🧙🏿 👨‍👨‍👧 😰 Lidare der Zukunft: 11.000 Laser statt 128 🧕🏿 🤦 ❌

Das Funktionsprinzip von Lidarsensoren besteht darin, das Licht von Lasern von umgebenden Objekten zu reflektieren und eine dreidimensionale Punktwolke zu erzeugen. Der erste moderne dreidimensionale Lidar wurde für die DARPA Grand Challenge 2005 entwickelt, dem Hauptwettbewerb unter unbemannten Fahrzeugen. Heutzutage betrachten viele Experten Lidars weiterhin als Schlüsseltechnologie für unbemannte Fahrzeuge.

Der ursprüngliche Lidar von 2005, der von Velodyne erstellt wurde, hatte eine vertikale Anordnung von 64 Lasern, die sich um 360 Grad drehten, und jeder Laser in der Anordnung muss sorgfältig mit einem geeigneten Detektor ausgerichtet werden. Diese Komplexität hat dazu geführt, dass der Preis 75.000 US-Dollar erreicht hat. Heute kosten High-End-Lidars immer noch Zehntausende von US-Dollar.

Jetzt versuchen Dutzende von Startups, billigere Lidars zu schaffen. Viele von ihnen versuchen, den Preis mit einem einzigen Laserstrahl zu senken, der in einem Zwei-Koordinaten-Modell abgetastet wird.

Andere Lidar-Unternehmen bewegen sich jedoch in eine andere Richtung: Sie bauen Lidars mit Tausenden von Lasern. Sense verkauft Lidars mit 11.000 Lasern für 3.000 US-Dollar. Eine andere Firma namens Ibeo arbeitet an einem Lidar mit mehr als 10.000 Lasern.

Aus Gründen der Klarheit stellen wir fest, dass das neue Ibeo-Lidar noch nicht veröffentlicht wurde und wir daher nicht wissen, wie gut es funktionieren wird, und dass die Sense-Lidar-Leistung weit von der Leistung des besten Velodyne-Lidars entfernt ist. Die Reichweite von Sense Lidar liegt zwischen 15 und 40 Metern, während einige Velodyne-Modelle in einer Entfernung von 200 Metern arbeiten.

Scott Burroughs, CEO von Sense, sagt jedoch, dass das Unternehmen gerade erst anfängt. Sense arbeitet an einem neuen Sensor mit einer Reichweite von 200 Metern, der nächstes Jahr erscheinen soll. Es ist geplant, dass dieses Modell mit Marktführern konkurrieren kann. Im Gegenzug ist Ibeo eng mit der Automobilindustrie verbunden, wodurch das Unternehmen wichtige Transaktionen mit Partnerautoherstellern abschließen kann.

Mikrotransferdruck

Sowohl Sense als auch Ibeo verwenden einen kostengünstigen Lasertyp - VCSEL-Laser. Diese Laser können mit herkömmlicher Halbleitertechnologie hergestellt werden, mit der Sie Tausende oder sogar Millionen von Bauelementen auf einem Wafer platzieren können. Früher haben wir über ein anderes Startup namens Ouster gesprochen, dessen Lidar auf VCSEL basiert.

Das Sense-Lidar hat viel mehr Laser als das Ouster-Lidar. Um dies zu erreichen, verwendet Sense eine Technologie namens Mikrotransferdruck .

Es ist nicht schwierig, mehrere tausend VCSELs auf einem Chip zu platzieren. Wenn Sie jedoch einen Chip mit 11.000 dicht angeordneten Lasern herstellen, können Probleme auftreten. Solche Laser in einer solchen Menge über eine kleine Fläche können eine große Wärmemenge erzeugen. Möglicherweise haben Sie auch Probleme mit der Augensicherheit. Vertikale Strahlungslaser arbeiten mit Frequenzen, die die Netzhaut schädigen können, und 11.000 Laser, die auf das menschliche Auge gerichtet sind, können bleibende Verletzungen verursachen.

Sense hat eine clevere Lösung für dieses Problem: die Laserverteilung. Nach der Installation von Tausenden von Lasern mit vertikaler Strahlung auf einer Galliumarsenidplatte überträgt Sense diese auf ein neues wärmeleitendes Keramiksubstrat, wodurch die Dichte der Laserinstallation verringert wird.

An dieser Stelle kommt der Mikrotransferdruck ins Spiel. Bei dieser Technologie wird ein Stempel verwendet, an dessen Boden sich ein Netz mit Gummipräparaten befindet. Wenn einer der Vorsprünge einen Laser mit vertikaler Strahlung berührt, kann er ihn mit Hilfe statischer Elektrizität anheben.

Die Vorsprünge sind so angeordnet, dass einer von n Chips (sowohl horizontal als auch vertikal gezählt) von der Originalplatte abgehoben und auf ein neues Substrat gelegt wird. Als nächstes sammelt der Stempel einen Satz Chips aus den folgenden Schlitzen für das nächste Lidar. Somit kann ein einzelner Siliziumwafer Anordnungen von 11.000 Lasern für mehrere Lidare bilden.

Sense versucht, die Reichweite seiner Lidars zu erhöhen

Anstatt die Szene nacheinander abzutasten (wie die meisten Lidars), verwenden Sense-Lidars ihre 11.000 Laser, um die gesamte Szene in einem Blitz zu beleuchten. Danach misst der Sensor die Zeit, die die Hintergrundbeleuchtung benötigt, um aus allen Richtungen zu reflektieren.

Solche Flash-Lidars haben in der Regel eine kurze Reichweite, da die Beleuchtung der gesamten Szene dazu führt, dass das Licht in den Zwischenräumen zwischen den Pixeln verloren geht. Im Wesentlichen löst Sense dieses Problem durch rohe Gewalt, indem eine große Menge Licht verwendet wird, um die Szene zu beleuchten. Die Verteilung von Lasern hilft, die erzeugte Wärme und die Schädigung des menschlichen Auges zu bewältigen - Probleme, die bei einem solchen Ansatz auftreten können.

Angus Pascala, CEO von Ouster, stellt jedoch fest, dass der Sense-Ansatz einen erheblichen Nachteil hat: einen hohen Stromverbrauch. "Je mehr Strom, desto mehr Sensoren" - Angus-Kommentar für Ars. "Je größer die Sensoren, desto höher der Preis und desto komplexer die Integration."

Trotz der Tatsache, dass aktuelle Sense-Produkte mehr Strom verbrauchen als Lidars führender Unternehmen, haben sie eine kürzere Reichweite. Außerdem drehen sich die Lidars von Ouster und Velodyne um 360 Grad, während Sie mehrere Sense-Lidars benötigen, um eine ähnliche Beschichtung zu erhalten.

Burroughs plant, 2021 einen Lidar mit einer Reichweite von 200 Metern herauszubringen. Dieser Lidar wird mehr als 11.000 Laser haben, obwohl die genaue Anzahl noch unbekannt ist. Hauptziel wird es sein, eine größere Reichweite zu erreichen, ohne den Energieverbrauch gleichermaßen signifikant zu erhöhen.

Einzelphotonen-Lawinendioden kommen in Mode

Eine der Lösungen für dieses Problem besteht darin, eine Anordnung von Einzelphotonen-Lawinendioden (SPAD) zu verwenden, um reflektierte Laserstrahlen in Lidarsensoren der neuen Generation zu erfassen. Dies ist eine weitere Ähnlichkeit mit den Ouster-Lidars, die SPAD verwenden. In einem Interview mit Ars Technica im Jahr 2018 sagte Pacala, seine langfristige Strategie bestehe darin, zweidimensionale Arrays vertikaler Strahlungslaser und Sensoren auf Einzelphotonen-Lawinendioden zu verwenden, die Lidars erzeugen, die wie Kameras funktionieren - ein Produkt, das Sense nächstes Jahr einführen will.

Wie der Name schon sagt, sind Sensoren an Einzelphotonen-Lawinendioden empfindlich genug, um ein einzelnes Photon zu erfassen. Wie Laser mit vertikaler Strahlung können sie mit herkömmlicher Siliziumtechnologie hergestellt werden, wodurch sie hinsichtlich der Skalierung billig sind. Die höhere Empfindlichkeit dieser Sensoren kann dazu beitragen, dass Sense einen größeren Bereich für die verfügbare Laserlichtmenge erreicht.

Interessanterweise plant Ibeo auch die Verwendung von Einzelphotonen-Lawinendioden in den Lidars der nächsten Generation.

Ibeo ist kein Startup. Einige ihrer Lidars nahmen an der DARPA Grand Challenge 2005 teil, obwohl die Teilnahme des Unternehmens übersehen wurde, da ihre Lidars nur 4 Scanlinien hatten, während Velodyne Lidars 64 hatten. Ibeo machte vor einigen Jahren einen großen Coup, als sie sie erhielten Der Lidar-Vertrag von Audi ist das erste Mal, dass Lidars in Serienautos eingebaut wurden. Der Minderheitsaktionär von Ibeo ist ZF Friedrichshafen, der ihnen hilft, noch mehr Verträge über die Lieferung von Sensoren für Automobile abzuschließen.

In einem Interview am Donnerstag teilte Mario Bramm, COO von Ibeo, Ars mit, dass der Lidar der nächsten Generation von Ibeo später in diesem Jahr herauskommen soll und Arrays aus vertikalen Strahlungslasern und Einzelphotonen-Lawinendioden mit den Abmessungen 128 x 80 enthalten wird. Ibeo strebt einen modularen Aufbau an. Dadurch kann das Unternehmen verschiedene Optiken verwenden, um eine Reihe von Modellen mit unterschiedlichen Funktionen zu erstellen - von Lidars mit großer Reichweite und kleinem Betrachtungswinkel bis zu Lidars mit großer Reichweite und geringerer Reichweite. Ibeo möchte diese Lidars so billig machen, dass sie ab Ende 2022 oder Anfang 2023 an Automobilunternehmen für die Massenproduktion verkauft werden können.

Die offensichtliche Frage ist, wie Ibeo die Temperatur- und Augensicherheitsprobleme lösen wird, die Sense mithilfe des Mikrotransferdrucks löst. Eine Lösung besteht darin, hochempfindliche Einzelphotonen-Lawinendioden zu verwenden, damit Ibeo die Ausgangsleistung seiner Laser so weit reduzieren kann, dass Leistungsprobleme und Gefahren für das menschliche Auge vermieden werden. Eine andere Lösung besteht darin, eine direkte Verbindung zwischen jedem Laser und dem Sensor herzustellen, wodurch die Anzahl der „verlorenen“ Photonen verringert wird. Während unseres Gesprächs sagte Bramm, dass geringer Stromverbrauch für Kunden, die den Automobilmarkt repräsentieren, Priorität hat.

Andererseits kann sich herausstellen, dass dieser Ansatz ohne die von Sense verwendete Mikrotransferdrucktechnologie schwierig zu implementieren ist, während Ibeo und Ouster versuchen werden, Festkörper-Lidars ohne diese Technologie zu erstellen.

Korrektur: Zuerst habe ich festgestellt, dass die von Sense verwendeten vertikalen Strahlungslaser aus Silizium bestehen - tatsächlich basieren sie auf Galliumarsenid.

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