
Como a Apple criou lidares para iPhone acessíveis sem peças móveis
Na apresentação do iPhone 12 na terça-feira, a Apple revelou os novos recursos lidar. De acordo com a Apple, lidar vai melhorar a câmera do iPhone tornando o foco mais rápido, especialmente em condições de pouca luz. Talvez assim apareça uma nova geração de aplicativos sofisticados de RA.
Na terça-feira, a apresentação cobriu como funciona o lidar no iPhone, embora este não seja o primeiro dispositivo com lidar da Apple. A empresa revelou pela primeira vez um dispositivo usando essa tecnologia em março com um iPad atualizado. E embora ninguém tenha tido tempo de desmontar o iPhone 12 ainda, podemos aprender muito com a recente desmontagem do último iPad.
O princípio do lidar é que ele envia luz laser e mede quanto tempo leva para retornar. Como a luz viaja a uma velocidade constante, o tempo de ida e volta pode ser convertido em uma estimativa de distância precisa. Repita esse processo em uma grade 2D, e o resultado é uma "nuvem de pontos" 3D mostrando a localização dos objetos ao redor de uma sala, rua ou outro local.
Uma análise feita em junho pela System Plus Consulting mostrou que o lidar do iPad envia luz usando um array laser de emissão vertical (VCSEL) fabricado pela Lumentum. Em seguida, ele captura o flashback usando uma matriz de diodo de avalanche de fóton único (SPAD) fornecida pela Sony. Explicarei o que é na próxima seção.
Achei a apresentação da Apple particularmente interessante porque estava trabalhando em um texto sobre empresas que estão usando essas tecnologias (VCSEL e SPAD) para criar um lidar muito mais poderoso para o mercado automotivo. Lasers de emissão vertical e diodos de avalanche de fóton único são interessantes porque podem ser produzidos em massa usando técnicas convencionais de fabricação de semicondutores. Assim, o benefício decorre da enorme economia na produção de alto volume. Conforme a adoção de sensores laser verticais cresce, sua qualidade aumentará (e o preço diminuirá).
As duas empresas que trabalham com lidar com laser vertical de ponta (Ouster e Ibeo) já estão obtendo mais suporte do que a maioria dos concorrentes no mercado de lidar. A decisão da Apple de adotar essa tecnologia (e a possibilidade de que outros fabricantes de smartphones sigam o exemplo da Apple) irá fornecer-lhes uma vantagem nos próximos anos.
Lasers verticais permitiram que a Apple criasse lidars muito simples

A Velodyne foi pioneira no mercado de lidar com o sensor de 64 laser.
O primeiro lidar 3D foi apresentado pela Velodyne há mais de dez anos. O dispositivo rotativo custava cerca de US $ 75.000 e era significativamente maior do que um smartphone. A Apple teve que tornar os lidars mais baratos e menores para que pudessem caber em iPhones, e os lasers de emissão vertical permitiam que a empresa fizesse exatamente isso.
O que é um laser vertical? Se você criar um laser usando métodos tradicionais de fabricação de semicondutores, terá duas tecnologias principais. Você pode fazer um laser que emita luz do lado do substrato (esses são chamados de lasers de emissão de borda) ou de cima (lasers de emissão de superfície da cavidade vertical - VCSELs).
Os lasers emissores de borda são tradicionalmente mais poderosos. Lasers verticais têm sido usados há décadas em dispositivos que variam de mouses ópticos a transmissores de rede. Acreditava-se que eles não eram adequados para soluções de alta tecnologia onde grandes feixes de luz eram necessários, mas a tecnologia desenvolvida e os lasers emissores verticais tornaram-se mais poderosos.
Geralmente, é necessário um pequeno entalhe na placa para expor um emissor de laser de feixe final. Isso aumenta o custo e a complexidade do processo de fabricação e limita o número de lasers que podem ser colocados em uma única placa. Por sua vez, os lasers emissores verticais emitem luz perpendicularmente à placa, por isso não precisam ser cortados ou embalados individualmente. Assim, um chip pode conter centenas (ou mesmo milhares) de lasers emissores verticais. Em geral, quando produzido em grande escala, um CI com milhares de lasers emissores verticais pode custar não mais do que alguns dólares.
É o mesmo com diodos de avalanche de fóton único. Como o nome sugere, eles são sensíveis o suficiente para detectar um único fóton. Alta sensibilidade significa que sofrem com o ruído. Para usar esses diodos em dispositivos como lidars, é necessário um pós-processamento complexo. A grande vantagem dos diodos de avalanche de fóton único é que, como os lasers de emissão vertical, eles podem ser fabricados com tecnologias convencionais, e milhares desses diodos podem ser colocados em um único chip.
A combinação de lasers verticais e diodos de avalanche de fóton único pode simplificar significativamente o projeto do lidar. O lidar 3D original do Velodyne continha 64 lasers embalados individualmente em uma configuração rotativa. Cada laser tinha um detector correspondente. A complexidade desse design e a necessidade de encaixar precisamente cada laser foram alguns dos motivos pelos quais o Velodyne foi tão caro.
Recentemente, algumas empresas experimentaram o uso de pequenos espelhos para "direcionar" o feixe de laser de acordo com um determinado padrão de varredura. Neste projeto, apenas um laser é suficiente, mas ainda precisa de uma parte móvel.
Por sua vez, Apple, Ouster e Ibeo fazem lidars sem partes móveis. Os chips lidars com centenas / milhares de lasers de emissão vertical podem usar lasers separados para cada ponto no campo de visão do sensor. E como todos esses lasers são pré-embalados em um único chip, esses dispositivos são muito mais fáceis de montar do que os lidars do Velodyne.
Os iPhones mais recentes usavam outro sensor 3D chamado TrueDepth Camera para habilitar o FaceID. O módulo também supostamente usou uma matriz de emissão vertical de lasers da Lumentum. O princípio de funcionamento do TrueDepth é projetar 30.000 pontos na face do usuário para formar um modelo tridimensional e comparar o modelo salvo com o recebido (levando em consideração suas deformações).
O lidar no iPad projeta muito menos pontos do que a câmera TrueDepth. O vídeo do iFixIt, capturado com uma câmera infravermelha, mostrou o lidar projetando uma grade de várias centenas de pixels. Ao mesmo tempo, se o sensor TrueDepth reconheceu a profundidade com base no formato da luz que incide sobre o rosto da pessoa, o lidar no iPad mede a distância diretamente, cronometrando o tempo que leva para a luz voar até o objeto e voltar. É provável que esta abordagem forneça uma maior precisão de medição de profundidade e também aumenta o alcance do sensor.
Lidars de alta potência também usam lasers emissores verticais (VCSELs) e diodos de avalanche de fóton único (SPADs)

Ouster OS-1 e OS-2 Lidars O
desempenho dos lidars da Apple é muito menor do que os sensores de ponta produzidos por empresas lidar. A Velodyne, a empresa que lançou o primeiro lidar 3D, afirma que seu sensor pode operar a 200 metros, enquanto o sensor da Apple funciona a 5 metros.
Muitos lidars que usam lasers de emissão vertical são mais poderosos do que os sensores usados em dispositivos Apple. Por exemplo, o lidar mais poderoso de Ouster baseado em lasers VCSEL possui um alcance de cerca de 100 metros a 10 por cento de refletividade.
Todos os sensores de corrente da Ouster são semelhantes aos dispositivos rotativos da Velodyne. Eles usam chips que têm de 16 a 128 lasers de emissão vertical - esses chips são instalados em colunas em uma base giratória. A simplicidade desse design de uma peça única permitiu à Ouster reduzir o preço de seus dispositivos e se tornar um dos maiores concorrentes do Velodyne. No entanto, esses sensores ainda custam milhares de dólares - caros demais para uso em carros, quanto mais em smartphones.
Na semana passada, Ouster anunciou planos de lançar um novo lidar de estado sólido sem peças móveis. Em vez de alinhar de 16 a 128 lasers, o novo dispositivo de Ouster usará 20.000 lasers emissores verticais dispostos em uma grade bidimensional.
Ibeo está perseguindo uma estratégia semelhante e pode superar o Ouster. A Ibeo desenvolveu o primeiro lidar já entregue ao mercado de massa - o sensor para o Audi A8. Era um dispositivo absolutamente primitivo com resolução de apenas 4 linhas verticais. A empresa está desenvolvendo um novo dispositivo chamado IbeoNext. Este modelo terá uma grade de laser de 128 x 80 pixels - um pouco menor do que o sensor projetado da Ouster, mas significativamente maior do que os dispositivos mais recentes da Ibeo. A empresa afirma que seu novo sensor terá um alcance de 150 metros e 10 por cento de refletividade.
O último jogador que vale a pena mencionar é a Sense Photonics, a empresa da qual falamos em janeiro... Como as outras empresas das quais falamos, a Sense usa lasers de emissão vertical e diodos de avalanche de fóton único em seus lidars. Ao mesmo tempo, ao trabalhar com lasers Sense, eles usam uma tecnologia chamada impressão de microtransferência. Com sua ajuda, os lasers podem consumir mais energia, não superaquecer e permanecer seguros para os olhos humanos. Até agora, os dispositivos da Sense não têm alcance muito longo, mas o CEO Shauna McIntyre disse a Ars que a empresa está procurando desenvolver um sensor que funcione com um alcance de 200 metros - o dispositivo Sense anunciará no início de 2021.
Lidars logo entrará no mercado automotivo

Lidar da Ibeo
Ibeo, Sense e Ouster estão lançando novos modelos de baixo custo, pois esperam um aumento na demanda da indústria automotiva. Lidars pode melhorar significativamente os sistemas ADAS.
Por exemplo, muitos acreditam que a Tesla tem alguns dos sistemas ADAS mais avançados do setor. Ao mesmo tempo, a empresa tem um problema constante - seus carros batem em objetos imóveis, às vezes com consequências fatais. Lidars são melhores na detecção de objetos fixos do que câmeras e radares, o que significa que a introdução de lidars pode prevenir muitos acidentes, tornando os sistemas ADAS mais úteis para os motoristas.
Até agora, os lidars eram considerados caros demais para o mercado automotivo, mas isso está mudando. Várias empresas estão prometendo lançar lidars por menos de US $ 1.000 nos próximos anos.
A Ouster planeja preparar seu sensor ES2 para produção em massa para a indústria automotiva em 2024. A empresa diz que o dispositivo
começará em US $ 600 inicialmente e cairá para US $ 100 no futuro. A Ibeo não anunciou um preço para o IbeoNext, mas a empresa diz que já fechou um acordo com a Great Wall Motors (um grande fabricante de automóveis na China) para iniciar a produção em série em 2022. ano.
Empresas que não usam lasers leves verticais também migraram para esse mercado. Uma das empresas mais proeminentes neste pool é a Luminar, que anunciou uma parceria com a Volvo em maio. A Volvo planeja lançar carros com Luminar lidar em 2022.
Todos esses projetos têm seus próprios pontos fortes e fracos (e diferentes). Até agora, o Luminar possui um alcance significativo - até 250 metros. Talvez seja porque o Luminar usa lasers com comprimento de onda de 1550 nm, que está muito além da faixa de luz visível. O líquido no olho humano é impermeável a essa luz, o que significa que o Luminar pode usar lasers poderosos que não farão mal aos olhos humanos. Além disso, os lidars Luminar têm um campo de visão mais amplo do que os dispositivos Ouster.
A maior dúvida para a Luminar é se ela conseguirá atingir o preço declarado de US $ 1.000. Quando entrevistei Austin Russell, CEO da Luminar há dois anos, ele disse que a Luminar precisaria “baixar o preço para alguns milhares” para entrar no mercado de massa. Eu então presumi que o Luminar lidar valia mais do que "alguns milhares". Agora, a empresa afirma que o preço de seus lidars cairá para menos de US $ 1.000.
Ouster e Ibeo não têm problemas em tornar seus dispositivos baratos. As empresas provavelmente terão problemas para chegar a 200 metros, o que se acredita ser necessário para operar em velocidades de rodovia.
“Lasers de emissão vertical são inferiores em brilho aos usados em lidars convencionais”, disse-me o CEO da Ouster, Angus Pakala. "Se você criar um modelo físico, conectar um diodo de avalanche de fóton único e um laser de emissão vertical, o resultado é um desempenho ruim." No entanto, Pakala disse que Ouster desenvolveu uma série de “soluções fundamentais em diferentes níveis” que poderiam fazer a combinação funcionar. Pakala disse que essas soluções incluem supressão "excepcional" de luz fora de alcance e "colocação de dispositivos de processamento de sinal perto de diodos" para ajudar a distinguir o retorno da luz do laser do ruído.
Assim, nos próximos anos, Ouster, Ibeo e Sense terão um grande desafio: desenvolver a performance da combinação de lasers emissores verticais e diodos de avalanche de fóton único, de forma que seus dispositivos possam operar com alcance de 200 metros. Se conseguirem resolver esse problema, o baixo custo e a simplicidade dos chips darão a essas empresas uma vantagem decisiva. Se falharem, podem descer a um nível inferior desse mercado.
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