تمام اطلاعاتي كه بايد از حسگر لايدار بدانيد؛ فناوري كه مي‌تواند آينده خودروسازي را تغيير دهد

اپل روز سه‌شنبه آيفون ۱۲ رونمايي كرد و از زمان معرفي اين محصول، مطالب مختلفي درباره قابليت‌هاي آن در فضاي مجازي منتشر شد. علاوه‌بر اينترنت 5G كه يكي از مباحثه‌‌برانگيزترين قابليت‌هاي خانواده جديد اپل است، حسگر لايدار (Lidar Sensor) نيز توانسته توجه افراد زيادي را جلب كند. اين شركت توضيحات زيادي درباره توانايي‌هاي قابليت جديد دوربين خود ارائه كرده است. اپل مي‌گويد لايدار مي‌تواند با افزايش سرعت فوكوس، خصوصا در نور كم، عملكرد دوربين را بهبود بخشد و با ايجاد جهشي در فناوري دوربين، باعث توسعه اپليكيشن‌هاي پيچيده‌ي مرتبط با واقعيت افزوده شود.

در مراسم معرفي خانواده آيفون ۱۲، توضيحاتي نيز درباره نحوه عملكرد اين حسگر در موبايل‌هاي هوشمند اين شركت ارائه شد؛ البته اين اولين دستگاه شركت مذكور نيست كه از لايدار استفاده مي‌كند. اپل اولين‌بار در ماه مارس اين فناوري را در نسخه‌ي بازتوليدشده‌ (Refreshed) آيپد قرار داده بود. ازآنجاكه هنوز كسي قطعات آيفون ۱۲ را از هم جدا نكرده، مي‌توانيم اطلاعات زيادي از آيپد به‌دست آوريم.

لايدار با ارسال نور ليزر و محاسبه زمان برگشت آن كار مي‌كند. ازآنجاكه نور با سرعت ثابت حركت مي‌كند، مي‌توان از محاسبه زمان رفت‌وبرگشت آن براي تشخيص فاصله دقيق استفاده كرد. انجام اين فرايند ازطريق شبكه‌اي دوبعدي و تكرار آن باعث توليد شبكه‌اب سه‌بعدي مي‌شود كه محل اشياي اطراف اتاق يا خيابان يا مكان‌‌هاي ديگر را نشان مي‌دهد.

ماه جون، تجزيه‌‌وتحليلي System Plus Consulting انجام داد كه نحوه كار حسگر لايدار موجود در آيپد را نشان مي‌داد. براساس داده‌هاي شركت مذكور، آيپد اپل با استفاده از ليزرهاي عمودي VCSELs ساخت لومنتوم نور ساطع مي‌كند. سپس، با استفاده از حسگرهايي كه ديود‌ تك فوتوني SPADs نام دارند، بازگشت نور محسابه مي‌شود. حسگرهاي يادشده را شركت سوني تأمين مي‌كند.

به‌تازگي شركت‌هاي مختلف در بازار خودرو از تركيب ليزرهاي VCSEL و ردياب‌هاي SPAD براي ساختن حسگر لايدار بسيار قدرتمندتر استفاده مي‌كنند. يكي از نكات مهم فروش VCSEL و SPAD اين است كه مي‌توان آن‌ها را با استفاده از تكنيك‌هاي معمولي ساخت نيمه‌هادي‌ها توليد كرد؛ درنتيجه، توليد حسگرهاي لايدار در مقايس عظيم كاملا توجيه اقتصادي دارد و مي‌تواند به پيشرفت شركت‌هاي در اين زمينه مختلف كمك كند. مطمئنا با بيشترشدن حسگرهاي مبتني‌بر VCSEL،‌ ارزش آن‌ها نيز ارزان‌تر خواهد شد.

شركت‌هاي Ouster و Ibeo در بازار ساخت حسگرهاي لايدار بيشتر از ديگران مدانديشه متخصصين قرار گرفته‌اند. اكنون كه اپل تصميم گرفته از اين فناوري در محصولاتش استفاده كند،‌ اين امر مي‌تواند براي دو شركت مذكور موقعيت بسيار خوبي ايجاد كند؛ زيرا احتمالا شركت‌هاي ديگر نيز از غول فناوري آمريكايي تبعيت خواهند كرد.

اولين حسگر سه‌بعدي لايدار را Velodyne بيش از يك دهه پيش معرفي كرد. اين حسگر حدود ۷۵ هزار دلار ارزش داشت و به‌طرز درخورتوجهي از موبايل‌هاي هوشمند بزرگ‌تر بود؛ اما براي استفاده از چنين حسگري در آيفون‌هاي اپل، بايد تغييرات متعددي روي آن‌ها اعمال مي‌شد. اين تغييرات براي كم‌شدن اندازه و ارزان‌ترشدن فرايند ساخت آن مهم بودند؛ به‌همين‌دليل، فناوري VCSEL به كمك اين شركت آمد.

VCSEL چيست؟ اگر با استفاده از تكنيك‌هاي معمولي ساخت نيمه‌هادي‎‌ها ليزر توليد مي‌كنيد، دو گزينه اساسي پيش‌ رو داريد: در حالت اول، مي‌توانيد ليزري بسازيد كه از كنار دستگاه ساطع شود؛ در حالت دوم، مي‌توانيد سراغ فناوري ديگري برويد كه ليزر با آن از بالاي دستگاه منتشر مي‌شود. اين مدل را VCSEL ناميده‌اند.

پيش‌تر، ليزرهاي مدل اول از قدرت بيشتري برخوردار بودند. در همين حال، براي چند دهه از VCSEL در وسايل زيادي از ماوس‌هاي نوري گرفته تا تجهيزات شبكه استفاده مي‌شد. در گذشته، اين فناوري براي دستگاه‌هايي استفاده مي‌شد كه به نور زيادب احتياج داشتند؛ زيرا قدرت لازم را نداشت. بااين‌حال با گذشت زمان و پيشرفت فناوري، VCSEL به بلوغ رسيد و از قدرت بيشتري بهره‌مند شد.

فرايند ساخت ليزري كه از كنار دستگاه ساطع مي‌شود، به دلايل مختلف ارزش گراني دارد. اين امر به هزينه و پيچيدگي فرايند توليد مي‌افزايد؛ ازاين‌رو تعداد ليزرهاي ساخته‌شده محدود خواهد شد. درمقابل، VCSELها به‌صورت عمودي ساطع مي‌شوند؛ درنتيجه نيازمند برش خاصي نيستند كه هزينه زيادي داشته باشند. اين بدان‌معنا است كه هر تراشه سيليكوني مي‌تواند ده‌ها يا صدها يا حتي هزاران VCSEL را در خود جاي دهد. در اصل، هر تراشه با هزاران VCSEL درصورت توليد در مقياس بزرگ، نبايد هزينه‌اي بيشتر از چند دلار داشته باشد.

داستان اين ليزر با ديودهاي تك فوتوني كه پيش‌تر به آن‌ها اشاره كرديم، مشابه است. همان‌طوركه از نام آن پيدا است، ديودها به‌اندازه‌اي حساس هستند كه حتي يك فوتون را نيز تشخيص مي‌دهند. بنابراين، استفاده از آن‌ها براي حسگري مانند لايدار به پردازش پيچيده‌اي نياز دارد؛ اما مزيت اصلي SPAD اين است كه مي‌توان آن‌ها را مانند VCSEL با استفاده از تكنيك‌هاي نيمه‌هادي مرسوم ساخت و هزاران قطعه را در يك تراشه قرار داد.

اخيرا بعضي از شركت‌ها از طراحي جديدي براي ساخت اين حسگر استفاده كرده‌اند. آن‌ها براي هدايت پرتوهاي ليزر از آينه و به‌جاي ۶۴، تنها از يك ليزر استفاده مي‌كردند؛ اما هنوز حداقل يك قسمت متحرك در آن وجود دارد كه ممكن است بعدها فرايند عملكرد حسگر را با اشكال روبه‌رو كند.

درمقابل، سه شركت اپل و Ouster و Ibeo در حال ساخت حسگرهاي لايداري هستند كه هيچ قسمت متحركي ندارد. لايدارهايي كه بر فناوري VCSEL مبتني هستند، با داشتن صدها يا هزاران ليزر روي يك تراشه، مي‌توانند هر نقطه روي ميدان ديد حسگر را تشخيص دهند. درضمن ازآنجاكه تمام اين ليزرها از قبل روي تراشه‌ قرار گرفته‌ است، مونتاژ آن‌ها بسيار ساده‌تر از طراحي كلاسيك چرخشي Velodyne خواهد بود.

موبايل‌هاي هوشمند اخير اپل از حسگر سه‌بعدي ديگر نيز به‌نام TrueDepth استفاده مي‌كنند كه عملكرد قالبيت FaceID به آن وابسته است. گفته مي‌شود اين حسگر نيز از فناوري VCSEL بهره مي‌برد. TrueDepth براي تشخيص صورت متخصص از ۳۰ هزار نقطه استفاده مي‌كند كه روي سوژه قرار مي‌گيرند. نقطه‌هاي قرارگرفته روي صورت متخصص تصوير سه‌بعدي از چهره او ايجاد مي‌كنند كه براي موارد مختلفي مانند بازشدن دستگاه به‌كار مي‌رود.

براساس اطلاعات به‌دست‌آمده از ويدئو مذكور، حسگرهاي لايدار شبكه‌هاي چندصد پيكسلي دارند. حسگر TrueDepth با مطالعه شكل نوري كه از چهره متخصص بازتاب مي‌شود، سعي مي‌كند فاصله را تشخيص دهد؛ اما لايدار با استفاده از محاسبه ميزان زمان بازگشت نور از سوژه، فاصله دقيق را به‌دست مي‌آورد. اين فرايند احتمالا دقت اندازه‌گيري را افزايش مي‌دهد و برد آن را نيز طولاني‌تر مي‌كند.

عملكرد لايدار اپل بسيار عقب‌تر از حسگرهاي پيشرفته‌اي است كه شركت‌هاي تخصصي لايدار مي‌فروش‌ند. Velodyne، شركت مخترع لايدار سه‌بعدي، براي قدرتمندترين لايدار خود برد بيش از ۲۰۰ متر را در انديشه متخصصين گرفته؛ درحالي‌كه برد حسگر اپل حدود ۵ متر است. ساير لايدارهاي مبتني‌بر VCSEL نيز به‌مراتب قدرتمندتر از حسگر اپل هستند. به‌عنوان مثال، قدرتمندترين لايدار مبتني‌بر VCSEL شركت Ouster دامنه‌اي حدود ۱۰۰ متر براي تشخيص اشياء دارد. اين دامنه درمقابل دامنه درانديشه متخصصينگرفته‌شده براي حسگر اپل بسيار بيشتر است؛ البته بايد اين موضوع را نيز در انديشه متخصصين گرفت كه عموما كسي در موبايل‌هاي هوشمند به چنين حسگر قدرتمندي احتياج پيدا نمي‌كند.

تمام حسگرهاي كنوني Ouster مانند Velodyne بخش‌هاي چرخشي دارند. براي ساخت آن‌ها ۱۶ تا ۱‍۲۸ عدد VCSEL روي يك تراشه قرار گرفته، سپس اين قطعه روي بخش‌هاي چرخشي مانند حسگرهاي Velodyne نصب مي‌شود. سادگي طراحي اين مدل از حسگرها باعث شده است كه Ouster بتواند ارزش توليدات خود را به‌طور چشمگيري كاهش دهد؛ به‌همين‌دليل، اين شركت اكنون يكي از رقباي اصلي Velodyne محسوب مي‌شود؛ اما هنوزهم حسگرهاي ساخت VCSEL گران هستند و نمي‌توان از آن‌ها در موبايل‌هاي هوشمند استفاده كرد.

هفته گذشته، اين شركت اعلام كرد كه قصد دارد حسگرهاي لايدار جديدي به بازار عرضه كند كه بخش چرخشي ندارند. شركت Ouster اين‌بار به‌جاي استفاده از ۱۶ تا ۱۲۸ ليزر روي يك خط، در حسگرهاي خود بيش از ۲۰ هزار VCSEL قرار داد كه در شبكه‌اب دو‌بعدي قرار مي‌گيرند.

رقيب ديگري نيز در بازار ساخت حسگرهاي لايدار وجود دارد كه Sense Photonics ناميده مي‌شود. مانند ديگر شركت‌ها، Sense Photonics نيز از فناوري‌هاي VCSEL و SPAD در ساخت حسگرهاي لايدار خود استفاده مي‌كند؛ اما روشي كه در فرايند ساطع‌شدن ليزر به‌كار مي‌برد، با ديگر شركت‌ها متفاوت است. اين روش micro-transfer printing نام دارد و به ليزر اجازه مي‌دهد بدون جديد‌شدن، از انرژي بيشتري استفاده كند. تاكنون، برد حسگرهاي ساخت اين شركت زياد نبوده؛ اما مديرعامل آن از توليد لايدارهايي با برد ۲۰۰ متري تا اوايل سال ۲۰۲۱ خبر داده است.

هر سه شركت يادشده در حال عرضه حسگرهاي لايدار مقرون‌به‌صرفه‌ هستند؛ زيرا آن‌ها پيش‌بيني مي‌كنند در آينده‌اي نه‌چندان دور، تفاضا براي اين قطعه در بازار خودرو بسيار افزايش پيدا مي‌كند. حسگرهاي لايدار مي‌توانند سيستم‌هاي پيشرفته دستيار راننده (ADAS) را به طرز چشمگيري بهبود بخشند.

تاكنون، استفاده از حسگرهاي لايدار براي صنعت خودروسازي توجيه اقتصادي نداشت؛ اما اكنون با دست به كار شدن چند شركت مختلف براي توليد نمونه‌هاي مقرون‌به‌صرفه اين باور در حال تغيير است. گفته مي‌شود در آينده‌اي نه‌چندان دور، حسگرهاي لايدار ارزشي كمتر از هزار دلار خواهند داشت.

شركت Ouster در انديشه متخصصين دارد حسگر ES2 خود را براي توليد انبوه خودرو در سال ۲۰۲۴ آماده كند. اين شركت مي‌گويد ارزش آن در ابتدا ۶۰۰ دلار خواهد بود و پس از مدتي به ۱۰۰ دلار مي‌رسد. دراين‌ميان، Ibeo هنوز ارزشي براي ibeoNext اعلام نكرده؛ ولي به‌تازگي گفته است با شركت بزرگ چيني به‌نام Great Wall Motors براي توليد انبوه در سال ۲۰۲۲ به‌توافق رسيده است.

همچنين، شركت‌هايي كه از فناوري VCSEL در لايدارهاي خود استفاده نمي‌كردند، اكنون به‌سراغ آن آمده‌اند. يكي از اين شركت‌ها Luminar است كه از معامله اخير خود با ولوو خبر داده است. گفته مي‌شود ولوو قصد دارد تا سال ۲۰۲۲ خودروهايي با حسگر لايدار Luminar توليد كند.

تمام اين مدل‌ها ضعف‌ها و قوت‌هاي خاص خود را دارند. تاكنون، لايدار Luminar بيشترين برد را درمقايسه‌با رقيبان داشته است. ازآنجاكه اين شركت از طول موج ۱،۵۵۰ نانومتر استفاده مي‌كند، چنين طول موجي در حسگرهاي توليدي آن وجود دارد. بايد به اين نكته نيز اشاره كرد كه طول موج يادشده خارج از محدوده‌ي ديد انسان است؛ درنتيجه حسگر Luminar حتي با استفاده از قدرت بيشتر نيز نمي‌تواند آسيبي به چشم برساند. حسگر لايدار اين شركت درمقايسه‌با Ouster محدوده‌ي ديد وسيع‌تري ارائه مي‌دهد.

درمقابل، شركت‌هاي Ouster و Ibeo نبايد اشكال زيادي در توليد لايدارهاي ارزان‌ارزش داشته باشند. تنها مسئله‌اي كه روبه‌روي آن‌ها قرار دارد، رسيدن به فاصله ۲۰۰ متري است؛ زيرا اين فاصله به‌طور كلي براي عملكرد خودروها بسيار مهم است.

اشكال بزرگ پيش ‌روي همه اين شركت‌ها آن است كه بتوانند فناوري VCSEL و SPAD را به‌گونه‌اي تركيب كنند كه بهترين نتيجه را داشته باشد تا بتوان به برد ۲۰۰ متري موردنياز خودروها رسيد. اگر اين كار انجام شود، هزينه ساخت كاهش پيدا مي‌كند و فرايند توليد ساده‌تر مي‌شود؛ اما اگر Ouster و Ibeo و Sense نتوانند به قول خود عمل كنند، ممكن است به رده‌هاي بسيار پايين‌تر بازار سقوط كنند.