成本曾高达 7 万多美元的 LiDAR

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编者按:精确及时探测目标少不了激光雷达。但是这个玩意儿太贵,一般人都装不起。但苹果在最近推出的iPhone 12系列智能手机上却配置了激光雷达。它是怎么做到的呢?这成本是怎么压下来的?那激光雷达常见的活动件是如何消失的?TimoTHY B. LEE对激光雷达的近期发展进行了分析。原文标题是:Lidar used to cost $75,000—here’s how Apple brought it to the iPhone

成本曾高达 7 万多美元的 LiDAR

划重点:

苹果的激光雷达采用了Lumentum的VCSEL和索尼的SPAD

VCSEL帮助苹果极大地简化了激光雷达

功能更强大的激光雷达也用了VCSEL和SPAD

激光雷达即将打入汽车市场

在最近的iPhone 12发布会上,苹果高调展示了自己的新型激光雷达传感器的能力。苹果表示,通过实现更快速的对焦,尤其是在弱光条件下的聚焦,激光雷达可以增强iPhone相机的能力。而且这还可以让新一代更加复杂的增强现实app的开发成为可能。

关于iPhone配置的激光雷达,苹果最近在发布会上几乎没有提供有关其实际工作原理的任何详细信息,但这其实并不是苹果推出的第一款带有激光雷达的设备。苹果公司曾在今年三月在更新版的iPad上首次引入了这项技术。尽管还没有人拆解过iPhone 12,但我们可以从最近对iPad拆解中了解到很多东西。

激光雷达的工作原理是发射激光束然后测量反射回来所需的时间。因为光总是以恒定的速度传播的,所以其往返时间可以转换为精确的距离估计。如果在二维的网格上重复这一过程的话,其结果就是一个三维个“点云”,可以展示对象在房间、街道或其他空间的相对位置。

System Plus Consulting在今年6月的一项分析中发现,iPad的激光雷达其实用的是Lumentum制造的一系列垂直腔面发射激光器(VCSEL)来发射光束。然后,再利用Sony提供的所谓单光子雪崩二极管(SPAD)的一组传感器来检测返回的光束。我会在下一章节解释这些东西是什么。

我发现苹果的公告特别有趣,因为我一直在写的一篇文章讲到的其实是一样的技术组合(VCSEL激光+SPAD探测器),只不过那些公司开发的激光雷达是针对汽车市场的,功能更加强大。VCSEL和SPAD的一大卖点是可以利用常规的半导体制造技术来制造。其结果是,两者均可受益于半导体行业庞大的规模经济。随着基于VCSEL的传感器变得越来越普遍,这些传感器可能也会慢慢变得越来越便宜,越来越好。

在从事VCSEL型激光雷达公司里面,有两家做高端的公司(Ouster和Ibeo)已经在拥挤的激光雷达市场当中脱颖而出,展现出更大的发展势头。苹果做出采用该技术的决策,以及其他智能手机厂商也许会效仿苹果的可能性,会在未来几年为这项技术提供良好的发展动力。

VCSEL帮助苹果极大地简化了激光雷达

成本曾高达 7 万多美元的 LiDAR

Velodyne早期的64线激光雷达是激光雷达的先驱。

Velodyne在十多年前推出了首个三维的激光雷达传感器。这个自旋的部件成本大约需要75000美元,远远超过了一部智能手机的价格。苹果必须让激光雷达传感器价格低得多,尺寸小得多,才能让每部iPhone都能配置一个这样的东西,VCSEL帮助该公司做到了这一点。

那么,什么是VCSEL?如果要用常规的半导体制造技术来制造激光器的话,你有两个基本选择。一是可以制造一种将光从晶片侧面发射出去的激光器(称为边缘发射激光器),也可以从顶部发射出去(垂直腔表面发射激光器或VCSEL)。

传统上,边缘发射激光器一直是更强大的那个。从光学鼠标到光学网络设备,VCSEL已经用了数十年。传统上VCSEL并不适合需要发射大量光线的高端应用,但是随着技术走向成熟,VCSEL也开始变得越来越强大。

制造边缘发射激光器一般需要对晶圆进行切割,把发射器暴露出来。但这增加了制造过程的成本和复杂性,并且限制了可以在一片晶圆上制造的激光器的数量。相比之下,VCSEL的发射光是垂直于晶片的,所以不需要一个个地切割或封装。这意味着单个硅芯片可以容纳数十个,数百个甚至数千个VCSEL。从原则上来说,在大规模生产的时候,有数千个VCSEL的芯片的成本不应超过几美元。

这个故事跟单光子雪崩二极管类似。顾名思义,这种二极管的感光度足以检测单个的光子。但高灵敏度也意味着很容易吸收大量噪音。其结果是,这种二极管运用到激光雷达等应用时需要进行复杂的后处理。但是SPAD的一大优势是,就像VCSEL一样,SPAD也可以利用常规的半导体技术制造,并且可以把数千个封装在一个芯片上。

VCSEL和SPAD的组合可极大简化传统激光雷达的设计。Velodyne原创的三维激光雷达是在旋转的万向架上依次排列安装64个独立包装的激光器。每个激光器都要对应配置一个探测器。这种设计很复杂,再加上每个激光器都要跟对应的探测器进行精确对准,是导致Velodyne早期的激光雷达装置如此昂贵的原因之一。

最近,很多公司开始尝试利用小镜子用一种扫描的模式来“操纵”激光束。这种设计就只需要一个激光器而不是64个。但是仍然至少需要一个活动件。

相比之下,苹果、Ouster以及Ibeo制造的是完全没有活动件的激光雷达传感器。当一颗芯片有成百上千的激光器时,基于VCSEL的激光雷达可以为激光雷达视场中的每一点配备专用的激光。而且由于所有这些激光器都预先封装在一颗芯片上,所以它的组装要比Velodyne典型的旋转设计简单得多

最近,iPhone又配备了叫做TrueDepth相机的3-D传感器。这种传感器启用了Apple的FaceID功能。据报道,它也利用了Lumentum提供的一系列VCSEL 。TrueDepth的工作原理是把超过30000点的网格投影到对象的脸上,然后根据网格模式变形的方式估算用户面部的三维形状。

iPad的激光雷达传感器投射的激光点要比TrueDepth相机少很多。iFixIt用红外摄像机拍摄的一段视频显示,其激光雷达投射的栅格只有几百个像素。不过,TrueDepth是根据落在对象脸上的光线组成的形状来测算深度的,而iPad的激光雷达传感器则通过测量光线从物体反射并返回相机所需的时间来直接测量距离的。这种做法得到的上年度测量精度也许会更好,而且支持的范围更广。

功能更强大的激光雷达也用了VCSEL和SPAD

成本曾高达 7 万多美元的 LiDAR

Ouster的旋转传感器。

苹果的激光雷达在性能上要远远落后于专业激光雷达公司出售的高端传感器。发明了三维激光雷达的Velodyne宣称,其最强大的激光雷达探测范围可达200多米,而苹果的传感器的探测范围大概只有5米。

其他一些基于VCSEL的激光雷达也比苹果的激光雷达要强大得多。比方说,Ouster最强大的VCSEL型激光雷达的测距范围有100米左右,可探测反射率达10%的物体。

Ouster目前的传感器均为Velodyne式的旋转部件。它们在一个芯片上集成了16到128个VCSEL,然后把该芯片垂直安装到像Velodyne一样的旋转万向架装置上。这种固态设计的简洁性让Ouster可以在价格上击败Velodyne ,并成为Velodyne的最大竞争对手之一。但是,这些出自Ouster的旋转激光雷达传感器售价仍然要数千美元,就算安装在主流车型上使用都算是太贵了,智能手机就更不用说了。

上周,Ouster发布了一项计划,打算退出没有任何活动件的新型固态激光雷达。跟Ouster当前一排布置16到128个激光器的激光雷达不同,Ouster的这款新产品将按照二维网格部署总共2万多个VCSEL。

Ibeo也在采取类似的战略,并且有可能会比Ouster领先一步。Ibeo设计出了有史以来第一款可部署在量产车型(奥迪A8)上的激光雷达。不过那款激光雷达很很简单,只有四行的垂直分辨率。不过Ibeo现在正在开发一种名为ibeoNext的新型号,该新产品将具有128 x 80像素的激光栅格,比Ouster计划要推出的传感器小一点,但比Ibeo过去的产品要大得多。Ibeo称,其传感器的测量范围将达到150米,反射率达到10%。

在这里还有最后一个竞争对手值得一提,那就是Sense Photonics,我们曾在一月份进行过介绍。就像我们讨论过的其他公司一样,Sense也在自己的激光雷达上采用了VCSEL和SPAD。但是,Sense还采用了一种名为微转印(Micro Transfer Print)的技术来散射激光。这使得激光器可以支持更大功率有不会遇到发热和眼睛安全问题。到目前为止,Sense的激光雷达的测距还不算长,但是Sense CEO Shauna McIntyre称,该公司的目标是2021年初即将推出的传感器实现200米的探测距离。

激光雷达即将打入汽车市场

成本曾高达 7 万多美元的 LiDAR

IbeoNext的激光雷达

Ibeo ,Sense和Ouster都在推出新的低成本设计,因为他们均预期汽车行业的需求会激增。激光雷达传感器可以极大改善车辆的高级驾驶员辅助系统(ADAS)。

比方说,很多人都认为Tesla拥有业界最先进的ADAS系统之一。但是该公司在静态物体的识别上一直存在问题,时不时会撞上,有时还会造成致命后果。在检测静止物体方面激光雷达要优于相机或雷达,所以,在汽车上增加激光雷达可以防止很多此类碰撞的发生,同时也会让ADAS系统对驾驶员更加便利。

到目前为止,对汽车市场来说激光雷达还是太贵了,但是这种情况正在开始改变,多家公司都承诺激光雷达传感器的价格在未来几年内将低于1000美元。

Ouster的目标是到2024年为汽车的批量制造准备好ES2传感器。该公司表示,第一批的生产价格将为600美元,但随后几年价格将逐渐降至100美元。

Ibeo还没有宣布IbeoNext的价格 ,但该公司表示,它已经跟中国的长城汽车签订交易, 2022年开始批量生产。

采用非VCSEL激光雷达设计的公司也正在涌入这个市场。Luminar就是其中最著名的公司之一。今年5月,该公司宣布跟沃尔沃达成交易。沃尔沃的目标是在2022年推出配备了Luminar激光雷达的汽车。

这些设计各有自己的优缺点。到目前为止,Luminar的激光雷达拥有更远的探测距离——远达250米。这是有可能的,因为Luminar用的是波长为1550nm的激光——这种激光已经远远超出可见光的范围了。人眼的液体对于1550nm的光来说是不透明的,这意味着Luminar的激光雷达可以采用更大的激光功率,而不会对眼睛安全造成危害。Luminar的激光雷达还提供的视野也比Ouster的更大。

Luminar最大的问题是能不能达到自己设定的1000美元价格目标。两年前,当我采访Luminar CEO Austin Russel时,他说Luminar需要把价格“降到小几千”的水平才能进入大众市场。我认为这意味着Luminar当时的激光雷达成本超过了“小几千”美元。但是Luminar现在说,自己有望在未来几年内把成本压到1000美元以下。

相比之下,Ouster和Ibeo降低激光雷达价格应该不会有太多的麻烦。他们面临的最大挑战也许是实现200米的探测距离,这个距离往往被认为是在高速公路上实现自动驾驶所必需的。

2018年的时候,Ouster CEO Angus Pacala曾告诉我:“跟传统的激光雷达相比,VCSEL不算是亮度很强的激光器。如果制作嵌入SPAD阵列和VCSEL阵列的物理模型的话,性能会变得很差。” 但是,Pacala说,Ouster “在许多不同层面上提出了一些基本的IP”来让这种组合行得通。Pacala说,这包括对带外光线的“异常”抑制,以及“紧跟着SPAD直接进行大量信号处理”,从而帮助区分返回的激光闪光和环境噪声。

因此,Ouster ,Ibeo和Sense在未来几年将面临的最大挑战是,要充分提高VCSEL和SPAD组合的性能,以实现其他类型的激光雷达所吹捧的200米探测距离。如果他们能够做到的话,那么半导体芯片的低成本和简单性可能会给它们带来决定性的优势。如果不能,则它们可能会降级到较低的市场。

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