كيف صنعت شركة آبل iPhone Lidars بأسعار معقولة بدون نقل أجزاء
في عرض iPhone 12 يوم الثلاثاء ، كشفت Apple النقاب عن إمكانات الليدار الجديدة. وفقًا لشركة Apple ، ستعمل lidar على تحسين كاميرا iPhone من خلال جعل التركيز أسرع ، خاصة في ظروف الإضاءة المنخفضة. ربما بهذه الطريقة سيظهر جيل جديد من تطبيقات الواقع المعزز المتطورة.
يوم الثلاثاء ، غطى العرض كيفية عمل lidar في iPhone ، على الرغم من أن هذا ليس الجهاز الأول مع lidar من Apple. كشفت الشركة لأول مرة عن جهاز يستخدم هذه التقنية في مارس مع جهاز iPad محدث. وبينما لم يكن لدى أي شخص الوقت لتفكيك iPhone 12 حتى الآن ، يمكننا تعلم الكثير من التفكيك الأخير لأحدث جهاز iPad.
مبدأ الليدار هو أنه يرسل ضوء الليزر ويقيس المدة التي تستغرقها للعودة. نظرًا لأن الضوء ينتقل بسرعة ثابتة ، يمكن تحويل وقت الرحلة ذهابًا وإيابًا إلى تقدير دقيق للمسافة. كرر هذه العملية على شبكة ثنائية الأبعاد ، والنتيجة هي "سحابة نقطية" ثلاثية الأبعاد تعرض موقع الكائنات حول غرفة أو شارع أو موقع آخر.
أظهر تحليل أجرته شركة System Plus Consulting في شهر يونيو أن ليدار iPad يرسل الضوء باستخدام مجموعة ليزر انبعاث عمودي (VCSEL) المصنعة من قبل Lumentum. ثم تلتقط الفلاش باك باستخدام مجموعة فوتون واحدة (SPAD) توفرها سوني. سأشرح ما هو عليه في القسم التالي.
لقد وجدت عرض Apple مثيرًا للاهتمام بشكل خاص لأنني كنت أعمل على نص حول الشركات التي تستخدم هذه التقنيات (VCSEL و SPAD) لإنشاء ليدار أكثر قوة لسوق السيارات. تعد الليزرات الباعثة للانبعاث الرأسي والصمامات الثنائية أحادية الفوتون مثيرة للاهتمام حيث يمكن إنتاجها بكميات كبيرة باستخدام تقنيات تصنيع أشباه الموصلات التقليدية. وبالتالي ، تنشأ الفائدة من التوفير الهائل في الإنتاج بكميات كبيرة. مع نمو اعتماد أجهزة استشعار الليزر العمودية ، ستزداد جودتها (وسينخفض السعر).
تحصل الشركتان اللتان تعملان على ليدار ليزر رأسي متطور (Ouster و Ibeo) بالفعل على دعم أكثر من معظم اللاعبين في سوق الليدار الضيق. إن قرار Apple بتبني هذه التقنية (وإمكانية أن يتبع صانعو الهواتف الذكية الآخرون خطى Apple) سيوفر لهم رياحًا خلفية في السنوات القادمة.
سمحت أشعة الليزر الرأسية لشركة Apple بإنشاء ليدار بسيط للغاية
كانت Velodyne رائدة في سوق الليدار من خلال مستشعر 64 ليزر.
تم تقديم أول ليدار ثلاثي الأبعاد بواسطة Velodyne منذ أكثر من عشر سنوات. تكلف الجهاز الدوار حوالي 75000 دولار وكان أكبر بكثير من الهاتف الذكي. كان على شركة آبل أن تجعل الليدار أرخص وأصغر حتى يمكن أن تتناسب مع أجهزة iPhone ، والليزر العمودي سمح للشركة بالقيام بذلك.
ما هو الليزر العمودي؟ إذا قمت بإنشاء ليزر باستخدام طرق تصنيع أشباه الموصلات التقليدية ، فلديك تقنيتان رئيسيتان. يمكنك عمل ضوء ينبعث من الليزر من جانب الركيزة (تسمى هذه الليزرات الباعثة للحافة) أو من الأعلى (أشعة الليزر الباعثة للسطح ذات التجويف العمودي - VCSELs).
لطالما كانت أشعة الليزر الباعثة للحافة أكثر قوة. تم استخدام الليزر الرأسي لعقود في أجهزة تتراوح من الفئران الضوئية إلى أجهزة إرسال الشبكة. كان يُعتقد أنها لم تكن مناسبة لحلول التكنولوجيا الفائقة حيث كانت هناك حاجة إلى حزم كبيرة من الضوء ، ولكن تم تطوير التكنولوجيا وأصبح الليزر المنبعث الرأسي أكثر قوة.
عادة ما تكون هناك حاجة إلى شق صغير في اللوحة لفضح باعث ليزر الشعاع النهائي. هذا يزيد من تكلفة وتعقيد عملية التصنيع ويحد من عدد الليزر التي يمكن وضعها على لوحة واحدة. في المقابل ، تنبعث أشعة الليزر الباعثة للضوء الرأسي ضوءًا عموديًا على اللوحة ، لذلك لا تحتاج إلى قطعها أو تعبئتها بشكل فردي. وبالتالي ، يمكن أن تحتوي رقاقة واحدة على مئات (أو حتى الآلاف) من أشعة الليزر الباعثة للضوء الرأسي. بشكل عام ، عند إنتاجه على نطاق واسع ، لا يمكن أن يكلف IC المزود بآلاف الليزر الباعث للضوء أكثر من بضعة دولارات.
إنه نفس الشيء مع الثنائيات أحادية الفوتون. كما يوحي الاسم ، فهي حساسة بدرجة كافية لاكتشاف فوتون واحد. تعني الحساسية العالية أنهم يعانون من الضوضاء. من أجل استخدام هذه الثنائيات في أجهزة مثل الليدار ، يلزم إجراء معالجة لاحقة معقدة. الميزة الكبيرة لثنائيات الفوتون المنحدرة هي أنه ، مثل الليزر الباعث العمودي ، يمكن تصنيعها باستخدام التقنيات التقليدية ، ويمكن وضع الآلاف من هذه الثنائيات على شريحة واحدة.
يمكن أن يؤدي الجمع بين الليزر الرأسي وثنائيات الانهيار الأحادي الفوتون إلى تبسيط تصميم الليدار بشكل كبير. احتوى الليدار ثلاثي الأبعاد الأصلي من Velodyne على 64 ليزرًا معبأًا بشكل فردي على إعداد دوار. كان لكل ليزر كاشف مطابق. كان تعقيد هذا التصميم والحاجة إلى ملاءمة كل ليزر بدقة أحد الأسباب التي جعلت فيلودين باهظ الثمن.
في الآونة الأخيرة ، جربت بعض الشركات استخدام المرايا الصغيرة "لتوجيه" شعاع الليزر وفقًا لنمط مسح معين. في هذا التصميم ، يكفي ليزر واحد ، لكنه لا يزال بحاجة إلى جزء متحرك.
في المقابل ، تقوم Apple و Ouster و Ibeo بصنع ليدار بدون أجزاء متحركة. يمكن ليدار الرقائق المجهز بمئات / آلاف الليزر الباعث الرأسي استخدام أشعة ليزر منفصلة لكل نقطة في مجال رؤية المستشعر. ونظرًا لأن كل هذه الليزرات معبأة مسبقًا على شريحة واحدة ، فإن تجميع هذه الأجهزة أسهل بكثير من ليدار Velodyne.
استخدمت أحدث أجهزة iPhone مستشعر ثلاثي الأبعاد آخر يسمى TrueDepth Camera لتمكين FaceID. وبحسب ما ورد استخدمت الوحدة أيضًا مجموعة من أشعة الليزر من Lumentum. يتمثل مبدأ تشغيل TrueDepth في إسقاط 30000 نقطة على وجه المستخدم لتشكيل نموذج ثلاثي الأبعاد ومقارنة النموذج المحفوظ بالنموذج المستلم (مع مراعاة تشوهاته).
يعرض جهاز iPad's lidar نقاطًا أقل بكثير من كاميرا TrueDepth. أظهر مقطع فيديو من iFixIt ، تم التقاطه بكاميرا الأشعة تحت الحمراء ، أن الليدار يعرض شبكة من عدة مئات من البكسلات. في الوقت نفسه ، إذا تعرف مستشعر TrueDepth على العمق بناءً على شكل الضوء الساقط على وجه الشخص ، فإن الليدار الموجود في جهاز iPad يقيس المسافة مباشرةً ، ويضبط وقت انتقال الضوء إلى الجسم والعكس. من المحتمل أن يوفر هذا النهج دقة أعلى لقياس العمق ، كما يزيد من نطاق المستشعر.
تستخدم الليدارات عالية الطاقة أيضًا أشعة الليزر الباعثة الرأسية (VCSELs) وثنائيات الانهيار الأحادي الفوتون (SPADs)
Ouster OS-1 و OS-2 Lidars
أداء ليدار Apple أقل بكثير من أداء أجهزة الاستشعار المتطورة التي تصنعها شركات الليدار. تدعي شركة Velodyne ، التي أصدرت أول ليدار ثلاثي الأبعاد ، أن مستشعرها يمكن أن يعمل على ارتفاع 200 متر ، بينما يعمل مستشعر Apple على ارتفاع 5 أمتار.
العديد من الليدارات التي تستخدم ليزر انبعاث رأسي أقوى من المستشعرات المستخدمة في أجهزة Apple. على سبيل المثال ، يتميز أقوى ليدار ليزر VCSEL لأوستر بمدى يبلغ حوالي 100 متر بانعكاس 10 بالمائة.
جميع أجهزة الاستشعار الحالية من Ouster تشبه الأجهزة الدوارة من Velodyne. يستخدمون شرائح بها 16 إلى 128 ليزرًا انبعاثًا رأسيًا - يتم تثبيت هذه الشرائح في أعمدة على قاعدة دوارة. سمحت بساطة هذا التصميم المكون من قطعة واحدة لـ Ouster بتقليل سعر أجهزتها لتصبح واحدة من أكبر منافسي Velodyne. ومع ذلك ، لا تزال هذه المستشعرات تكلف آلاف الدولارات - وهي مكلفة للغاية لاستخدامها في السيارات ، ناهيك عن الهواتف الذكية.
في الأسبوع الماضي ، أعلن أوستر عن خطط لإصدار ليدار صلب جديد بدون أجزاء متحركة. بدلاً من اصطفاف 16 إلى 128 ليزرًا ، سيستخدم جهاز Ouster الجديد 20000 ليزر انبعاث عمودي مرتبة في شبكة ثنائية الأبعاد.
يتبع Ibeo استراتيجية مماثلة ويمكن أن يتفوق على Ouster. طورت Ibeo أول جهاز ليدار تم تسليمه إلى السوق الشامل - مستشعر Audi A8. لقد كان جهازًا بدائيًا تمامًا بدقة 4 خطوط عمودية فقط. تقوم الشركة حاليًا بتطوير جهاز جديد يسمى IbeoNext. سيحتوي هذا الطراز على شبكة ليزر بحجم 128 × 80 بكسل - أصغر قليلاً من المستشعر المتوقع من Ouster ، ولكنه أكبر بكثير من أحدث الأجهزة من Ibeo. تدعي الشركة أن مستشعرها الجديد سيكون له نطاق 150 مترًا وانعكاسية بنسبة 10 بالمائة.
آخر لاعب جدير بالذكر هو Sense Photonics ، الشركة التي تحدثنا عنها في يناير... مثل الشركات الأخرى التي تحدثنا عنها ، يستخدم Sense أشعة الليزر الباعثة للانبعاث الرأسي والصمامات الثنائية الفوتونية المنحدرة في الليدار. في الوقت نفسه ، عند العمل مع ليزر Sense ، يستخدمون تقنية تسمى طباعة microtransfer. بفضل مساعدته ، يمكن أن يستهلك الليزر المزيد من الطاقة ، وليس ارتفاع درجة الحرارة ويظل آمنًا للعين البشرية. حتى الآن ، لم تكن أجهزة Sense بعيدة المدى ، لكن الرئيس التنفيذي شونا ماكنتاير أخبر Ars أن الشركة تتطلع إلى تطوير مستشعر يعمل بمدى 200 متر - سيعلن جهاز Sense في أوائل عام 2021.
سوف ينفجر Lidars قريبًا في سوق السيارات
تقوم شركة Ibeo's
lidar Ibeo و Sense و Ouster بإطلاق نماذج جديدة منخفضة التكلفة حيث يتوقعون زيادة الطلب من صناعة السيارات. يمكن لـ Lidars تحسين أنظمة ADAS بشكل كبير.
على سبيل المثال ، يعتقد الكثيرون أن Tesla لديها بعض أنظمة ADAS الأكثر تقدمًا في الصناعة. في الوقت نفسه ، تواجه الشركة مشكلة مستمرة - تصطدم سياراتها بأشياء ثابتة ، مع عواقب وخيمة في بعض الأحيان. تعتبر أجهزة Lidars أفضل في اكتشاف الأجسام الثابتة من الكاميرات والرادارات ، مما يعني أن إدخال الليدار يمكن أن يمنع العديد من الحوادث ، مما يجعل أنظمة ADAS أكثر فائدة للسائقين.
حتى الآن ، كان يُعتقد أن الليدار باهظ الثمن بالنسبة لسوق السيارات ، لكن هذا يتغير. تعد العديد من الشركات بإطلاق الليدار بأقل من 1000 دولار على مدى السنوات القليلة المقبلة.
تخطط Ouster لإعداد مستشعر ES2 الخاص بها للإنتاج الضخم لصناعة السيارات في عام 2024. تقول الشركة إن الجهاز
سيبدأ من 600 دولار في البداية وسينخفض إلى 100 دولار في المستقبل.لم تعلن شركة Ibeo عن تسعير لشركة IbeoNext ، لكن الشركة تقول إنها أبرمت بالفعل صفقة مع شركة Great Wall Motors (شركة تصنيع سيارات رئيسية في الصين) لبدء الإنتاج في عام 2022. عام.
كما توافدت الشركات التي لا تستخدم الليزر الخفيف الرأسي إلى هذا السوق. واحدة من أبرز الشركات في هذا التجمع هي Luminar ، التي أعلنت عن شراكة مع Volvo في مايو. تخطط فولفو لإطلاق سيارات مع Luminar lidar في عام 2022.
كل هذه التصاميم لها نقاط قوتها وضعفها (ومختلفة). حتى الآن ، تتمتع Luminar بمدى كبير - يصل إلى 250 مترًا. ربما يرجع ذلك إلى أن Luminar يستخدم أشعة الليزر بطول موجي يبلغ 1550 نانومتر ، وهو أبعد بكثير من نطاق الضوء المرئي. السائل في عين الإنسان منيع لمثل هذا الضوء ، مما يعني أن Luminar يمكنه استخدام أشعة ليزر قوية لن تضر بالعين البشرية. أيضًا ، تتمتع Luminar lidars بمجال رؤية أوسع من أجهزة Ouster.
السؤال الأكبر بالنسبة لـ Luminar هو ما إذا كان بإمكانهم تلبية السعر المعلن البالغ 1000 دولار. عندما أجريت مقابلة مع أوستن راسل ، الرئيس التنفيذي لشركة Luminar قبل عامين ، قال إن Luminar ستحتاج إلى "خفض السعر إلى بضعة آلاف" لدخول السوق الشامل. ثم افترضت أن جهاز Luminar lidar يساوي أكثر من "بضعة آلاف". الآن تدعي الشركة أن سعر الليدار الخاص بهم سينخفض إلى أقل من 1000 دولار.
لا يواجه Ouster و Ibeo مشكلة في جعل أجهزتهما رخيصة. من المحتمل أن تواجه الشركات مشكلة تصل إلى 200 متر ، والتي يعتقد أنها ضرورية للعمل بسرعات الطرق السريعة.
أخبرني أنجوس باكالا ، الرئيس التنفيذي لشركة Ouster ، "الليزر الباعث للعمودية أقل سطوعًا من تلك المستخدمة في الليدار التقليدية". "إذا قمت بإنشاء نموذج فيزيائي ، وقمت بتوصيل الصمام الثنائي الانهيار أحادي الفوتون والليزر العمودي الباعث ، فإن النتيجة هي ضعف الأداء." ومع ذلك ، قال باكالا إن أوستر طور عددًا من "الحلول الأساسية على مستويات مختلفة" التي يمكن أن تجعل الدمج يعمل. وقال باكالا إن هذه الحلول تشمل قمعًا "استثنائيًا" للضوء خارج النطاق و "وضع أجهزة معالجة الإشارات بالقرب من الثنائيات" للمساعدة في التمييز بين ضوء الليزر العائد والضوضاء.
وبالتالي ، في السنوات القادمة ، ستواجه Ouster و Ibeo و Sense تحديًا كبيرًا: لتطوير أداء مزيج من الليزر الباعث للانبعاث الرأسي وثنائيات الانهيار الأحادي الفوتون إلى حد يمكن أن تعمل أجهزتها بمدى 200 متر. إذا نجحوا في حل هذه المشكلة ، فإن التكلفة المنخفضة وبساطة الرقائق ستمنح هذه الشركات ميزة حاسمة. إذا فشلوا ، فيمكنهم النزول إلى مستوى أدنى من هذا السوق.
- أول نظام تحكم تسلسلي روسي لمحرك مزدوج الوقود مع فصل وظيفي لوحدات التحكم
- في السيارة الحديثة ، يوجد عدد من سطور التعليمات البرمجية أكثر من ...
- دورات مجانية عبر الإنترنت في السيارات والفضاء والروبوتات والهندسة (+50)
- ماكينزي: إعادة التفكير في البرمجيات وهندسة الإلكترونيات في السيارات
حول ITELMA
قائمة المنشورات المفيدة عن حبري