Cómo Apple hizo Lidars de iPhone asequibles sin partes móviles
En la presentación del iPhone 12 el martes, Apple dio a conocer las nuevas capacidades de LIDAR. Según Apple, lidar mejorará la cámara del iPhone al hacer que el enfoque sea más rápido, especialmente en condiciones de poca luz. Quizás de esta forma aparezca una nueva generación de aplicaciones AR complejas.
El martes, la presentación cubrió cómo funciona lidar en el iPhone, aunque este no es el primer dispositivo con lidar de Apple. La compañía presentó por primera vez un dispositivo que utiliza esta tecnología en marzo con un iPad actualizado. Y aunque nadie ha tenido tiempo de desmontar el iPhone 12 todavía, podemos aprender mucho del desmontaje reciente del último iPad.
El principio de lidar es que envía luz láser y mide cuánto tiempo tarda en regresar. Dado que la luz viaja a una velocidad constante, el tiempo de ida y vuelta se puede convertir en una estimación de distancia precisa. Repita este proceso en una cuadrícula 2D y el resultado es una "nube de puntos" 3D que muestra la ubicación de los objetos alrededor de una habitación, calle u otra ubicación.
Un análisis de junio realizado por System Plus Consulting mostró que el lidar del iPad envía luz utilizando una matriz de láser de emisión vertical (VCSEL) fabricada por Lumentum. Luego captura el flashback utilizando una matriz de diodos de avalancha de fotones únicos (SPAD) suministrada por Sony. Explicaré de qué se trata en la siguiente sección.
Encontré la presentación de Apple particularmente interesante porque estaba trabajando en un texto sobre compañías que están usando estas tecnologías (VCSEL y SPAD) para crear un lidar mucho más poderoso para el mercado automotriz. Los láseres de emisión vertical y los diodos de avalancha de fotón único son interesantes porque pueden producirse en masa utilizando técnicas de fabricación de semiconductores convencionales. Por lo tanto, el beneficio surge de los enormes ahorros en la producción de alto volumen. A medida que crece la adopción de sensores láser verticales, su calidad aumentará (y el precio disminuirá).
Las dos empresas que trabajan en lidar láser vertical de alta gama (Ouster e Ibeo) ya están recibiendo más apoyo que la mayoría de los actores en el mercado lidar ajustado. La decisión de Apple de adoptar esta tecnología (y la posibilidad de que otros fabricantes de teléfonos inteligentes sigan el ejemplo de Apple) les proporcionará un viento de cola en los próximos años.
Los láseres verticales permitieron a Apple crear lidares muy simples
Velodyne fue pionera en el mercado lidar con un sensor de 64 láseres
Velodyne introdujo el primer lidar 3D hace más de diez años. El dispositivo giratorio costó alrededor de $ 75,000 y era significativamente más grande que un teléfono inteligente. Apple tuvo que fabricar lidars más baratos y más pequeños para que pudieran caber en los iPhones, y los láseres de emisión vertical le permitieron a la compañía hacer precisamente eso.
¿Qué es un láser de rayo vertical? Si crea un láser utilizando métodos tradicionales de fabricación de semiconductores, tiene dos tecnologías principales. Puede hacer que el láser emita luz desde el costado del sustrato (estos se denominan láseres emisores de bordes) o desde la parte superior (láseres emisores de superficie de cavidad vertical - VCSEL).
Los láseres de haz terminal han sido tradicionalmente más potentes. Los láseres verticales se han utilizado durante décadas en dispositivos que van desde ratones ópticos hasta transmisores de red. Se creía que no eran adecuados para soluciones de alta tecnología donde se requerían grandes haces de luz, pero la tecnología se desarrolló y los láseres de emisión vertical se volvieron más poderosos.
Por lo general, se requiere una pequeña muesca en la placa para exponer un emisor láser de haz final. Esto aumenta el costo y la complejidad del proceso de fabricación y limita el número de láseres que se pueden colocar en una sola placa. A su vez, los láseres de emisión vertical emiten luz perpendicular a la placa, por lo que no es necesario cortarlos o embalarlos individualmente. Por lo tanto, un chip puede contener cientos (o incluso miles) de láseres de emisión vertical. En general, cuando se produce a gran escala, un circuito integrado con miles de láseres de emisión vertical no puede costar más que unos pocos dólares.
Lo mismo ocurre con los diodos de avalancha de fotón único. Como sugiere su nombre, son lo suficientemente sensibles como para detectar un solo fotón. Alta sensibilidad significa que sufren de ruido. Para utilizar estos diodos en dispositivos como lidars, se requiere un posprocesamiento complejo. La gran ventaja de los diodos de avalancha de fotón único es que, al igual que los láseres de emisión vertical, pueden fabricarse utilizando tecnologías convencionales y miles de estos diodos pueden colocarse en un solo chip.
La combinación de láseres verticales y diodos de avalancha de fotón único puede simplificar significativamente el diseño del lidar. El lidar 3D original de Velodyne contenía 64 láseres empaquetados individualmente en una configuración giratoria. Cada láser tenía un detector correspondiente. La complejidad de este diseño y la necesidad de ajustar con precisión cada láser fue una de las razones por las que Velodyne era tan caro.
Recientemente, algunas empresas han experimentado con el uso de pequeños espejos para "dirigir" el rayo láser de acuerdo con un patrón de exploración dado. En este diseño, solo un láser es suficiente, pero aún necesita una parte móvil.
A su vez, Apple, Ouster e Ibeo fabrican lidares sin partes móviles. Los lidars de chip con cientos / miles de láseres de emisión vertical pueden usar láseres separados para cada punto en el campo de visión del sensor. Y debido a que todos estos láseres están preempaquetados en un solo chip, estos dispositivos son mucho más fáciles de ensamblar que los lidars de Velodyne.
Los últimos iPhones utilizaron otro sensor 3D llamado TrueDepth Camera para habilitar FaceID. Según los informes, el módulo también utilizó una matriz de láseres de emisión vertical de Lumentum. El principio de funcionamiento de TrueDepth es proyectar 30.000 puntos en la cara del usuario para formar un modelo tridimensional y comparar el modelo guardado con el recibido (teniendo en cuenta sus deformaciones).
El lidar del iPad proyecta muchos menos puntos que la cámara TrueDepth. El video de iFixIt, capturado con una cámara de infrarrojos, mostró al lidar proyectando una cuadrícula de varios cientos de píxeles. Al mismo tiempo, si el sensor TrueDepth reconoció la profundidad en función de la forma de la luz que cae sobre el rostro de la persona, entonces el lidar del iPad mide la distancia directamente, cronometrando el tiempo que tarda la luz en volar hacia el objeto y volver. Es probable que este enfoque proporcione una mayor precisión de medición de profundidad y también aumente el rango del sensor.
Los lidars de mayor potencia también utilizan láseres de emisión vertical (VCSEL) y diodos de avalancha de fotón único (SPAD)
Lidars Ouster OS-1 y OS-2 El
rendimiento de los lidars de Apple es mucho menor que el de los sensores de gama alta producidos por las empresas lidar. Velodyne, la compañía que lanzó el primer lidar 3D, afirma que su sensor puede operar a 200 metros, mientras que el sensor de Apple funciona a 5 metros.
Muchos lidars que utilizan láseres de emisión vertical son más potentes que los sensores utilizados en los dispositivos Apple. Por ejemplo, el lidar más potente de Ouster basado en láseres VCSEL cuenta con un alcance de unos 100 metros con una reflectividad del 10 por ciento.
Todos los sensores de corriente de Ouster son similares a los dispositivos rotativos de Velodyne. Usan chips que tienen de 16 a 128 láseres de emisión vertical; estos chips se instalan en columnas sobre una base giratoria. La simplicidad de este diseño de una pieza ha permitido a Ouster reducir el precio de sus dispositivos y convertirse en uno de los mayores competidores de Velodyne. Sin embargo, estos sensores aún cuestan miles de dólares, demasiado caros para su uso en automóviles, y mucho menos en teléfonos inteligentes.
La semana pasada, Ouster anunció planes para lanzar un nuevo lidar de estado sólido sin partes móviles. En lugar de alinear entre 16 y 128 láseres, el nuevo dispositivo de Ouster utilizará 20.000 láseres de emisión vertical dispuestos en una cuadrícula bidimensional.
Ibeo está siguiendo una estrategia similar y podría superar a Ouster. Ibeo ha desarrollado el primer lidar entregado al mercado masivo: el sensor para el Audi A8. Era un dispositivo absolutamente primitivo con una resolución de solo 4 líneas verticales. Actualmente, la compañía está desarrollando un nuevo dispositivo llamado IbeoNext. Este modelo tendrá una cuadrícula láser de 128 x 80 píxeles, un poco más pequeña que el sensor proyectado de Ouster, pero significativamente más grande que los últimos dispositivos de Ibeo. La compañía afirma que su nuevo sensor tendrá un alcance de 150 metros y una reflectividad del 10 por ciento.
El último jugador que vale la pena mencionar es Sense Photonics, la compañía de la que hablamos en enero.... Al igual que las otras empresas de las que hemos hablado, Sense utiliza láseres de emisión vertical y diodos de avalancha de fotón único en sus lidares. Al mismo tiempo, cuando trabajan con láseres Sense, utilizan una tecnología llamada impresión por microtransferencia. Con su ayuda, los láseres pueden consumir más energía, no sobrecalentarse y permanecer seguros para los ojos humanos. Hasta ahora, los dispositivos de Sense no han sido de muy largo alcance, pero la directora ejecutiva Shauna McIntyre le dijo a Ars que la compañía está buscando desarrollar un sensor que funcione con un alcance de 200 metros, un dispositivo que Sense anunciará a principios de 2021.
Lidars pronto irrumpirá en el mercado de la automoción
Lidar de Ibeo
Ibeo, Sense y Ouster están lanzando nuevos modelos de bajo costo ya que esperan un aumento en la demanda de la industria automotriz. Lidars puede mejorar significativamente los sistemas ADAS.
Por ejemplo, muchos creen que Tesla tiene algunos de los sistemas ADAS más avanzados de la industria. Al mismo tiempo, la empresa tiene un problema constante: sus coches chocan contra objetos estacionarios, a veces con consecuencias fatales. Los lidars son mejores para detectar objetos estacionarios que las cámaras y los radares, lo que significa que la introducción de lidars puede prevenir muchos accidentes, lo que hace que los sistemas ADAS sean más útiles para los conductores.
Hasta ahora, se pensaba que los lidars eran demasiado caros para el mercado automotriz, pero esto está cambiando. Algunas compañías prometen lanzar lidars por menos de $ 1,000 en los próximos años.
Ouster planea preparar su sensor ES2 para la producción en masa para la industria automotriz en 2024. La compañía dice que el dispositivo
comenzará en $ 600 inicialmente y bajará a $ 100 en el futuro. Ibeo no ha anunciado un precio para el IbeoNext, pero la compañía dice que ya ha llegado a un acuerdo con Great Wall Motors (un importante fabricante de automóviles en China) para comenzar la producción en serie en 2022. año.
Las empresas que no utilizan láseres de luz vertical también han acudido en masa a este mercado. Una de las empresas más destacadas de este grupo es Luminar, que anunció una asociación con Volvo en mayo. Volvo planea lanzar automóviles con Luminar lidar en 2022.
Todos estos diseños tienen sus propias fortalezas y debilidades (y diferentes). Hasta ahora, Luminar cuenta con un alcance significativo, hasta 250 metros. Quizás esto se deba a que Luminar usa láseres con una longitud de onda de 1550 nm, que está mucho más allá del rango de luz visible. El líquido en el ojo humano es impermeable a esa luz, lo que significa que Luminar puede usar láseres potentes que no dañarán los ojos humanos. Además, los lidars Luminar tienen un campo de visión más amplio que los dispositivos éxters.
La pregunta más importante para Luminar es si podrán alcanzar el precio establecido de $ 1,000. Cuando entrevisté a Austin Russell, director ejecutivo de Luminar hace dos años, dijo que Luminar necesitaría “bajar el precio a unos pocos miles” para poder ingresar al mercado masivo. Entonces supuse que el Lidar Luminar valía más que "unos pocos miles". Ahora la empresa afirma que el precio de sus lidars caerá por debajo de los 1.000 dólares.
Ouster e Ibeo no tienen ningún problema en hacer que sus dispositivos sean baratos. Es probable que las empresas tengan problemas para alcanzar los 200 metros, que se cree que son necesarios para operar a velocidades de autopista.
“Los láseres de emisión vertical son inferiores en brillo a los utilizados en los lidars convencionales”, me dijo el CEO de Ouster, Angus Pakala. "Si crea un modelo de física, conecta un diodo de avalancha de fotón único y un láser de emisión vertical, el resultado es un rendimiento deficiente". Sin embargo, Pakala dijo que Ouster ha desarrollado una serie de "soluciones fundamentales en diferentes niveles" que podrían hacer que la combinación funcione. Pakala dijo que estas soluciones incluyen la supresión "excepcional" de la luz fuera de rango y "colocar dispositivos de procesamiento de señales cerca de diodos" para ayudar a distinguir la luz láser que regresa del ruido.
Así, en los próximos años, Ouster, Ibeo y Sense se enfrentarán a un gran desafío: desarrollar el rendimiento de la combinación de láseres de emisión vertical y diodos de avalancha de fotón único hasta tal punto que sus dispositivos puedan operar con un alcance de 200 metros. Si logran resolver este problema, entonces el bajo costo y la simplicidad de los chips darán a estas empresas una ventaja decisiva. Si fallan, pueden bajar a un nivel más bajo de este mercado.
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