苹果如何
在不移动部件的情况下制造出经济实惠的iPhone激光雷达在周二的iPhone 12演示上，苹果推出了新的激光雷达功能。据苹果公司称，激光雷达将通过加快对焦速度来改善iPhone的摄像头，尤其是在弱光条件下。也许通过这种方式，新一代复杂的AR应用程序将出现。
周二，演讲内容涵盖了激光雷达在iPhone中的工作原理，尽管这并不是第一款配备苹果激光雷达的设备。该公司于三月份首次发布了使用该技术的设备以及更新的iPad。尽管没有人有时间拆卸iPhone 12，但我们可以从最新iPad的最新拆解中学到很多东西。
激光雷达的原理是发出激光并测量返回所需的时间。由于光以恒定的速度传播，因此往返时间可以转换为准确的距离估计。在2D网格上重复此过程，结果是3D“点云”，显示了对象在房间，街道或其他位置周围的位置。System Plus Consulting
在六月的分析显示，iPad中的激光雷达使用Lumentum制造的垂直发射激光阵列（VCSEL）发送光。然后，它使用Sony提供的单光子雪崩二极管（SPAD）阵列捕获闪回。我将在下一节中解释它的含义。
我发现Apple的演示特别有趣，因为我正在撰写有关使用这些技术（VCSEL和SPAD）来为汽车市场创建功能更强大的激光雷达的公司的文章。垂直发射激光器和单光子雪崩二极管很有趣，因为它们可以使用常规的半导体制造技术进行大量生产。因此，受益于大量生产中的大量节省。随着垂直激光传感器的普及，其质量将提高（价格将下降）。
从事高端垂直激光激光雷达的两家公司（Ouster和Ibeo）已经比紧缩激光雷达市场上的大多数参与者获得了更多的支持。苹果公司决定采用这项技术（以及其他智能手机制造商追随苹果公司领导的可能性），将在未来几年为他们提供动力。
垂直激光使苹果公司可以制造非常简单的激光雷达
Velodyne凭借64激光传感器在激光雷达市场上开创先河
。Velodyne于十多年前推出了首款3D激光雷达。旋转设备的成本约为75,000美元，远大于智能手机。苹果公司必须使激光雷达更便宜，更小，以便它们可以安装到iPhone中，而垂直发射激光器使公司可以做到这一点。
什么是垂直激光？如果使用传统的半导体制造方法制造激光器，则有两项主要技术。您可以使激光从基板侧面（称为边缘发射激光器）或从顶部发光（垂直腔表面发射激光器-VCSEL）。
传统上，端光束激光器更强大。垂直激光已经在从光学鼠标到网络发射器的设备中使用了数十年。人们认为它们不适用于需要大光束的高科技解决方案，但是随着技术的发展，垂直发射激光器变得更加强大。
通常需要在板上留一个小凹口，以露出端光束激光发射器。这增加了制造过程的成本和复杂性，并限制了可放置在单个板上的激光器的数量。反过来，垂直发射激光器垂直于板发出光，因此不需要单独切割或包装。因此，一个芯片可以包含数百个（甚至数千个）垂直发射激光器。通常，大规模生产时，具有数千个垂直发射激光器的IC的成本不超过几美元。
单光子雪崩二极管也是如此。顾名思义，它们足够灵敏以检测单个光子。高灵敏度意味着它们会受到噪音的影响。为了在诸如激光雷达的设备中使用这种二极管，需要复杂的后处理。单光子雪崩二极管的最大优点是，与垂直发射激光器一样，它们可以使用常规技术制造，并且数千个这样的二极管可以放置在单个芯片上。
垂直激光器和单光子雪崩二极管的组合可以大大简化激光雷达的设计。 Velodyne的原始3D激光雷达在旋转装置上包含64个独立包装的激光器。每个激光器都有一个对应的检测器。 Velodyne如此昂贵的原因是这种设计的复杂性以及精确匹配每个激光器的需求。
最近，一些公司已经尝试使用小镜子根据给定的扫描图案“引导”激光束。在这种设计中，仅一个激光器就足够了，但是它仍然需要活动部件。
反过来，Apple，Ouster和Ibeo制作的激光雷达无需移动部件。具有成百上千个垂直发射激光器的芯片激光雷达可以对传感器视场中的每个点使用单独的激光器。而且由于所有这些激光器都预先封装在单个芯片上，因此这些设备比Velodyne的激光雷达更容易组装。
最新的iPhone使用另一个称为TrueDepth Camera的3D传感器来启用FaceID。据报道，该模块还使用了来自Lumentum的垂直发射激光器阵列。 TrueDepth的操作原理是将30,000个点投影到用户的脸上以形成三维模型，并将保存的模型与接收到的模型进行比较（考虑到其变形）。
iPad中的激光雷达比TrueDepth相机投射的点少得多。来自iFixIt的视频用红外摄像机捕获，显示激光雷达投射了数百个像素的网格。同时，如果TrueDepth传感器根据落在人脸上的光线的形状识别出深度，则iPad中的激光雷达会直接测量距离，从而计时光飞向物体并返回的时间。这种方法可能会提供更高的深度测量精度，并且还会增加传感器的范围。
高功率激光雷达还使用垂直发射激光器（VCSEL）和单光子雪崩二极管（SPAD）
Ouster OS-1和OS-2
激光雷达苹果激光雷达的性能远低于激光雷达公司生产的高端传感器。发布第一个3D激光雷达的公司Velodyne声称，它们的传感器可以在200米处工作，而Apple的传感器可以在5米处工作。
许多使用垂直发射激光的激光雷达比Apple设备中使用的传感器功能更强大。例如，Ouster最强大的VCSEL激光激光雷达以10％的反射率具有约100米的射程。
Ouster的所有电流传感器都类似于Velodyne的旋转设备。他们使用具有16到128个垂直发射激光器的芯片-这些芯片安装在旋转基座上的列中。这种一体式设计的简单性使Ouster可以降低其设备的价格，并成为Velodyne的最大竞争对手之一。然而，这些传感器仍然要花费数千美元-对于汽车使用而言太昂贵了，更不用说智能手机了。
上周，Ouster宣布了计划发布一款没有活动部件的新型固态激光雷达。 Ouster的新设备不会排列16到128个激光器，而是使用排列在二维网格中的20,000个垂直发射激光器。
Ibeo正在采取类似的策略，并且可能会超越Ouster。 Ibeo开发了有史以来第一个交付大众市场的激光雷达-奥迪A8传感器。这是绝对原始的设备，分辨率只有4条垂直线。该公司目前正在开发一种名为IbeoNext的新设备。该型号将具有128 x 80像素的激光栅格-略小于Ouster的投影传感器，但比Ibeo的最新设备大得多。该公司声称，其新传感器的射程为150米，反射率为10％。
最后值得一提的是Sense Photonics，这是我们在一月份谈论的公司... 像我们讨论过的其他公司一样，Sense在其激光雷达中使用垂直发射激光器和单光子雪崩二极管。同时，当与Sense激光器一起使用时，它们使用称为微转移打印的技术。有了它的帮助，激光可以消耗更多的能量，而不是过热，并且对人眼保持安全。到目前为止，Sense的设备还不是很远距离，但是首席执行官Shauna McIntyre告诉Ars，该公司的目标是开发可在200米范围内工作的传感器-Sense将于2021年初发布的设备。
激光雷达将很快打入汽车市场
Ibeo的激光雷达
Ibeo，Sense和Ouster正在发布新的低成本车型，因为他们预计汽车行业的需求将激增。激光雷达可以显着改善ADAS系统。
例如，许多人认为特斯拉拥有业内最先进的ADAS系统。同时，该公司面临一个持续的问题-汽车撞向静止的物体，有时会造成致命后果。激光雷达比照相机和雷达更擅长检测静止物体，这意味着引入激光雷达可以防止许多事故，使ADAS系统对驾驶员更加有用。
到目前为止，激光雷达对汽车市场来说还是太昂贵了，但是这种情况正在改变。一些公司承诺在未来几年内以不到1000美元的价格发布激光雷达。
Ouster计划在2024年为汽车工业量产ES2传感器。该公司表示，该设备最初的起价为600
美元，未来将降至100美元.Ibeo尚未宣布IbeoNext的价格，但该公司表示已经与长城汽车（中国主要的汽车制造商）达成协议，将于2022年开始生产。年。
不使用垂直光激光器的公司也涌向这个市场。 Luminar是该领域最杰出的公司之一，该公司于5月宣布与沃尔沃建立合作伙伴关系。沃尔沃计划在2022年推出配备Luminar激光雷达的汽车。
所有这些设计都有各自的优点和缺点（以及不同）。到目前为止，Luminar拥有很大的射程-可达250米。也许是因为Luminar使用的激光波长为1550 nm，远远超出了可见光范围。人眼中的液体不能透过这种光，这意味着Luminar可以使用不会伤害人眼的强大激光。而且，Luminar激光雷达比Ouster装置具有更广阔的视野。
Luminar最大的问题是，他们是否能够满足标明的1,000美元的价格。两年前我采访Luminar首席执行官Austin Russell时，他说Luminar需要“将价格降到几千美元”才能进入大众市场。然后，我认为Luminar激光雷达的价值超过“几千”。现在，该公司声称其激光雷达的价格将降至1000美元以下。
Ouster和Ibeo毫不费力地使设备便宜。公司可能会遇到200米的问题，这被认为是在高速公路上行驶所必需的。
Ouster首席执行官安格斯·帕卡拉（Angus Pakala）告诉我：“垂直发射激光器的亮度低于传统激光雷达中使用的激光器。” “如果创建物理模型，则连接单光子雪崩二极管和垂直发射激光器，结果将导致性能下降。”但是，Pakala说，Ouster已经开发了许多“不同层次的基本解决方案”，可以使这种组合发挥作用。 Pakala说，这些解决方案的列表包括“异常”抑制超范围光，以及“将信号处理设备放置在二极管附近”，以帮助区分返回的激光和噪声。
因此，在未来的几年中，Ouster，Ibeo和Sense将面临一个巨大挑战：将垂直发射激光器和单光子雪崩二极管组合在一起的性能发展到可以在200米范围内工作的程度。如果他们成功解决了这个问题，那么低成本和简单的芯片将为这些公司提供决定性的优势。如果他们失败了，他们可能会跌到这个市场的较低水平。
关于ITELMA
哈布雷的有用出版物清单