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Lidares del futuro: 11,000 láseres en lugar de 128

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El principio de funcionamiento de los sensores lidar es reflejar la luz de los láseres de los objetos circundantes y crear una nube tridimensional de puntos. El primer lidar tridimensional moderno fue creado para el DARPA Grand Challenge 2005, la principal competencia entre vehículos no tripulados. Hoy en día, muchos expertos continúan considerando los lidars como una tecnología clave para vehículos no tripulados.

El lidar original de 2005, creado por Velodyne, tenía una matriz vertical de 64 láseres que giraban 360 grados, y cada láser de la matriz tenía que alinearse cuidadosamente con un detector apropiado. Esta complejidad ha llevado al precio a alcanzar los $ 75,000. Hoy en día, los lidars de alta gama aún cuestan decenas de miles de dólares.

Ahora, docenas de nuevas empresas están tratando de crear lidares más baratos. Muchos de ellos están tratando de reducir el precio utilizando un solo rayo láser, que se escanea en un modelo de dos coordenadas.

Sin embargo, otras compañías LIDAR se están moviendo en una dirección diferente: están construyendo lidares con miles de láseres. Sense vende lidars con 11,000 láseres por $ 3,000. Otra compañía llamada Ibeo está trabajando en un lidar con más de 10,000 láseres.

Para mayor claridad, observamos que el nuevo Ibeo lidar aún no se ha lanzado y, por lo tanto, no sabemos qué tan bien funcionará, y el rendimiento de Sense lidar está muy lejos del rendimiento del mejor Velodyne lidar. El rango de detección de lidar es de 15 a 40 metros, mientras que algunos modelos Velodyne operan a una distancia de 200 metros.

Sin embargo, el CEO de Sense, Scott Burroughs, dice que su compañía recién está comenzando. Sense está trabajando en un nuevo sensor con un alcance de 200 metros, que saldrá el próximo año. Está previsto que este modelo pueda competir con los líderes del mercado. A su vez, Ibeo tiene lazos profundos con la industria automotriz, lo que le permite a la compañía realizar transacciones importantes con fabricantes de automóviles asociados.

Impresión por microtransferencia


Tanto Sense como Ibeo utilizan un tipo de láser económico: los láseres VCSEL. Estos láseres pueden fabricarse utilizando tecnología de semiconductores convencional, que le permite colocar miles o incluso millones de dispositivos en una oblea. Anteriormente hablamos sobre otra startup llamada Ouster, su lidar se basa en VCSEL.

El lidar Sense tiene muchos más láseres que el lidar Ouster. Para lograr esto, Sense utiliza una tecnología llamada impresión por microtransferencia .

Colocar varios miles de VCSEL en un chip no es difícil. Pero al hacer un chip con 11,000 láseres densamente ubicados, puede tener problemas. Tales láseres en tal cantidad sobre un área pequeña pueden generar una gran cantidad de calor. También puede tener problemas de seguridad ocular. Los láseres de radiación vertical funcionan a frecuencias que pueden dañar la retina, y 11,000 láseres dirigidos al ojo humano pueden causar lesiones permanentes.

Sense tiene una solución inteligente para este problema: la distribución láser. Después de instalar miles de láseres con radiación vertical en una placa de arseniuro de galio, Sense los transfiere a un nuevo sustrato cerámico conductor de calor, reduciendo la densidad de la instalación del láser.

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En este punto, entra en juego la impresión por microtransferencia. Esta tecnología utiliza un sello de goma, en la parte inferior de la cual hay una malla con protuberancias de goma. Cuando una de las protuberancias toca un láser con radiación vertical, puede levantarlo con la ayuda de electricidad estática.

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Las protuberancias están dispuestas de manera que una de cada n chips (contando tanto horizontal como verticalmente) se levante de la placa original y se coloque en un nuevo sustrato. A continuación, el sello recoge un conjunto de chips de las siguientes ranuras para el próximo lidar. Por lo tanto, una sola oblea de silicio puede formar conjuntos de 11,000 láseres para múltiples lidares.

Sense busca aumentar el alcance de sus lidares


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En lugar de escanear la escena secuencialmente (como lo hacen la mayoría de los lidares), los lidares Sense usan sus 11,000 láseres para iluminar toda la escena en un flash, después de lo cual el sensor mide el tiempo que tarda la luz de fondo en reflejarse desde todas las direcciones.

Los lidares de flash como este, por regla general, tienen un alcance corto, ya que al iluminar toda la escena se pierde la luz en los espacios entre los píxeles. En esencia, Sense resuelve este problema mediante la fuerza bruta utilizando una gran cantidad de luz para iluminar la escena. La distribución de los láseres ayuda a hacer frente al calor generado y al daño a los ojos humanos, problemas que podrían surgir con este enfoque.

Sin embargo, el CEO de Ouster, Angus Pascala, señala que el enfoque Sense tiene un inconveniente significativo: el alto consumo de energía. "Cuanta más electricidad, más sensores" - Comentario de Angus para Ars. "Cuanto más grandes sean los sensores, mayor será el precio y mayor será la complejidad de la integración".

A pesar del hecho de que los productos Sense actuales consumen más energía que los lidars de las compañías líderes, tienen un rango más corto. Además, los lidares de Ouster y Velodyne giran 360 grados, mientras que necesitará varios lidares Sense para obtener un recubrimiento similar.

Burroughs planea lanzar un lidar con un alcance de 200 metros en 2021. Este lidar tendrá más de 11,000 láseres, aunque aún se desconoce el número exacto. El objetivo principal será lograr un rango más largo sin un aumento igualmente significativo en el consumo de energía.

Los diodos de avalancha de un solo fotón se ponen de moda


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Una de las soluciones a este problema es usar una matriz de diodos de avalancha de fotón único (SPAD) para detectar los rayos láser reflejados en sensores lidar de nueva generación. Esta es otra similitud con los lidares Ouster que usan SPAD. En una entrevista con Ars Technica en 2018, Pacala dijo que su estrategia a largo plazo es utilizar matrices bidimensionales de láseres de radiación vertical y sensores en diodos de avalancha de fotón único, que crearán lidares que funcionan como cámaras, un producto que Sense planea presentar el próximo año.

Como su nombre lo indica, los sensores en los diodos de avalancha de fotón único son lo suficientemente sensibles como para detectar un solo fotón. Al igual que los láseres con radiación vertical, pueden fabricarse con tecnología de silicio convencional, lo que les permite ser baratos en términos de escala. La mayor sensibilidad de estos sensores puede ayudar a Sense a lograr un mayor rango para la cantidad de luz láser disponible.

Curiosamente, Ibeo también planea utilizar diodos de avalancha de fotón único en sus lidares de próxima generación.

Ibeo no es una startup. Algunos de sus lidares participaron en el Gran Desafío DARPA 2005, aunque la participación de la compañía se pasó por alto porque sus lidares tenían solo 4 líneas de escaneo, mientras que los lidares de Velodyne tenían 64. Ibeo hizo un gran golpe hace varios años cuando recibieron El contrato lidar de Audi es la primera vez que se instalan lidars en automóviles de producción. El accionista minoritario de Ibeo es ZF Friedrichshafen, que les ayuda a celebrar aún más contratos para el suministro de sensores para automóviles.

En una entrevista dada el jueves, el gerente de operaciones de Ibeo, Mario Bramm, le dijo a Ars que el lidar de próxima generación de Ibeo debería salir más adelante este año y tendrá matrices de láseres de radiación vertical y diodos de avalancha de fotón único de dimensión 128 por 80. Ibeo se esfuerza por un diseño modular. lo que permitirá a la compañía utilizar varias ópticas para crear una gama de modelos con diferentes capacidades, desde lidares de largo alcance con un ángulo de visión pequeño hasta lidares de ángulo amplio con un alcance más corto. Ibeo quiere que estos lidares sean lo suficientemente baratos como para ser vendidos a empresas automotrices para la producción en masa desde finales de 2022 o principios de 2023.

La pregunta obvia es cómo Ibeo resolverá los problemas de temperatura y seguridad ocular que Sense resuelve utilizando la impresión por microtransferencia. Una solución es utilizar diodos de avalancha de fotón único altamente sensibles, por lo que Ibeo puede reducir la potencia de salida de sus láseres lo suficiente como para evitar problemas de potencia y peligro para los ojos humanos. Otra solución es utilizar una conexión directa entre cada láser y el sensor, lo que reducirá la cantidad de fotones "perdidos". Durante nuestra conversación, Bramm dijo que la baja potencia es una prioridad para los clientes que representan el mercado automotriz.

Por otro lado, puede resultar que este enfoque sea difícil de implementar sin la tecnología de impresión de microtransferencia utilizada por Sense, mientras que Ibeo y Ouster intentarán crear lidares de estado sólido sin él.

Corrección: Al principio dije que los láseres de radiación vertical utilizados por Sense están hechos de silicio; de hecho, están basados ​​en arseniuro de galio.


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