تمام اطلاعاتی که باید از حسگر لایدار بدانید؛ فناوری که می‌تواند آینده خودروسازی را تغییر دهد

اپل روز سه‌شنبه آیفون ۱۲ رونمایی کرد و از زمان معرفی این محصول، مطالب مختلفی درباره قابلیت‌های آن در فضای مجازی منتشر شد. علاوه‌بر اینترنت 5G که یکی از بحث‌‌برانگیزترین قابلیت‌های خانواده جدید اپل است، حسگر لایدار (Lidar Sensor) نیز توانسته توجه افراد زیادی را جلب کند. این شرکت توضیحات زیادی درباره توانایی‌های قابلیت جدید دوربین خود ارائه کرده است. اپل می‌گوید لایدار می‌تواند با افزایش سرعت فوکوس، خصوصا در نور کم، عملکرد دوربین را بهبود بخشد و با ایجاد جهشی در فناوری دوربین، باعث توسعه اپلیکیشن‌های پیچیده‌ی مرتبط با واقعیت افزوده شود.

در مراسم معرفی خانواده آیفون ۱۲، توضیحاتی نیز درباره نحوه عملکرد این حسگر در گوشی‌های هوشمند این شرکت ارائه شد؛ البته این اولین دستگاه شرکت مذکور نیست که از لایدار استفاده می‌کند. اپل اولین‌بار در ماه مارس این فناوری را در نسخه‌ی بازتولیدشده‌ (Refreshed) آیپد قرار داده بود. ازآنجاکه هنوز کسی قطعات آیفون ۱۲ را از هم جدا نکرده، می‌توانیم اطلاعات زیادی از آیپد به‌دست آوریم.

لایدار با ارسال نور لیزر و محاسبه زمان برگشت آن کار می‌کند. ازآنجاکه نور با سرعت ثابت حرکت می‌کند، می‌توان از محاسبه زمان رفت‌وبرگشت آن برای تشخیص فاصله دقیق استفاده کرد. انجام این فرایند ازطریق شبکه‌ای دوبعدی و تکرار آن باعث تولید شبکه‌اب سه‌بعدی می‌شود که محل اشیای اطراف اتاق یا خیابان یا مکان‌‌های دیگر را نشان می‌دهد.

ماه جون، تجزیه‌‌وتحلیلی System Plus Consulting انجام داد که نحوه کار حسگر لایدار موجود در آیپد را نشان می‌داد. براساس داده‌های شرکت مذکور، آیپد اپل با استفاده از لیزرهای عمودی VCSELs ساخت لومنتوم نور ساطع می‌کند. سپس، با استفاده از حسگرهایی که دیود‌ تک فوتونی SPADs نام دارند، بازگشت نور محسابه می‌شود. حسگرهای یادشده را شرکت سونی تأمین می‌کند.

به‌تازگی شرکت‌های مختلف در بازار خودرو از ترکیب لیزرهای VCSEL و ردیاب‌های SPAD برای ساختن حسگر لایدار بسیار قدرتمندتر استفاده می‌کنند. یکی از نکات مهم فروش VCSEL و SPAD این است که می‌توان آن‌ها را با استفاده از تکنیک‌های معمولی ساخت نیمه‌هادی‌ها تولید کرد؛ درنتیجه، تولید حسگرهای لایدار در مقایس عظیم کاملا توجیه اقتصادی دارد و می‌تواند به پیشرفت شرکت‌های در این زمینه مختلف کمک کند. مطمئنا با بیشترشدن حسگرهای مبتنی‌بر VCSEL،‌ قیمت آن‌ها نیز ارزان‌تر خواهد شد.

شرکت‌های Ouster و Ibeo در بازار ساخت حسگرهای لایدار بیشتر از دیگران مدنظر قرار گرفته‌اند. اکنون که اپل تصمیم گرفته از این فناوری در محصولاتش استفاده کند،‌ این امر می‌تواند برای دو شرکت مذکور موقعیت بسیار خوبی ایجاد کند؛ زیرا احتمالا شرکت‌های دیگر نیز از غول فناوری آمریکایی تبعیت خواهند کرد.

اولین حسگر سه‌بعدی لایدار را Velodyne بیش از یک دهه پیش معرفی کرد. این حسگر حدود ۷۵ هزار دلار قیمت داشت و به‌طرز درخورتوجهی از گوشی‌های هوشمند بزرگ‌تر بود؛ اما برای استفاده از چنین حسگری در آیفون‌های اپل، باید تغییرات متعددی روی آن‌ها اعمال می‌شد. این تغییرات برای کم‌شدن اندازه و ارزان‌ترشدن فرایند ساخت آن مهم بودند؛ به‌همین‌دلیل، فناوری VCSEL به کمک این شرکت آمد.

VCSEL چیست؟ اگر با استفاده از تکنیک‌های معمولی ساخت نیمه‌هادی‎‌ها لیزر تولید می‌کنید، دو گزینه اساسی پیش‌ رو دارید: در حالت اول، می‌توانید لیزری بسازید که از کنار دستگاه ساطع شود؛ در حالت دوم، می‌توانید سراغ فناوری دیگری بروید که لیزر با آن از بالای دستگاه منتشر می‌شود. این مدل را VCSEL نامیده‌اند.

پیش‌تر، لیزرهای مدل اول از قدرت بیشتری برخوردار بودند. در همین حال، برای چند دهه از VCSEL در وسایل زیادی از ماوس‌های نوری گرفته تا تجهیزات شبکه استفاده می‌شد. در گذشته، این فناوری برای دستگاه‌هایی استفاده می‌شد که به نور زیادب احتیاج داشتند؛ زیرا قدرت لازم را نداشت. بااین‌حال با گذشت زمان و پیشرفت فناوری، VCSEL به بلوغ رسید و از قدرت بیشتری بهره‌مند شد.

فرایند ساخت لیزری که از کنار دستگاه ساطع می‌شود، به دلایل مختلف قیمت گرانی دارد. این امر به هزینه و پیچیدگی فرایند تولید می‌افزاید؛ ازاین‌رو تعداد لیزرهای ساخته‌شده محدود خواهد شد. درمقابل، VCSELها به‌صورت عمودی ساطع می‌شوند؛ درنتیجه نیازمند برش خاصی نیستند که هزینه زیادی داشته باشند. این بدان‌معنا است که هر تراشه سیلیکونی می‌تواند ده‌ها یا صدها یا حتی هزاران VCSEL را در خود جای دهد. در اصل، هر تراشه با هزاران VCSEL درصورت تولید در مقیاس بزرگ، نباید هزینه‌ای بیشتر از چند دلار داشته باشد.

داستان این لیزر با دیودهای تک فوتونی که پیش‌تر به آن‌ها اشاره کردیم، مشابه است. همان‌طورکه از نام آن پیدا است، دیودها به‌اندازه‌ای حساس هستند که حتی یک فوتون را نیز تشخیص می‌دهند. بنابراین، استفاده از آن‌ها برای حسگری مانند لایدار به پردازش پیچیده‌ای نیاز دارد؛ اما مزیت اصلی SPAD این است که می‌توان آن‌ها را مانند VCSEL با استفاده از تکنیک‌های نیمه‌هادی مرسوم ساخت و هزاران قطعه را در یک تراشه قرار داد.

اخیرا بعضی از شرکت‌ها از طراحی جدیدی برای ساخت این حسگر استفاده کرده‌اند. آن‌ها برای هدایت پرتوهای لیزر از آینه و به‌جای ۶۴، تنها از یک لیزر استفاده می‌کردند؛ اما هنوز حداقل یک قسمت متحرک در آن وجود دارد که ممکن است بعدها فرایند عملکرد حسگر را با مشکل روبه‌رو کند.

درمقابل، سه شرکت اپل و Ouster و Ibeo در حال ساخت حسگرهای لایداری هستند که هیچ قسمت متحرکی ندارد. لایدارهایی که بر فناوری VCSEL مبتنی هستند، با داشتن صدها یا هزاران لیزر روی یک تراشه، می‌توانند هر نقطه روی میدان دید حسگر را تشخیص دهند. درضمن ازآنجاکه تمام این لیزرها از قبل روی تراشه‌ قرار گرفته‌ است، مونتاژ آن‌ها بسیار ساده‌تر از طراحی کلاسیک چرخشی Velodyne خواهد بود.

گوشی‌های هوشمند اخیر اپل از حسگر سه‌بعدی دیگر نیز به‌نام TrueDepth استفاده می‌کنند که عملکرد قالبیت FaceID به آن وابسته است. گفته می‌شود این حسگر نیز از فناوری VCSEL بهره می‌برد. TrueDepth برای تشخیص صورت کاربر از ۳۰ هزار نقطه استفاده می‌کند که روی سوژه قرار می‌گیرند. نقطه‌های قرارگرفته روی صورت کاربر تصویر سه‌بعدی از چهره او ایجاد می‌کنند که برای موارد مختلفی مانند بازشدن دستگاه به‌کار می‌رود.

براساس اطلاعات به‌دست‌آمده از ویدئو مذکور، حسگرهای لایدار شبکه‌های چندصد پیکسلی دارند. حسگر TrueDepth با بررسی شکل نوری که از چهره کاربر بازتاب می‌شود، سعی می‌کند فاصله را تشخیص دهد؛ اما لایدار با استفاده از محاسبه میزان زمان بازگشت نور از سوژه، فاصله دقیق را به‌دست می‌آورد. این فرایند احتمالا دقت اندازه‌گیری را افزایش می‌دهد و برد آن را نیز طولانی‌تر می‌کند.

عملکرد لایدار اپل بسیار عقب‌تر از حسگرهای پیشرفته‌ای است که شرکت‌های تخصصی لایدار می‌فروش‌ند. Velodyne، شرکت مخترع لایدار سه‌بعدی، برای قدرتمندترین لایدار خود برد بیش از ۲۰۰ متر را در نظر گرفته؛ درحالی‌که برد حسگر اپل حدود ۵ متر است. سایر لایدارهای مبتنی‌بر VCSEL نیز به‌مراتب قدرتمندتر از حسگر اپل هستند. به‌عنوان مثال، قدرتمندترین لایدار مبتنی‌بر VCSEL شرکت Ouster دامنه‌ای حدود ۱۰۰ متر برای تشخیص اشیاء دارد. این دامنه درمقابل دامنه درنظرگرفته‌شده برای حسگر اپل بسیار بیشتر است؛ البته باید این موضوع را نیز در نظر گرفت که عموما کسی در گوشی‌های هوشمند به چنین حسگر قدرتمندی احتیاج پیدا نمی‌کند.

تمام حسگرهای کنونی Ouster مانند Velodyne بخش‌های چرخشی دارند. برای ساخت آن‌ها ۱۶ تا ۱‍۲۸ عدد VCSEL روی یک تراشه قرار گرفته، سپس این قطعه روی بخش‌های چرخشی مانند حسگرهای Velodyne نصب می‌شود. سادگی طراحی این مدل از حسگرها باعث شده است که Ouster بتواند قیمت تولیدات خود را به‌طور چشمگیری کاهش دهد؛ به‌همین‌دلیل، این شرکت اکنون یکی از رقبای اصلی Velodyne محسوب می‌شود؛ اما هنوزهم حسگرهای ساخت VCSEL گران هستند و نمی‌توان از آن‌ها در گوشی‌های هوشمند استفاده کرد.

هفته گذشته، این شرکت اعلام کرد که قصد دارد حسگرهای لایدار جدیدی به بازار عرضه کند که بخش چرخشی ندارند. شرکت Ouster این‌بار به‌جای استفاده از ۱۶ تا ۱۲۸ لیزر روی یک خط، در حسگرهای خود بیش از ۲۰ هزار VCSEL قرار داد که در شبکه‌اب دو‌بعدی قرار می‌گیرند.

رقیب دیگری نیز در بازار ساخت حسگرهای لایدار وجود دارد که Sense Photonics نامیده می‌شود. مانند دیگر شرکت‌ها، Sense Photonics نیز از فناوری‌های VCSEL و SPAD در ساخت حسگرهای لایدار خود استفاده می‌کند؛ اما روشی که در فرایند ساطع‌شدن لیزر به‌کار می‌برد، با دیگر شرکت‌ها متفاوت است. این روش micro-transfer printing نام دارد و به لیزر اجازه می‌دهد بدون داغ‌شدن، از انرژی بیشتری استفاده کند. تاکنون، برد حسگرهای ساخت این شرکت زیاد نبوده؛ اما مدیرعامل آن از تولید لایدارهایی با برد ۲۰۰ متری تا اوایل سال ۲۰۲۱ خبر داده است.

هر سه شرکت یادشده در حال عرضه حسگرهای لایدار مقرون‌به‌صرفه‌ هستند؛ زیرا آن‌ها پیش‌بینی می‌کنند در آینده‌ای نه‌چندان دور، تفاضا برای این قطعه در بازار خودرو بسیار افزایش پیدا می‌کند. حسگرهای لایدار می‌توانند سیستم‌های پیشرفته دستیار راننده (ADAS) را به طرز چشمگیری بهبود بخشند.

تاکنون، استفاده از حسگرهای لایدار برای صنعت خودروسازی توجیه اقتصادی نداشت؛ اما اکنون با دست به کار شدن چند شرکت مختلف برای تولید نمونه‌های مقرون‌به‌صرفه این باور در حال تغییر است. گفته می‌شود در آینده‌ای نه‌چندان دور، حسگرهای لایدار قیمتی کمتر از هزار دلار خواهند داشت.

شرکت Ouster در نظر دارد حسگر ES2 خود را برای تولید انبوه خودرو در سال ۲۰۲۴ آماده کند. این شرکت می‌گوید قیمت آن در ابتدا ۶۰۰ دلار خواهد بود و پس از مدتی به ۱۰۰ دلار می‌رسد. دراین‌میان، Ibeo هنوز قیمتی برای ibeoNext اعلام نکرده؛ ولی به‌تازگی گفته است با شرکت بزرگ چینی به‌نام Great Wall Motors برای تولید انبوه در سال ۲۰۲۲ به‌توافق رسیده است.

همچنین، شرکت‌هایی که از فناوری VCSEL در لایدارهای خود استفاده نمی‌کردند، اکنون به‌سراغ آن آمده‌اند. یکی از این شرکت‌ها Luminar است که از معامله اخیر خود با ولوو خبر داده است. گفته می‌شود ولوو قصد دارد تا سال ۲۰۲۲ خودروهایی با حسگر لایدار Luminar تولید کند.

تمام این مدل‌ها ضعف‌ها و قوت‌های خاص خود را دارند. تاکنون، لایدار Luminar بیشترین برد را درمقایسه‌با رقیبان داشته است. ازآنجاکه این شرکت از طول موج ۱،۵۵۰ نانومتر استفاده می‌کند، چنین طول موجی در حسگرهای تولیدی آن وجود دارد. باید به این نکته نیز اشاره کرد که طول موج یادشده خارج از محدوده‌ی دید انسان است؛ درنتیجه حسگر Luminar حتی با استفاده از قدرت بیشتر نیز نمی‌تواند آسیبی به چشم برساند. حسگر لایدار این شرکت درمقایسه‌با Ouster محدوده‌ی دید وسیع‌تری ارائه می‌دهد.

درمقابل، شرکت‌های Ouster و Ibeo نباید مشکل زیادی در تولید لایدارهای ارزان‌قیمت داشته باشند. تنها مسئله‌ای که روبه‌روی آن‌ها قرار دارد، رسیدن به فاصله ۲۰۰ متری است؛ زیرا این فاصله به‌طور کلی برای عملکرد خودروها بسیار مهم است.

مشکل بزرگ پیش ‌روی همه این شرکت‌ها آن است که بتوانند فناوری VCSEL و SPAD را به‌گونه‌ای ترکیب کنند که بهترین نتیجه را داشته باشد تا بتوان به برد ۲۰۰ متری موردنیاز خودروها رسید. اگر این کار انجام شود، هزینه ساخت کاهش پیدا می‌کند و فرایند تولید ساده‌تر می‌شود؛ اما اگر Ouster و Ibeo و Sense نتوانند به قول خود عمل کنند، ممکن است به رده‌های بسیار پایین‌تر بازار سقوط کنند.