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苹果|激光雷达一度价高又复杂 揭秘苹果如何将其塞进iPhone 12


苹果|激光雷达一度价高又复杂 揭秘苹果如何将其塞进iPhone 12
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腾讯科技讯10月17日消息 ， 据媒体报道 ， 最初的激光雷达传感器设计复杂 ， 售价一度高达75000美元 。 得益于垂直腔面发射激光器(VCSEL)和单光子雪崩二极管(SPAD)传感器技术 ， 苹果将激光雷达传感器简化并塞进了iPhone 12手机 。
在周二举行的iPhone 12发布会上 ， 苹果花大力气宣传其新型激光雷达传感器的功能 。 苹果公司表示 ， 激光雷达可以提高iPhone相机在低光照条件下的对焦速度 ， 还可能催生出新一代复杂的增强现实应用 。
周二的苹果发布会并没有提供什么iPhone12激光雷达实际工作原理的细节信息 ， 但这并不是苹果第一款配备激光雷达的设备 。 苹果在今年3月发布新一代iPad时首次推出了这项技术 。 虽然还没有人对iPhone 12进行过拆卸 ， 但大可以从拆解新款iPad中学到很多东西 。
激光雷达的工作原理是向目标发射激光并测量反射回来的时间 。 因为光是以恒定速度传播的 ， 所以往返时间可以转化为精确的距离估计 。 在二维网格上不断重复这个过程 ， 结果就能生成一个三维“点”图 ， 显示出房间、街道或其他特定地点周围的物体精确位置 。
今年6月份 ， 市场研究公司System Plus Consulting的一份分析报告发现 ， iPad搭载的激光雷达使用Lumentum公司制造的VCSEL发射激光 。 然后使用索尼提供的一种SPAD传感器来检测反射回来的激光 。
VCSEL和SPAD器件最大的卖点之一是 ， 它们都可以使用传统的半导体制造技术制成 ， 因此可以受益于半导体行业巨大的规模经济 。 随着基于VCSEL的传感器越来越普遍 ， 它们可能会变得更便宜更好 。
两家致力于制造基于VCSEL的高端激光雷达公司Ouster和Ibeo在拥挤的激光雷达市场已经获得了更多关注 。 很多智能手机制造商惯于效仿苹果的举措 ， 其采用这项技术的决定或将在未来几年为相应的激光雷达设备提供一个不错的推动力 。
VCSEL技术帮助苹果公司造出极其简单的激光雷达
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第一款三维激光雷达传感器是由Velodyne在十多年前发明的 。 这套可旋转装置的价格约为7.5万美元 ， 比智能手机高得多 。 为了在每部iPhone中安装上激光雷达传感器 ， 苹果公司需要大幅降低设备价格和体积 ， VCSEL帮助苹果公司做到了这一点 。
VCSEL到底是什么？如果用传统的半导体制造技术制造一个发射激光器 ， 有两个基本选择 。 从晶圆片侧面发射激光的称为边缘发射激光器（edge-emitting laser） ， 而从晶圆片顶部发射激光的被称为垂直腔面发射激光器（VCSEL) 。
一般而言 ， 边缘发射激光器的功率更大 。 但VCSEL已经在光学鼠标到光学网络设备等领域应用了几十年 。 传统上认为VCSEL不适合需要大量光照的高端应用程序 ， 但随着技术成熟 ， VCSEL也已经变得更加强大 。
制作边缘发射激光器通常需要切割晶圆 ， 增加了制造过程的成本和复杂性 ， 并限制了晶圆上激光器的数量 。 相比之下 ， VCSEL发出的光垂直于晶圆片 ， 因此不需要进行单独切割或封装 。 这意味着单个硅片可以容纳数十、数百甚至数千个VCSEL 。 理论上讲 ， 一个拥有数千个VCSEL的芯片量产成本不会超过几美元 。
这与SPAD传感器类似 。 顾名思义 ， SPAD传感器的灵敏度足以探测到单个光子 。 高灵敏度意味着它们会探测到大量噪音 。 因此 ， 在像激光雷达这样的应用中使用SPAD传感器需要复杂的处理过程 。 但SPAD的一大优势和VCSEL一样 ， 可以用传统的半导体技术来制造 ， 而且成千上万SPAD可以装在一个硅芯片上 。
VCSEL和SPAD技术的组合使传统激光雷达设计发生戏剧性的简化 。 Velodyne最初研制出的三维激光雷达在一个旋柱上安装了64个单独封装的发射激光器 ， 而每一个发射激光器都有一个相匹配的激光探测器 。 这种复杂设计加之需要对每个发射激光器和探测器进行精确排列 ， 是早期激光雷达装置如此昂贵的原因之一 。
最近 ， 许多公司已经试验使用小镜子以扫描模式“引导”激光束 。 这种设计只需要一个发射激光器 ， 而不是64个 ， 但仍然涉及至少一个移动部件 。
相比之下 ， 苹果、Ouster和Ibeo正在制造完全没有移动部件的激光雷达传感器 。 一个芯片上有成百上千个激光器 ， 基于VCSEL的激光雷达可以为激光雷达视野中的每一点配备专用激光器 。 因为所有这些激光器都预先装在一个芯片上 ， 所以设备组装比Velodyne的经典设计要简单得多 。
最近的iPhone已经配备了另一款名为TrueDepth相机的3D传感器 ， 其支持苹果的FaceID面部识别功能 。 这款设备也使用了一个据说由Lumentum提供的一系列VCSEL 。 TrueDepth的工作原理是将一个由3万多个光点组成的网格投影到用户脸上 ， 然后根据网格图案的变形方式估算出用户面部的三维形状 。
iPad激光雷达传感器投射的激光点比TrueDepth相机要少得多 。 一段用红外摄像机拍摄的视频显示 ， iPad激光雷达投射出的网格只有几百个像素 。 TrueDepth模式是根据光线落在被测者脸上的形状变化来估算深度 ， 而iPad的激光雷达传感器是通过测量光线从物体反射到相机上需要的时间来直接测量距离 。 这一过程可能产生更精确的深度测量和更大的探测范围 。
功能更强大的激光雷达也使用VCSEL和SPAD
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苹果激光雷达的性能远远落后于专业激光雷达公司销售的高端传感器 。 发明三维激光雷达的Velodyne公司称其最强大的激光雷达探测范围超过200米 ， 而苹果激光雷达传感器的探测范围约为5米 。
其他基于VCSEL的激光雷达也比苹果强大得多 。 例如 ， Ouster最强大的基于VCSEL的激光雷达探测范围在100米左右 ， 可以探测到反射率仅为10%的物体 。
Ouster的电流传感器都是Velodyne设计风格的旋转装置 。 包含16到128个VCSEL的单个芯片被垂直地安装在一个旋转架上 ， 就像Velodyne最初的装置一样 。 这种简单的固态设计使得Ouster在价格上比Velodyne更有优势 ， 使得公司成为Velodyne最大的竞争对手之一 。 但是Ouster公司生产的这些旋转式激光雷达传感器仍然需要数千美元 ， 用在主流汽车上都太贵了 ， 更不用说智能手机了 。
上周 ， Ouster宣布计划发布一款没有移动部件的新型固态激光雷达 。 与Ouster目前激光雷达中排列16到128个激光器不同 ， Ouster的新装置中将排列超过20000个VCSEL 。
Ibeo也在采取类似策略 ， 并且有可能领先于Ouster 。 Ibeo设计出第一款搭载在奥迪A8上的激光雷达 。 这款激光雷达很原始 ， 只有四行直线垂直排列 。 但是Ibeo现在正在开发一种名为ibeoNext的新款激光雷达 ， 其将拥有一个128×80像素的激光网格 ， 比Ouster计划中的传感器网格略小一点 ， 但比Ibeo过去的产品大得多 。 Ibeo说 ， 这款传感器将有150米的探测范围 ， 可以探测到反射率为10%的物体 。
Sense Photonics也在自家激光雷达中使用VCSEL和SPAD 。 然而 ， 该公司正在使用一种叫做微转移打印的技术来发射激光 。 这使得发射的激光功率更大 ， 而且不会产生热量或灼伤眼睛 。 到目前为止 ， Sense Photonics公司的激光雷达探测距离还不够长 ， 但是公司首席执行官Shauna McIntyre表示 ， 该公司的目标是在2021年初发布一款探测距离可达200米的激光雷达传感器 。
激光雷达将大规模进入汽车市场
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鉴于汽车行业对激光雷达的需求可能出现爆炸式增长 ， Ibeo、Sense和Ouster都在推出新的低成本设计 。 激光雷达传感器可以显著改善汽车先进驾驶辅助系统的性能 。
例如 ， 许多人认为特斯拉拥有业内最先进的驾驶辅助系统之一 。 但该公司一直存在一个问题 ， 即其汽车会撞向静止物体 ， 偶尔还会造成致命事故 。 在探测静止物体方面 ， 激光雷达比照相机或雷达的效果更好 ， 因此在汽车上增加激光雷达可以防止许多类似的碰撞事故发生 ， 同时让驾驶员更便捷地使用驾驶辅助系统 。
迄今为止 ， 激光雷达被认为对汽车市场来说过于昂贵 ， 但这种情况已经开始改变 。 多家公司承诺在未来几年内 ， 激光雷达传感器的成本将低于1000美元 。
Ouster的目标是在2024年将其ES2传感器投入大规模量产 。 该公司表示 ， 最初的量产成本为600美元 ， 随后几年价格将降至100美元 。
Ibeo尚未公布IbeoNext的价格 ， 但该公司表示 ， 它已经与长城汽车达成协议 ， 将在2022年开始批量生产 。
拥有非VCSEL激光雷达设计的公司也在涌入这个市场 。 其中最著名的是Luminar ， 其在今年5月份宣布了与沃尔沃达成交易 。 沃尔沃的目标是在2022年推出搭载Luminar激光雷达的汽车 。
不同设计各有优缺点 。 到目前为止 ， Luminar公司的激光雷达的探测范围最大 ， 可达250米 。 Luminar使用1550nm波长的发射激光器 ， 传播距离远远超出可见光范围 。 此外 ， 人眼中的液体对波长为1550nm的光线来说是不透明的 ， 这意味着Luminar激光雷达的激光功率可以更大 ， 且不会对人们眼睛造成伤害 。 Luminar激光雷达的视野比Ouster也更广 。
Luminar最大的问题是能否将设备降到1000美元的目标价格 。 两年前 ， Luminar首席执行官奥斯汀·罗素(Austin Russel)说Luminar需要“将价格降到三位数以下”才能进入大众市场 。 但Luminar公司现在表示 ， 在未来几年内其设备价格有望降到1000美元以下 。
相比之下 ， Ouster和Ibeo在降低激光雷达成本方面应该不会有太大困难 。 最大的挑战可能是达到200米的有效探测距离 ， 这通常被认为是汽车在高速公路上实现自动驾驶所必需的 。
Ouster首席执行官安格斯·帕卡拉（Angus Pacala）在2018年就表示：“与传统激光雷达相比 ， VCSEL发射的激光并不是非常明亮 。 ”“如果你在设备原型中插入一个SPAD阵列和一个VCSEL阵列 ， 性能将会变得非常糟糕 。 ”然而帕卡拉说 ， Ouster提出了“许多不同层面上的一些基本知识产权” ， 能够让这一组合发挥作用 。 帕卡拉说 ， 这包括对带外光进行“特殊”抑制 ， 以及“在SPAD附近进行大量信号处理” ， 从而将反射的激光和环境噪声区分开来 。
【苹果|激光雷达一度价高又复杂 揭秘苹果如何将其塞进iPhone 12】因此 ， Ouster、Ibeo和Sense在未来几年内面临的巨大挑战是如何提高VCSEL和SPAD组合的性能 ， 使其达到其他激光雷达所宣传的200米探测距离 。 如果能做到这一点 ， 那么半导体芯片的低成本和简单性可能会给这些公司的产品带来决定性优势 。 如果做不到 ， 它们可能会被降级到一个较低的市场层次 。 （腾讯科技审校/皎晗）


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