Tecnología de sensor lidar de matriz VCSEL que ayudará a que los vehículos autónomos sean asequibles.
Virtual CES 2021 apestó tanto como Virtual Everything Else, pero surgieron noticias convincentes sobre lidar y conducción autónoma. No estoy lo suficientemente informado como para separar la exageración del lidar de los actos heroicos, así que me conecté con Tom Jellicoe, un experto en óptica de Technology Partnership, una consultora con sede en el Reino Unido.
Jellicoe tuvo la amabilidad de Cambridge-masterexplicarme estos últimos sensores lidar de “tercera generación” y sus láseres semiconductores de matriz VCSEL.
Para los novatos: el lidar de hoy funciona emitiendo luz láser pulsada en el área circundante, que luego rebota hacia el sensor, lo que permite que la unidad detecte su entorno varias veces por segundo. Esto es clave para que cualquier vehículo autónomo se conduzca y se adapte a todo lo que lo rodea. (Tesla es el único obstáculo notable para incorporar lidar en la conducción automatizada).
Los láseres de primera generación eran muy caros, por lo que las unidades lidar generalmente los hacían girar o los movían de un lado a otro. Las unidades de segunda generación los apuntaron a espejos en movimiento (a veces pequeños), o generaron imágenes de flash para detección de menor alcance.
Ahora, el iPhone 12 Pro incorpora un nuevo tipo de lidar económico, conocido como láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL), para enfocar la cámara. He aquí por qué son iPhone baratos:
La mayoría de los láseres basados en semiconductores se forman cortando chips semiconductores de diodos emisores de luz, con el rayo láser emitido desde el borde expuesto. Son difíciles de dividir, por lo que hay muchos desechos, y ensamblarlos en una placa de circuito lleva mucho tiempo.
Con los VCSEL, la luz láser se emite perpendicular a la superficie del chip desde una cavidad grabada en dicha superficie. Esto hace que sea mucho más fácil y económico ensamblar una gran matriz VCSEL, lo que hace que el lidar de estado sólido (sin partes móviles) sea asequible. Estos láseres son lo suficientemente pequeños como para emitir una luz más brillante y de mayor alcance sin dañar los ojos de nadie.
Jellicoe identificó tres jugadores importantes: Opsys Technologies de Israel emplea miles de VCSEL, cada uno de los cuales se dirige a un punto particular en un chip receptor detector de avalancha de fotón único (SPAD), similar al de una cámara digital. Opsys muestra VCSEL individuales secuencialmente, algunos de los cuales pueden operar en diferentes frecuencias de onda de luz para eliminar la diafonía. Escanea el horizonte 1.000 veces por segundo, midiendo el tiempo que tarda la luz en volver al receptor.
La reducción de la resolución de los resultados a 30 fotogramas por segundo para los sistemas autónomos mejora la resolución lo suficiente como para identificar la marca del vehículo que se encuentra delante. El alcance máximo es de 200 metros en un campo de visión horizontal relativamente ajustado de 24 grados, pero se pueden agrupar varias unidades para ampliar el campo de visión, con un software que une las imágenes.
La óptica de la lente puede ampliar el área objetivo en un rango más corto. Los fabricantes de automóviles prevén usar de seis a ocho de estas unidades de aproximadamente $ 200 para percibir completamente el entorno de un vehículo. Opsys anticipa una producción en volumen en 2023-2024.
Sense Photonics , con sede en San Francisco, muestra una matriz completa de 15 000 VCSEL simultáneamente, iluminando 140 000 píxeles en su colector SPAD. Su giro: montar VCSEL en una superficie curva para ampliar el campo de visión, pero el alcance máximo de 200 metros de SP en un campo horizontal de 30 grados se logra utilizando un chip plano. El costo se estima actualmente “en cientos” de dólares, y se espera que la producción esté lista para fines de 2024.
Proveniente de Hamburgo, Alemania, el IbeoNEXT emplea una matriz de 128 por 80 de VCSEL (10,240 de ellos) y divide la diferencia entre los dos anteriores: muestra filas horizontales de VCSEL para generar un escaneo de línea vertical. Los paquetes de lentes ópticos adaptan el campo de visión y el rango, con el rango más largo (hasta 250 metros) cubriendo un estrecho campo de visión horizontal de 12 grados. El campo más amplio es de 60 grados en un rango considerablemente más corto, con una lente de 120 grados en desarrollo.
¿Qué sigue para LIDAR? Aurora y Aeva están desarrollando un lidar de onda continua modulada en frecuencia, a veces llamado lidar 4D. En lugar de medir el tiempo que tardan en regresar los destellos de luz, estos láseres permanecen encendidos, variando su frecuencia de luz. El desplazamiento Doppler en la onda de luz reflejada determina la distancia y la velocidad de cada píxel reflejado a distancias de 300 metros o más.
Estos láseres y sus guías de ondas no son baratos para iPhone, por lo que muchos requieren dirección como las unidades de primera generación. Espere verlos inicialmente en camiones comerciales, que pueden tolerar precios más altos y requieren mayores distancias de advertencia para frenar o desviarse.
La mayor revelación de Jellicoe en CES 2021: la noticia de que la empresa israelí de visión por computadora Mobileye, la gente cuyo trabajo con Tesla convenció a Elon Musk de que el radar y las cámaras por sí solos podrían impulsar el piloto automático, finalmente ingresa al negocio de lidar con un diseño de sistema en chip FMCW. ¿Podría esto convencer al propio Elon de las virtudes de lidar para el próximo CES?
Artículo fuente: https://www.motortrend.com/features/may-technologue-vcsel-lidar-sensor/