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Lidares do futuro: 11.000 lasers em vez de 128

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O princípio de operação dos sensores lidar é refletir a luz dos lasers dos objetos ao redor e criar uma nuvem tridimensional de pontos. O primeiro moderno lidar tridimensional foi criado para o DARPA Grand Challenge de 2005, a principal competição entre veículos não tripulados. Atualmente, muitos especialistas continuam a considerar os lidares como uma tecnologia essencial para veículos não tripulados.

O lidar original de 2005, criado pela Velodyne, tinha uma matriz vertical de 64 lasers que giravam 360 graus, e cada laser na matriz deve ser cuidadosamente alinhado com um detector apropriado. Essa complexidade levou o preço a chegar a US $ 75.000. Hoje, os lidares sofisticados ainda custam dezenas de milhares de dólares.

Agora, dezenas de startups estão tentando criar lidares mais baratos. Muitos deles estão tentando reduzir o preço usando um único raio laser, que é digitalizado em um modelo de duas coordenadas.

No entanto, outras empresas lidam em uma direção diferente: estão construindo lidares com milhares de lasers. A Sense vende lidares com 11.000 lasers por US $ 3.000. Outra empresa chamada Ibeo está trabalhando em um lidar com mais de 10.000 lasers.

Para maior clareza, observamos que o novo Ibeo lidar ainda não foi lançado e, portanto, não sabemos quão bem ele funcionará, e o desempenho do Sense lidar está longe do desempenho do melhor Velodyne lidar. O alcance do Sense Lidar é de 15 a 40 metros, enquanto alguns modelos Velodyne operam a uma distância de 200 metros.

No entanto, o CEO da Sense, Scott Burroughs, diz que a empresa está apenas começando. A Sense está trabalhando em um novo sensor com alcance de 200 metros, que será lançado no próximo ano. Está previsto que este modelo seja capaz de competir com os líderes de mercado. Por sua vez, a Ibeo tem laços profundos com a indústria automotiva, o que permite à empresa realizar grandes transações com parceiros fabricantes de automóveis.

Impressão por microtransferência


O Sense e o Ibeo usam um tipo de laser barato - o laser VCSEL. Esses lasers podem ser fabricados usando a tecnologia semicondutora convencional, que permite colocar milhares ou até milhões de dispositivos em uma bolacha. Anteriormente, falamos sobre outra startup chamada Ouster, a lidar deles é baseada no VCSEL.

O Sense lidar possui muito mais lasers do que o Ouster lidar. Para conseguir isso, o Sense usa uma tecnologia chamada impressão por microtransferência .

Colocar vários milhares de VCSELs em um chip não é difícil. Mas ao fazer um chip com 11.000 lasers densamente localizados, você pode ter problemas. Tais lasers em quantidade em uma pequena área podem gerar uma grande quantidade de calor. Você também pode ter problemas de segurança ocular. Os lasers de radiação vertical operam em frequências que podem danificar a retina, e 11.000 lasers voltados para o olho humano podem causar lesões permanentes.

O Sense tem uma solução inteligente para esse problema: distribuição a laser. Depois de instalar milhares de lasers com radiação vertical em uma placa de arseneto de gálio, o Sense os transfere para um novo substrato cerâmico condutor de calor, reduzindo a densidade da instalação do laser.

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Neste ponto, a impressão por microtransferência entra em jogo. Essa tecnologia utiliza um carimbo de borracha, na parte inferior da qual há uma malha com saliências de borracha. Quando uma das saliências toca um laser com radiação vertical, pode levantá-lo com a ajuda da eletricidade estática.

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As saliências são dispostas de modo que um de cada n chips (contando horizontal e verticalmente) seja retirado da placa original e colocado em um novo substrato. Em seguida, o selo coleta um conjunto de chips dos seguintes slots para o próximo lidar. Assim, uma única pastilha de silício pode formar conjuntos de 11.000 lasers para vários lidares.

Sense busca aumentar o alcance de seus lidares


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Em vez de escanear a cena sequencialmente (como a maioria dos lidares), os lidars da Sense usam seus 11.000 lasers para iluminar a cena inteira em um flash, após o qual o sensor mede o tempo necessário para a luz de fundo refletir de todas as direções.

Lidares de flash como esse tendem a ter um curto alcance, pois a iluminação de toda a cena faz com que a luz se perca entre os pixels. Em essência, o Sense resolve esse problema por força bruta, usando uma grande quantidade de luz para iluminar a cena. A distribuição dos lasers ajuda a lidar com o calor liberado e os danos aos olhos humanos - problemas que podem surgir com essa abordagem.

No entanto, o CEO da Ouster, Angus Pascala, observa que a abordagem Sense tem uma desvantagem significativa: alto consumo de energia. “Quanto mais eletricidade, mais sensores” - comenta Angus para Ars. “Quanto maiores os sensores, maior o preço e maior a complexidade da integração.”

Apesar de os produtos atuais da Sense consumirem mais energia do que os lidares das principais empresas, eles têm um alcance menor. Além disso, os lidares da Ouster e do Velodyne giram 360 graus, enquanto você precisará de vários lidares da Sense para obter um revestimento semelhante.

Burroughs planeja lançar um lidar com um alcance de 200 metros em 2021. Este lidar terá mais de 11.000 lasers, embora o número exato ainda seja desconhecido. O principal objetivo será alcançar um alcance maior sem um aumento igualmente significativo no consumo de energia.

Os diodos de avalanche de fóton único entram em moda


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Uma maneira de resolver esse problema é usar uma matriz de diodos de avalanche de fóton único (SPADs) para detectar raios laser refletidos nos sensores lidar da nova geração. Essa é outra semelhança com os lidares do Ouster que usam o SPAD. Em entrevista à Ars Technica em 2018, Pacala disse que sua estratégia a longo prazo é usar matrizes bidimensionais de lasers de radiação vertical e sensores em diodos de avalanche de um fóton, que criarão lidares que funcionam como câmeras - um produto que a Sense planeja introduzir no próximo ano.

Como o nome indica, os sensores nos diodos de avalanche de um fóton são sensíveis o suficiente para detectar um único fóton. Como os lasers com radiação vertical, eles podem ser fabricados usando a tecnologia convencional de silício, o que lhes permite ser baratos em termos de escala. A maior sensibilidade desses sensores pode ajudar o Sense a alcançar um alcance maior para a quantidade de luz laser disponível.

Curiosamente, a Ibeo também planeja usar diodos de avalanche de fóton único em seus lidares de próxima geração.

Ibeo não é uma startup. Alguns de seus lidares participaram do DARPA Grand Challenge de 2005, embora a participação da empresa tenha sido negligenciada porque seus lidares tinham apenas 4 linhas de varredura, enquanto os lidars de Velodyne tinham 64. Eu fiz um grande golpe há vários anos quando recebeu O contrato lidar da Audi é a primeira vez que os lidares foram instalados nos carros de produção. O acionista minoritário da Ibeo também é a ZF Friedrichshafen, que os ajuda a firmar ainda mais contratos para o fornecimento de sensores para automóveis.

Em uma entrevista concedida na quinta-feira, Mario Bramm, COO da Ibeo, disse à Ars que a próxima geração do Ibeo deve ser lançada ainda este ano e terá matrizes de lasers de radiação vertical e diodos de avalanche de fóton único de dimensão 128 por 80. o que permitirá à empresa usar várias ópticas para criar uma variedade de modelos com diferentes capacidades - de lidares de longo alcance com um pequeno ângulo de visão a lidares de grande angular com um alcance menor. A Ibeo quer fazer com que esses lidares sejam baratos o suficiente para serem vendidos para empresas automotivas para produção em massa a partir do final de 2022 ou início de 2023.

A questão óbvia é como a Ibeo resolverá os problemas de temperatura e segurança ocular que o Sense resolve usando a impressão por microtransferência. Uma solução é usar diodos de avalanche de fóton único altamente sensíveis, para que o Ibeo possa reduzir a potência de saída de seus lasers o suficiente para evitar problemas de potência e perigo para os olhos humanos. Outra solução é usar uma conexão direta entre cada laser e o sensor, o que reduzirá o número de fótons "perdidos". Durante nossa conversa, Bramm disse que a baixa potência é uma prioridade para os clientes que representam o mercado automotivo.

Por outro lado, pode ser difícil implementar essa abordagem sem a tecnologia de impressão por microtransferência usada pelo Sense, enquanto Ibeo e Ouster tentarão criar lidares de estado sólido sem ela.

Correção: afirmei pela primeira vez que os lasers de radiação vertical usados ​​pelo Sense são feitos de silício - na verdade, eles são baseados em arseneto de gálio.


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