Comment Apple a fabriqué des lidars iPhone abordables sans pièces mobiles
Lors de la présentation de l'iPhone 12 mardi, Apple a dévoilé les nouvelles capacités lidar. Selon Apple, le lidar améliorera l'appareil photo de l'iPhone en accélérant la mise au point, en particulier dans des conditions de faible luminosité. Peut-être que de cette manière une nouvelle génération d'applications de RA sophistiquées apparaîtra.
Mardi, la présentation a couvert le fonctionnement du lidar sur l'iPhone, bien que ce ne soit pas le premier appareil doté du lidar d'Apple. La société a dévoilé pour la première fois un appareil utilisant cette technologie en mars avec un iPad mis à jour. Et si personne n'a encore eu le temps de démonter l'iPhone 12, nous pouvons apprendre beaucoup du récent démontage du dernier iPad.
Le principe du lidar est qu'il envoie une lumière laser et mesure le temps de retour. Comme la lumière se déplace à une vitesse constante, le temps d'aller-retour peut être converti en une estimation précise de la distance. Répétez ce processus sur une grille 2D et le résultat est un "nuage de points" 3D montrant l'emplacement des objets autour d'une pièce, d'une rue ou d'un autre emplacement.
Une analyse réalisée en juin par System Plus Consulting a montré que le lidar de l'iPad envoie de la lumière à l'aide d'un réseau laser à émission verticale (VCSEL) fabriqué par Lumentum. Il capture ensuite le flashback à l'aide d'un seul réseau de diodes à avalanche de photons (SPAD) fourni par Sony. J'expliquerai ce que c'est dans la section suivante.
J'ai trouvé la présentation d'Apple particulièrement intéressante car je travaillais sur un texte sur les entreprises qui utilisent ces technologies (VCSEL et SPAD) pour créer un lidar beaucoup plus puissant pour le marché automobile. Les lasers à émission verticale et les diodes à avalanche à photon unique sont intéressants en ce qu'ils peuvent être produits en série en utilisant des techniques de fabrication de semi-conducteurs classiques. Ainsi, l'avantage découle des énormes économies réalisées dans la production à grand volume. Au fur et à mesure que l'adoption des capteurs laser verticaux se développe, leur qualité augmentera (et le prix diminuera).
Les deux sociétés travaillant sur le lidar laser vertical haut de gamme (Ouster et Ibeo) reçoivent déjà plus de soutien que la plupart des acteurs du marché serré du lidar. La décision d'Apple d'adopter cette technologie (et la possibilité que d'autres fabricants de smartphones suivent l'exemple d'Apple) leur offrira un vent favorable dans les années à venir.
Les lasers verticaux ont permis à Apple de créer des lidars très simples
Velodyne a été le pionnier du marché du lidar avec un capteur à 64 lasers
Le premier lidar 3D a été introduit par Velodyne il y a plus de dix ans. L'appareil rotatif coûtait environ 75 000 $ et était nettement plus gros qu'un smartphone. Apple a dû rendre les lidars moins chers et plus petits pour qu'ils puissent s'intégrer dans les iPhones, et les lasers à émission verticale ont permis à l'entreprise de le faire.
Qu'est-ce qu'un laser à faisceau vertical? Si vous créez un laser en utilisant des méthodes de fabrication traditionnelles de semi-conducteurs, vous disposez de deux technologies principales. Vous pouvez faire en sorte que le laser émette de la lumière depuis le côté du substrat (on les appelle lasers à émission de bord) ou depuis le haut (lasers à émission de surface à cavité verticale - VCSEL).
Les lasers à faisceau d'extrémité sont traditionnellement plus puissants. Les lasers verticaux sont utilisés depuis des décennies dans des appareils allant des souris optiques aux émetteurs réseau. On pensait qu'ils ne convenaient pas aux solutions de haute technologie nécessitant de grands faisceaux lumineux, mais la technologie développée et les lasers à émission verticale sont devenus plus puissants.
Une petite encoche dans la plaque est généralement nécessaire pour exposer un émetteur laser à faisceau d'extrémité. Cela augmente le coût et la complexité du processus de fabrication et limite le nombre de lasers pouvant être placés sur une seule plaque. À leur tour, les lasers à émission verticale émettent de la lumière perpendiculairement à la plaque, de sorte qu'ils n'ont pas besoin d'être coupés ou emballés individuellement. Ainsi, une puce peut contenir des centaines (voire des milliers) de lasers à émission verticale. En général, lorsqu'il est produit à grande échelle, un circuit intégré avec des milliers de lasers à émission verticale ne peut coûter plus que quelques dollars.
C'est la même chose avec les diodes à avalanche à photon unique. Comme leur nom l'indique, ils sont suffisamment sensibles pour détecter un seul photon. Une sensibilité élevée signifie qu'ils souffrent du bruit. Afin d'utiliser de telles diodes dans des dispositifs tels que des lidars, un post-traitement complexe est nécessaire. Le grand avantage des diodes à avalanche à photon unique est que, comme les lasers à émission verticale, elles peuvent être fabriquées en utilisant des technologies conventionnelles, et des milliers de ces diodes peuvent être placées sur une seule puce.
La combinaison de lasers verticaux et de diodes à avalanche à photon unique peut considérablement simplifier la conception du lidar. Le lidar 3D original de Velodyne contenait 64 lasers emballés individuellement sur une configuration rotative. Chaque laser avait un détecteur correspondant. La complexité de cette conception et la nécessité d'adapter précisément chaque laser étaient quelques-unes des raisons pour lesquelles Velodyne était si cher.
Récemment, certaines entreprises ont expérimenté l'utilisation de petits miroirs pour «diriger» le faisceau laser selon un modèle de balayage donné. Dans cette conception, un seul laser suffit, mais il a toujours besoin d'une pièce mobile.
À leur tour, Apple, Ouster et Ibeo fabriquent des lidars sans pièces mobiles. Les lidars à puce avec des centaines / milliers de lasers à émission verticale peuvent utiliser des lasers séparés pour chaque point dans le champ de vision du capteur. Et comme tous ces lasers sont pré-emballés sur une seule puce, ces appareils sont beaucoup plus faciles à assembler que les lidars de Velodyne.
Les derniers iPhones utilisaient un autre capteur 3D appelé TrueDepth Camera pour activer FaceID. Le module aurait également utilisé un réseau de lasers à émission verticale de Lumentum. Le principe de fonctionnement de TrueDepth est de projeter 30 000 points sur le visage de l'utilisateur pour former un modèle tridimensionnel et comparer le modèle enregistré avec celui reçu (en tenant compte de ses déformations).
Le lidar de l'iPad projette beaucoup moins de points que la caméra TrueDepth. La vidéo d'iFixIt, capturée avec une caméra infrarouge, montrait le lidar projetant une grille de plusieurs centaines de pixels. Dans le même temps, si le capteur TrueDepth a reconnu la profondeur en fonction de la forme de la lumière tombant sur le visage de la personne, le lidar de l'iPad mesure directement la distance, en chronométrant le temps nécessaire à la lumière pour voler vers l'objet et revenir. Cette approche est susceptible de fournir une plus grande précision dans la mesure de la profondeur et également d'augmenter la portée du capteur.
Les lidars de puissance plus élevée utilisent également des lasers à émission verticale (VCSEL) et des diodes à avalanche à photon unique (SPAD)
Lidars Ouster OS-1 et OS-2 Les
performances des lidars d'Apple sont bien inférieures à celles des capteurs haut de gamme produits par les sociétés lidar. Velodyne, la société qui a publié le premier lidar 3D, affirme que son capteur peut fonctionner à 200 mètres, tandis que le capteur d'Apple fonctionne à 5 mètres.
De nombreux lidars utilisant des lasers à émission verticale sont plus puissants que les capteurs utilisés dans les appareils Apple. Par exemple, le lidar laser VCSEL le plus puissant d'Ouster offre une portée d'environ 100 mètres à 10% de réflectivité.
Tous les capteurs de courant d'Ouster sont similaires aux appareils rotatifs de Velodyne. Ils utilisent des puces dotées de 16 à 128 lasers à émission verticale - ces puces sont installées en colonnes sur une base rotative. La simplicité de cette conception monobloc a permis à Ouster de réduire le prix de ses appareils et de devenir l'un des plus grands concurrents de Velodyne. Cependant, ces capteurs coûtent toujours des milliers de dollars - trop chers pour une utilisation dans les voitures, sans parler des smartphones.
La semaine dernière, Ouster a annoncé son intention de lancer un nouveau lidar à semi-conducteurs sans pièces mobiles. Plutôt que d'aligner 16 à 128 lasers, le nouvel appareil d'Ouster utilisera 20 000 lasers à émission verticale disposés dans une grille bidimensionnelle.
Ibeo poursuit une stratégie similaire et pourrait surperformer Ouster. Ibeo a développé le tout premier lidar jamais livré sur le marché de masse - le capteur pour l'Audi A8. C'était un appareil absolument primitif avec une résolution de seulement 4 lignes verticales. La société développe actuellement un nouvel appareil appelé IbeoNext. Ce modèle aura une grille laser de 128 x 80 pixels - légèrement plus petite que le capteur projeté d'Ouster, mais nettement plus grande que les derniers appareils d'Ibeo. La société affirme que son nouveau capteur aura une portée de 150 mètres et une réflectivité de 10%.
Le dernier acteur à mentionner est Sense Photonics, la société dont nous avons parlé en janvier.... Comme les autres entreprises dont nous avons parlé, Sense utilise des lasers à émission verticale et des diodes à avalanche à photon unique dans ses lidars. Dans le même temps, lorsqu'ils travaillent avec les lasers Sense, ils utilisent une technologie appelée impression par microtransfert. Avec son aide, les lasers peuvent consommer plus d'énergie, ne pas surchauffer et rester sans danger pour les yeux humains. Jusqu'à présent, les appareils de Sense n'étaient pas à très longue portée, mais le PDG Shauna McIntyre a déclaré à Ars que la société cherchait à développer un capteur qui fonctionne avec une portée de 200 mètres - un appareil que Sense annoncera au début de 2021.
Lidars va bientôt faire irruption sur le marché automobile
Le lidar d'
Ibeo Ibeo, Sense et Ouster lancent de nouveaux modèles à bas prix car ils s'attendent à une augmentation de la demande de l'industrie automobile. Les lidars peuvent améliorer considérablement les systèmes ADAS.
Par exemple, beaucoup pensent que Tesla possède certains des systèmes ADAS les plus avancés du secteur. Dans le même temps, l'entreprise a un problème constant - ses voitures s'écraser sur des objets fixes, parfois avec des conséquences fatales. Les lidars détectent mieux les objets stationnaires que les caméras et les radars, ce qui signifie que l'introduction de lidars peut éviter de nombreux accidents, rendant les systèmes ADAS plus utiles pour les conducteurs.
Jusqu'à présent, les lidars étaient considérés comme trop chers pour le marché automobile, mais cela est en train de changer. Plusieurs entreprises promettent de sortir des lidars pour moins de 1000 dollars au cours des prochaines années.
Ouster prévoit de préparer son capteur ES2 pour une production de masse pour l'industrie automobile en 2024. La société affirme que l'appareil
commencera à 600 USD au départ et tombera à 100 USD à l'avenir. Ibeo n'a pas annoncé de prix pour l'IbeoNext, mais la société affirme avoir déjà conclu un accord avec Great Wall Motors (un grand constructeur automobile en Chine) pour démarrer la production en 2022. année.
Les entreprises qui n'utilisent pas de lasers à lumière verticale ont également afflué vers ce marché. L'une des entreprises les plus importantes de ce pool est Luminar, qui a annoncé un partenariat avec Volvo en mai. Volvo prévoit de lancer des voitures avec lidar Luminar en 2022.
Tous ces modèles ont leurs propres forces et faiblesses (et différentes). Jusqu'à présent, Luminar possède une portée significative - jusqu'à 250 mètres. C'est peut-être parce que Luminar utilise des lasers d'une longueur d'onde de 1550 nm, ce qui est bien au-delà de la plage de lumière visible. Le liquide dans l'œil humain est imperméable à une telle lumière, ce qui signifie que Luminar peut utiliser des lasers puissants qui n'endommageront pas les yeux humains. De plus, les lidars Luminar ont un champ de vision plus large que les appareils Ouster.
La plus grande question pour Luminar est de savoir s'ils seront en mesure de respecter le prix annoncé de 1000 $. Quand j'ai interviewé Austin Russell, PDG de Luminar il y a deux ans, il a dit que Luminar aurait besoin de «baisser le prix à quelques milliers» pour entrer sur le marché de masse. J'ai alors supposé que le lidar Luminar valait plus que «quelques milliers». Maintenant, la société affirme que le prix de leurs lidars tombera en dessous de 1000 dollars.
Ouster et Ibeo n'ont aucun problème à rendre leurs appareils bon marché. Les entreprises sont susceptibles d'avoir un problème atteignant 200 mètres, ce qui est considéré comme nécessaire pour fonctionner à la vitesse de l'autoroute.
«Les lasers à émission verticale sont inférieurs en luminosité à ceux utilisés dans les lidars conventionnels», m'a dit Angus Pakala, PDG d'Ouster. "Si vous créez un modèle physique, connectez une diode à avalanche à photon unique et un laser à émission verticale, le résultat est de mauvaises performances." Cependant, Pakala a déclaré qu'Ouster avait développé un certain nombre de «solutions fondamentales à différents niveaux» qui pourraient faire fonctionner la combinaison. Pakala a déclaré que ces solutions incluent une suppression "exceptionnelle" de la lumière hors de portée et "la mise en place de dispositifs de traitement du signal près des diodes" pour aider à distinguer la lumière laser renvoyée du bruit.
Ainsi, dans les années à venir, Ouster, Ibeo et Sense seront confrontés à un défi de taille: développer les performances de la combinaison de lasers à émission verticale et de diodes à avalanche monophotonique à un point tel que leurs appareils puissent fonctionner à une portée de 200 mètres. S'ils réussissent à résoudre ce problème, alors le faible coût et la simplicité des puces donneront à ces entreprises un avantage décisif. S'ils échouent, ils peuvent descendre à un niveau inférieur de ce marché.
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