雷射雷達一度價高又複雜 揭秘蘋果如何將其塞進iPhone 12

騰訊科技訊 10月17日消息，據媒體報導，最初的雷射雷達傳感器設計複雜，售價一度高達75000美元。得益於垂直腔面發射雷射器(VCSEL)和單光子雪崩二極體(SPAD)傳感器技術，蘋果將雷射雷達傳感器簡化並塞進了iPhone 12手機。

在周二舉行的iPhone 12發布會上，蘋果花大力氣宣傳其新型雷射雷達傳感器的功能。蘋果公司表示，雷射雷達可以提高iPhone相機在低光照條件下的對焦速度，還可能催生出新一代複雜的增強現實應用。

周二的蘋果發布會並沒有提供什麼iPhone12雷射雷達實際工作原理的細節信息，但這並不是蘋果第一款配備雷射雷達的設備。蘋果在今年3月發布新一代iPad時首次推出了這項技術。雖然還沒有人對iPhone 12進行過拆卸，但大可以從拆解新款iPad中學到很多東西。

雷射雷達的工作原理是向目標發射雷射並測量反射回來的時間。因為光是以恆定速度傳播的，所以往返時間可以轉化為精確的距離估計。在二維網格上不斷重複這個過程，結果就能生成一個三維「點」圖，顯示出房間、街道或其他特定地點周圍的物體精確位置。

今年6月份，市場研究公司System Plus Consulting的一份分析報告發現，iPad搭載的雷射雷達使用Lumentum公司製造的VCSEL發射雷射。然後使用索尼提供的一種SPAD傳感器來檢測反射回來的雷射。

VCSEL和SPAD器件最大的賣點之一是，它們都可以使用傳統的半導體製造技術製成，因此可以受益於半導體行業巨大的規模經濟。隨著基於VCSEL的傳感器越來越普遍，它們可能會變得更便宜更好。

兩家致力於製造基於VCSEL的高端雷射雷達公司Ouster和Ibeo在擁擠的雷射雷達市場已經獲得了更多關注。很多智慧型手機製造商慣於效仿蘋果的舉措，其採用這項技術的決定或將在未來幾年為相應的雷射雷達設備提供一個不錯的推動力。

VCSEL技術幫助蘋果公司造出極其簡單的雷射雷達

圖示：Velodyne發明了第一款雷射雷達，可發射64束雷射

第一款三維雷射雷達傳感器是由Velodyne在十多年前發明的。這套可旋轉裝置的價格約為7.5萬美元，比智慧型手機高得多。為了在每部iPhone中安裝上雷射雷達傳感器，蘋果公司需要大幅降低設備價格和體積，VCSEL幫助蘋果公司做到了這一點。

VCSEL到底是什麼？如果用傳統的半導體製造技術製造一個發射雷射器，有兩個基本選擇。從晶圓片側面發射雷射的稱為邊緣發射雷射器（edge-emitting laser），而從晶圓片頂部發射雷射的被稱為垂直腔面發射雷射器（VCSEL)。

一般而言，邊緣發射雷射器的功率更大。但VCSEL已經在光學滑鼠到光學網絡設備等領域應用了幾十年。傳統上認為VCSEL不適合需要大量光照的高端應用程式，但隨著技術成熟，VCSEL也已經變得更加強大。

製作邊緣發射雷射器通常需要切割晶圓，增加了製造過程的成本和複雜性，並限制了晶圓上雷射器的數量。相比之下，VCSEL發出的光垂直於晶圓片，因此不需要進行單獨切割或封裝。這意味著單個矽片可以容納數十、數百甚至數千個VCSEL。理論上講，一個擁有數千個VCSEL的晶片量產成本不會超過幾美元。

這與SPAD傳感器類似。顧名思義，SPAD傳感器的靈敏度足以探測到單個光子。高靈敏度意味著它們會探測到大量噪音。因此，在像雷射雷達這樣的應用中使用SPAD傳感器需要複雜的處理過程。但SPAD的一大優勢和VCSEL一樣，可以用傳統的半導體技術來製造，而且成千上萬SPAD可以裝在一個矽晶片上。

VCSEL和SPAD技術的組合使傳統雷射雷達設計發生戲劇性的簡化。Velodyne最初研製出的三維雷射雷達在一個旋柱上安裝了64個單獨封裝的發射雷射器，而每一個發射雷射器都有一個相匹配的雷射探測器。這種複雜設計加之需要對每個發射雷射器和探測器進行精確排列，是早期雷射雷達裝置如此昂貴的原因之一。

最近，許多公司已經試驗使用小鏡子以掃描模式「引導」雷射束。這種設計只需要一個發射雷射器，而不是64個，但仍然涉及至少一個移動部件。

相比之下，蘋果、Ouster和Ibeo正在製造完全沒有移動部件的雷射雷達傳感器。一個晶片上有成百上千個雷射器，基於VCSEL的雷射雷達可以為雷射雷達視野中的每一點配備專用雷射器。因為所有這些雷射器都預先裝在一個晶片上，所以設備組裝比Velodyne的經典設計要簡單得多。

最近的iPhone已經配備了另一款名為TrueDepth相機的3D傳感器，其支持蘋果的FaceID面部識別功能。這款設備也使用了一個據說由Lumentum提供的一系列VCSEL。TrueDepth的工作原理是將一個由3萬多個光點組成的網格投影到用戶臉上，然後根據網格圖案的變形方式估算出用戶面部的三維形狀。

iPad雷射雷達傳感器投射的雷射點比TrueDepth相機要少得多。一段用紅外攝像機拍攝的視頻顯示，iPad雷射雷達投射出的網格只有幾百個像素。TrueDepth模式是根據光線落在被測者臉上的形狀變化來估算深度，而iPad的雷射雷達傳感器是通過測量光線從物體反射到相機上需要的時間來直接測量距離。這一過程可能產生更精確的深度測量和更大的探測範圍。

功能更強大的雷射雷達也使用VCSEL和SPAD

圖示：Ouster公司的OS-1 (左)和OS-2雷射雷達

蘋果雷射雷達的性能遠遠落後於專業雷射雷達公司銷售的高端傳感器。發明三維雷射雷達的Velodyne公司稱其最強大的雷射雷達探測範圍超過200米，而蘋果雷射雷達傳感器的探測範圍約為5米。

其他基於VCSEL的雷射雷達也比蘋果強大得多。例如，Ouster最強大的基於VCSEL的雷射雷達探測範圍在100米左右，可以探測到反射率僅為10%的物體。

Ouster的電流傳感器都是Velodyne設計風格的旋轉裝置。包含16到128個VCSEL的單個晶片被垂直地安裝在一個旋轉架上，就像Velodyne最初的裝置一樣。這種簡單的固態設計使得Ouster在價格上比Velodyne更有優勢，使得公司成為Velodyne最大的競爭對手之一。但是Ouster公司生產的這些旋轉式雷射雷達傳感器仍然需要數千美元，用在主流汽車上都太貴了，更不用說智慧型手機了。

上周，Ouster宣布計劃發布一款沒有移動部件的新型固態雷射雷達。與Ouster目前雷射雷達中排列16到128個雷射器不同，Ouster的新裝置中將排列超過20000個VCSEL。

Ibeo也在採取類似策略，並且有可能領先於Ouster。Ibeo設計出第一款搭載在奧迪A8上的雷射雷達。這款雷射雷達很原始，只有四行直線垂直排列。但是Ibeo現在正在開發一種名為ibeoNext的新款雷射雷達，其將擁有一個128×80像素的雷射網格，比Ouster計劃中的傳感器網格略小一點，但比Ibeo過去的產品大得多。Ibeo說，這款傳感器將有150米的探測範圍，可以探測到反射率為10%的物體。

Sense Photonics也在自家雷射雷達中使用VCSEL和SPAD。然而，該公司正在使用一種叫做微轉移列印的技術來發射雷射。這使得發射的雷射功率更大，而且不會產生熱量或灼傷眼睛。到目前為止，Sense Photonics公司的雷射雷達探測距離還不夠長，但是公司執行長Shauna McIntyre表示，該公司的目標是在2021年初發布一款探測距離可達200米的雷射雷達傳感器。

雷射雷達將大規模進入汽車市場

圖示：IbeoNext雷射雷達

鑑於汽車行業對雷射雷達的需求可能出現爆炸式增長，Ibeo、Sense和Ouster都在推出新的低成本設計。雷射雷達傳感器可以顯著改善汽車先進駕駛輔助系統的性能。

例如，許多人認為特斯拉擁有業內最先進的駕駛輔助系統之一。但該公司一直存在一個問題，即其汽車會撞向靜止物體，偶爾還會造成致命事故。在探測靜止物體方面，雷射雷達比照相機或雷達的效果更好，因此在汽車上增加雷射雷達可以防止許多類似的碰撞事故發生，同時讓駕駛員更便捷地使用駕駛輔助系統。

迄今為止，雷射雷達被認為對汽車市場來說過於昂貴，但這種情況已經開始改變。多家公司承諾在未來幾年內，雷射雷達傳感器的成本將低於1000美元。

Ouster的目標是在2024年將其ES2傳感器投入大規模量產。該公司表示，最初的量產成本為600美元，隨後幾年價格將降至100美元。

Ibeo尚未公布IbeoNext的價格，但該公司表示，它已經與長城汽車達成協議，將在2022年開始批量生產。

擁有非VCSEL雷射雷達設計的公司也在湧入這個市場。其中最著名的是Luminar，其在今年5月份宣布了與沃爾沃達成交易。沃爾沃的目標是在2022年推出搭載Luminar雷射雷達的汽車。

不同設計各有優缺點。到目前為止，Luminar公司的雷射雷達的探測範圍最大，可達250米。Luminar使用1550nm波長的發射雷射器，傳播距離遠遠超出可見光範圍。此外，人眼中的液體對波長為1550nm的光線來說是不透明的，這意味著Luminar雷射雷達的雷射功率可以更大，且不會對人們眼睛造成傷害。Luminar雷射雷達的視野比Ouster也更廣。

Luminar最大的問題是能否將設備降到1000美元的目標價格。兩年前，Luminar執行長奧斯汀·羅素(Austin Russel)說Luminar需要「將價格降到三位數以下」才能進入大眾市場。但Luminar公司現在表示，在未來幾年內其設備價格有望降到1000美元以下。

相比之下，Ouster和Ibeo在降低雷射雷達成本方面應該不會有太大困難。最大的挑戰可能是達到200米的有效探測距離，這通常被認為是汽車在高速公路上實現自動駕駛所必需的。

Ouster執行長安格斯·帕卡拉（Angus Pacala）在2018年就表示：「與傳統雷射雷達相比，VCSEL發射的雷射並不是非常明亮。」「如果你在設備原型中插入一個SPAD陣列和一個VCSEL陣列，性能將會變得非常糟糕。」然而帕卡拉說，Ouster提出了「許多不同層面上的一些基本智慧財產權」，能夠讓這一組合發揮作用。帕卡拉說，這包括對帶外光進行「特殊」抑制，以及「在SPAD附近進行大量信號處理」，從而將反射的雷射和環境噪聲區分開來。

因此，Ouster、Ibeo和Sense在未來幾年內面臨的巨大挑戰是如何提高VCSEL和SPAD組合的性能，使其達到其他雷射雷達所宣傳的200米探測距離。如果能做到這一點，那么半導體晶片的低成本和簡單性可能會給這些公司的產品帶來決定性優勢。如果做不到，它們可能會被降級到一個較低的市場層次。（騰訊科技審校/皎晗）