lidars erstellen
Velodyne war mit einem 64-Laser-Sensor Pionier auf dem Lidar-Markt.
Das erste 3D-Lidar wurde vor mehr als zehn Jahren von Velodyne eingeführt. Das rotierende Gerät kostete etwa 75.000 US-Dollar und war deutlich größer als ein Smartphone. Apple musste Lidars billiger und kleiner machen, damit sie in iPhones passen, und vertikal emittierende Laser ermöglichten es dem Unternehmen, genau das zu tun.
Was ist ein vertikaler Laser? Wenn Sie einen Laser mit herkömmlichen Halbleiterfertigungsmethoden erstellen, stehen Ihnen zwei Haupttechnologien zur Verfügung. Sie können einen Laser emittierendes Licht von der Seite des Substrats (diese werden als kantenemittierende Laser bezeichnet) oder von oben (oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Hohlraum - VCSELs) erzeugen.
Endstrahllaser waren traditionell leistungsstärker. Vertikale Laser werden seit Jahrzehnten in Geräten eingesetzt, die von optischen Mäusen bis zu Netzwerksendern reichen. Es wurde angenommen, dass sie nicht für High-Tech-Lösungen geeignet sind, bei denen große Lichtstrahlen erforderlich sind, aber die Technologie wurde entwickelt und vertikal emittierende Laser wurden leistungsfähiger.
Eine kleine Kerbe in der Platte ist normalerweise erforderlich, um einen Endstrahl-Laseremitter freizulegen. Dies erhöht die Kosten und die Komplexität des Herstellungsprozesses und begrenzt die Anzahl der Laser, die auf einer einzelnen Platte platziert werden können. Vertikal emittierende Laser emittieren wiederum Licht senkrecht zur Platte, sodass sie nicht einzeln geschnitten oder verpackt werden müssen. Somit kann ein Chip Hunderte (oder sogar Tausende) vertikal emittierender Laser enthalten. Im Allgemeinen kann ein IC mit Tausenden von vertikal emittierenden Lasern bei der Herstellung in großem Maßstab nicht mehr als ein paar Dollar kosten.
Ähnlich verhält es sich mit Einzelphotonen-Lawinendioden. Wie der Name schon sagt, sind sie empfindlich genug, um ein einzelnes Photon zu detektieren. Hohe Empfindlichkeit bedeutet, dass sie unter Lärm leiden. Um solche Dioden in Geräten wie Lidars zu verwenden, ist eine komplexe Nachbearbeitung erforderlich. Der große Vorteil von Einzelphotonen-Lawinendioden besteht darin, dass sie wie vertikal emittierende Laser mit herkömmlichen Technologien hergestellt werden können und Tausende solcher Dioden auf einem einzigen Chip platziert werden können.
Die Kombination von vertikalen Lasern und Einzelphotonen-Lawinendioden kann das Design des Lidars erheblich vereinfachen. Velodynes ursprüngliches 3D-Lidar enthielt 64 einzeln gepackte Laser in einem rotierenden Aufbau. Jeder Laser hatte einen entsprechenden Detektor. Die Komplexität dieses Designs und die Notwendigkeit, jeden Laser genau anzupassen, waren einige der Gründe, warum Velodyne so teuer war.
In letzter Zeit haben einige Unternehmen mit der Verwendung kleiner Spiegel experimentiert, um den Laserstrahl gemäß einem bestimmten Abtastmuster zu "lenken". Bei diesem Design reicht nur ein Laser aus, es wird jedoch noch ein bewegliches Teil benötigt.
Apple, Ouster und Ibeo wiederum stellen Lidars ohne bewegliche Teile her. Chip-Lidars mit Hunderten / Tausenden von vertikal emittierenden Lasern können für jeden Punkt im Sichtfeld des Sensors separate Laser verwenden. Und da alle diese Laser auf einem einzigen Chip vorverpackt sind, sind diese Geräte viel einfacher zu montieren als die Lidars von Velodyne.
Die neuesten iPhones verwendeten einen anderen 3D-Sensor namens TrueDepth Camera, um FaceID zu aktivieren. Das Modul verwendete Berichten zufolge auch eine vertikal emittierende Anordnung von Lasern von Lumentum. Das Funktionsprinzip von TrueDepth besteht darin, 30.000 Punkte auf das Gesicht des Benutzers zu projizieren, um ein dreidimensionales Modell zu bilden und das gespeicherte Modell mit dem empfangenen Modell zu vergleichen (unter Berücksichtigung seiner Verformungen).
Das Lidar im iPad projiziert weit weniger Punkte als die TrueDepth-Kamera. Das mit einer IR-Kamera aufgenommene Video von iFixIt zeigte, wie der Lidar ein Raster von mehreren hundert Pixeln projizierte. Wenn der TrueDepth-Sensor die Tiefe anhand der Form des auf das Gesicht der Person fallenden Lichts erkennt, misst der Lidar im iPad gleichzeitig die Entfernung direkt und legt die Zeit fest, die das Licht benötigt, um zum Objekt und zurück zu fliegen. Dieser Ansatz bietet wahrscheinlich eine höhere Genauigkeit der Tiefenmessung und vergrößert auch die Reichweite des Sensors.
Lidars mit höherer Leistung verwenden auch vertikal emittierende Laser (VCSELs) und Einzelphotonen-Lawinendioden (SPADs).
Ouster OS-1 und OS-2 Lidars Die
Leistung der Lidars von Apple ist viel geringer als die der von Lidar-Unternehmen hergestellten Top-End-Sensoren. Velodyne, das Unternehmen, das den ersten 3D-Lidar herausgebracht hat, behauptet, sein Sensor könne auf 200 Metern betrieben werden, während Apples Sensor auf 5 Metern arbeitet.
Viele Lidars mit vertikal emittierenden Lasern sind leistungsstärker als die in Apple-Geräten verwendeten Sensoren. Zum Beispiel bietet Ousters leistungsstärkster VCSEL-Laserlidar eine Reichweite von etwa 100 Metern bei einem Reflexionsvermögen von 10 Prozent.
Alle Stromsensoren von Ouster ähneln rotierenden Geräten von Velodyne. Sie verwenden Chips mit 16 bis 128 vertikal emittierenden Lasern - diese Chips werden in Säulen auf einer rotierenden Basis installiert. Die Einfachheit dieses einteiligen Designs hat es Ouster ermöglicht, den Preis seiner Geräte zu senken und einer der größten Konkurrenten von Velodyne zu werden. Diese Sensoren kosten jedoch immer noch Tausende von Dollar - zu teuer für den Einsatz in Autos, geschweige denn für Smartphones.
Letzte Woche kündigte Ouster Pläne an, einen neuen Festkörper-Lidar ohne bewegliche Teile herauszubringen. Anstatt 16 bis 128 Laser auszurichten, wird das neue Gerät von Ouster 20.000 vertikal emittierende Laser verwenden, die in einem zweidimensionalen Gitter angeordnet sind.
Ibeo verfolgt eine ähnliche Strategie und könnte Ouster übertreffen. Ibeo hat den ersten Lidar entwickelt, der jemals auf den Massenmarkt gebracht wurde - den Sensor für den Audi A8. Es war ein absolut primitives Gerät mit einer Auflösung von nur 4 vertikalen Linien. Das Unternehmen entwickelt derzeit ein neues Gerät namens IbeoNext. Dieses Modell wird ein 128 x 80 Pixel großes Lasergitter haben - etwas kleiner als der projizierte Sensor von Ouster, aber deutlich größer als die neuesten Geräte von Ibeo. Das Unternehmen behauptet, dass sein neuer Sensor eine Reichweite von 150 Metern und ein Reflexionsvermögen von 10 Prozent haben wird.
Der letzte erwähnenswerte Spieler ist Sense Photonics, das Unternehmen , über das wir im Januar gesprochen haben... Wie die anderen Unternehmen, über die wir gesprochen haben, verwendet Sense vertikal emittierende Laser und Einzelphotonen-Lawinendioden in seinen Lidars. Gleichzeitig verwenden sie bei der Arbeit mit Sense-Lasern eine Technologie namens Mikrotransferdruck. Mit seiner Hilfe können Laser mehr Energie verbrauchen, nicht überhitzen und für das menschliche Auge sicher bleiben. Bisher waren die Geräte von Sense nicht sehr weitreichend, aber CEO Shauna McIntyre sagte gegenüber Ars, dass das Unternehmen einen Sensor entwickeln möchte, der mit einer Reichweite von 200 Metern funktioniert - das Sense-Gerät wird Anfang 2021 bekannt geben.
Lidars werden bald in den Automobilmarkt eindringen
Ibeos Lidar
Ibeo, Sense und Ouster veröffentlichen neue Low-Cost-Modelle, da sie einen Anstieg der Nachfrage in der Autoindustrie erwarten. Lidare können ADAS-Systeme erheblich verbessern.
Zum Beispiel glauben viele, dass Tesla über einige der fortschrittlichsten ADAS-Systeme in der Branche verfügt. Gleichzeitig hat das Unternehmen ein ständiges Problem: Seine Autos stoßen gegen stationäre Objekte, was manchmal fatale Folgen hat. Lidare können stationäre Objekte besser erkennen als Kameras und Radargeräte. Dies bedeutet, dass durch die Einführung von Lidaren viele Unfälle vermieden werden können, wodurch ADAS-Systeme für Fahrer nützlicher werden.
Bisher galten Lidars als zu teuer für den Automobilmarkt, aber das ändert sich. Mehrere Unternehmen versprechen, Lidars in den nächsten Jahren für weniger als 1.000 US-Dollar herauszubringen.
Ouster plant, seinen ES2-Sensor 2024 für die Massenproduktion in der Automobilindustrie vorzubereiten. Das Unternehmen gibt an, dass das Gerät zunächst bei 600 US-Dollar
starten und in Zukunft auf 100 US-Dollar fallen wird. Ibeo hat keine Preise für den IbeoNext angekündigt, aber das Unternehmen hat bereits einen Vertrag mit Great Wall Motors (einem großen Automobilhersteller in China) geschlossen, um die Produktion im Jahr 2022 aufzunehmen. Jahr.
Unternehmen, die keine vertikalen Lichtlaser einsetzen, sind ebenfalls auf diesen Markt gekommen. Eines der bekanntesten Unternehmen in diesem Pool ist Luminar, das im Mai eine Partnerschaft mit Volvo angekündigt hat. Volvo plant, 2022 Autos mit Luminar Lidar auf den Markt zu bringen.
Alle diese Designs haben ihre eigenen Stärken und Schwächen (und unterschiedliche). Bisher verfügt Luminar über eine beträchtliche Reichweite - bis zu 250 Meter. Möglicherweise liegt dies daran, dass Luminar Laser mit einer Wellenlänge von 1550 nm verwendet, was weit außerhalb des sichtbaren Lichtbereichs liegt. Die Flüssigkeit im menschlichen Auge ist für solches Licht undurchlässig, was bedeutet, dass Luminar leistungsstarke Laser verwenden kann, die das menschliche Auge nicht schädigen. Außerdem haben Luminar-Lidars ein breiteres Sichtfeld als Ouster-Geräte.
Die größte Frage für Luminar ist, ob sie den angegebenen Preis von 1.000 US-Dollar erreichen können. Als ich vor zwei Jahren Austin Russell, CEO von Luminar, interviewte, sagte er, dass Luminar „den Preis auf einige Tausend senken muss“, um in den Massenmarkt einzutreten. Ich nahm dann an, dass das Luminar-Lidar mehr als "ein paar Tausend" wert war. Jetzt behauptet das Unternehmen, dass der Preis für ihre Lidars unter 1.000 US-Dollar fallen wird.
Ouster und Ibeo haben kein Problem damit, ihre Geräte billig zu machen. Unternehmen haben wahrscheinlich ein Problem beim Erreichen von 200 Metern, was für den Betrieb mit Autobahngeschwindigkeit als notwendig erachtet wird.
"Vertikal emittierende Laser haben eine geringere Helligkeit als herkömmliche Lidars", sagte Angus Pakala, CEO von Ouster. "Wenn Sie ein Physikmodell erstellen, eine Einzelphotonen-Lawinendiode und einen vertikal emittierenden Laser anschließen, führt dies zu einer schlechten Leistung." Laut Pakala hat Ouster jedoch eine Reihe von „grundlegenden Lösungen auf verschiedenen Ebenen“ entwickelt, mit denen die Kombination funktionieren könnte. Laut Pakala umfasst die Liste dieser Lösungen die "außergewöhnliche" Unterdrückung von Licht außerhalb des Bereichs und die "Platzierung von Signalverarbeitungsgeräten in der Nähe von Dioden", um die Unterscheidung von zurückkehrendem Laserlicht von Rauschen zu unterstützen.
Daher werden Ouster, Ibeo und Sense in den kommenden Jahren vor einer großen Herausforderung stehen: Die Leistung der Kombination aus vertikal emittierenden Lasern und Einzelphotonen-Lawinendioden so zu entwickeln, dass ihre Geräte in einer Reichweite von 200 Metern betrieben werden können. Wenn es ihnen gelingt, dieses Problem zu lösen, bieten die geringen Kosten und die Einfachheit der Chips diesen Unternehmen einen entscheidenden Vorteil. Wenn sie versagen, können sie auf ein niedrigeres Niveau dieses Marktes fallen.
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