據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，前不久蘋果發(fā)布了新款iPad Pro，成為蘋果第一款為虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）應(yīng)用引入激光雷達(dá)（LiDAR）的智能設(shè)備。迄今為止，激光雷達(dá)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人、無人機(jī)以及安防等領(lǐng)域。蘋果此次的激光雷達(dá)應(yīng)用，或?qū)?biāo)志著激光雷達(dá)已經(jīng)超越了它最初的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，逐步打開主流消費(fèi)類市場。

三維空間感知需求

蘋果的開發(fā)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，激光雷達(dá)可以改善AR體驗(yàn)，而這僅僅依賴攝像頭技術(shù)是難以實(shí)現(xiàn)的。對于整個(gè)傳感器行業(yè)來說，蘋果公司的示范效應(yīng)意義重大，因?yàn)?，一直到現(xiàn)在業(yè)界仍在爭論純攝像頭技術(shù)的可行性。許多廠商嘗試僅采用攝像頭，通過算法推算三維空間信息來改善AR體驗(yàn)，但是，低質(zhì)量的空間數(shù)據(jù)，使這些嘗試的用戶體驗(yàn)并不理想。

AR設(shè)計(jì)師希望用戶看到的畫面

基于攝像頭的AR系統(tǒng)的實(shí)際體驗(yàn)

激光雷達(dá)輸出的3D數(shù)據(jù)可以提供精確的環(huán)境3D深度信息，解決了以往AR系統(tǒng)僅使用攝像頭的不足，并且，激光雷達(dá)對于陰影、眩光和低/無光照條件具有原生的免疫力。對蘋果來說，激光雷達(dá)技術(shù)給AR體驗(yàn)帶來的優(yōu)勢遠(yuǎn)超成本。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，蘋果公司采用了一種長期來看具有最高性能、最佳可靠性以及最低成本的激光雷達(dá)架構(gòu)：數(shù)字激光雷達(dá)。

蘋果選擇的數(shù)字激光雷達(dá)

蘋果新款iPad Pro配備了數(shù)字Flash激光雷達(dá)（一種固態(tài)激光雷達(dá)）系統(tǒng)。顧名思義，F(xiàn)lash激光雷達(dá)就像照相機(jī)的閃光燈一樣，通過發(fā)射一整幅光束來探測物體，而不是傳統(tǒng)機(jī)械旋轉(zhuǎn)激光雷達(dá)的逐點(diǎn)掃描激光束。

這套激光雷達(dá)系統(tǒng)采用垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）作為光源，單光子雪崩二極管（SPAD）陣列作為光探測器。這兩項(xiàng)核心技術(shù)構(gòu)成了數(shù)字激光雷達(dá)的基礎(chǔ)，這種方案所具有的多項(xiàng)優(yōu)勢使其更理想地適于商業(yè)化：

1、VCSEL和SPAD能夠提供卓越的性能、尺寸和成本。與其它激光發(fā)射器技術(shù)相比，VCSEL更小、更輕、更耐用、更易于制造。而SPAD能夠進(jìn)行單個(gè)光子計(jì)數(shù)，可以密集地封裝在芯片上，具有出色的時(shí)間分辨率，與傳統(tǒng)的模擬激光雷達(dá)探測器（如APD）相比，SPAD具有更簡單、更小、更耐用且更原生的數(shù)字架構(gòu)。

2、由于VCSEL和SPAD都可以以陣列形式集成，因此它們可以實(shí)現(xiàn)更堅(jiān)固更耐久的系統(tǒng)。將所有激光器和探測器都以單芯片陣列形式體現(xiàn)，能夠大幅減少系統(tǒng)中的組件數(shù)量，提高耐久性和魯棒性。

3、VCSEL和SPAD的成本正隨著規(guī)模的擴(kuò)大而快速下降，并且，能夠隨著摩爾定律的發(fā)展而不斷改善。而邊發(fā)射激光器（EEL）和傳統(tǒng)的模擬APD探測器已經(jīng)成熟，幾乎沒有改進(jìn)的空間。

2015年，Ouster成為第一家采用這種方案的激光雷達(dá)公司，擁有該領(lǐng)域最早的基礎(chǔ)專利，并在2017年率先發(fā)布了第一款數(shù)字激光雷達(dá)傳感器。從那以后，Ouster一直見證著這項(xiàng)技術(shù)的成本、可靠性和性能在持續(xù)改善，而2020年蘋果對這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，是推動(dòng)該激光雷達(dá)方案邁向大規(guī)模量產(chǎn)的又一里程碑。

利用近紅外相機(jī)拍攝的Ouster商用激光雷達(dá)和蘋果iPad Pro消費(fèi)級激光雷達(dá)分辨率對比

傳統(tǒng)的基于模擬APD的激光雷達(dá)系統(tǒng)（匹配邊發(fā)射激光器）一直用于研發(fā)，難以突破商業(yè)化。這種過時(shí)的系統(tǒng)有上百個(gè)激光器、探測器及其它組件，需要人工手動(dòng)組裝，并且需要不斷重新校準(zhǔn)。因此，這種復(fù)雜系統(tǒng)的成本可以高達(dá)35000美元，而且在室外條件下故障率很高，因此不具備商業(yè)化所要求的成本或可靠性。

相比之下，Ouster和現(xiàn)在蘋果使用的數(shù)字激光雷達(dá)系統(tǒng)只需要兩顆芯片。這種系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠性高，能夠抵御最嚴(yán)苛的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境（現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)消費(fèi)級應(yīng)用）。Ouster的激光雷達(dá)傳感器通過了嚴(yán)格的車規(guī)級沖擊和振動(dòng)測試，達(dá)到IP68和IP69K防護(hù)等級，是目前市場上所有激光雷達(dá)傳感器中防護(hù)等級最高的產(chǎn)品。

振動(dòng)測試中的Ouster激光雷達(dá)

蘋果iPad Pro中的激光雷達(dá)系統(tǒng)只需要數(shù)米的探測范圍，但對于自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化和3D測繪等應(yīng)用，性能需求要高得多，例如，感知范圍可能需要數(shù)百米。為了達(dá)到超過200米的探測性能，Ouster數(shù)字激光雷達(dá)傳感器應(yīng)用了相同的底層數(shù)字激光雷達(dá)技術(shù)，但是采用了更先進(jìn)的專利光學(xué)設(shè)計(jì)。

左圖，iPad Pro室內(nèi)測繪圖；右圖，Ouster新款128線激光雷達(dá)OS1-128生成的高分辨率即時(shí)定位與地圖構(gòu)建（SLAM）圖

隨著芯片升級，系統(tǒng)性能還可以持續(xù)改善

蘋果iPad Pro對VCSEL和SPAD應(yīng)用的示范作用，勢必會(huì)鼓勵(lì)供應(yīng)鏈合作伙伴加大投入，推動(dòng)該技術(shù)方案在未來幾年內(nèi)快速發(fā)展。隨著VCSEL和SPAD品質(zhì)和性能的改進(jìn)，Ouster數(shù)字激光雷達(dá)傳感器可以在不改變核心系統(tǒng)架構(gòu)的情況下，獲得更高的分辨率、更遠(yuǎn)的探測距離和更高的精度。

近紅外攝像頭拍攝的運(yùn)行中的OS0-128激光雷達(dá)

事實(shí)上，自O(shè)uster在2015年首次設(shè)計(jì)該方案以來，在5年左右的時(shí)間內(nèi)，VCSEL和SPAD的性能已經(jīng)提高了約1000%，而其它機(jī)械旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)所使用的模擬技術(shù)幾乎沒有什么改進(jìn)。

2020年初，Ouster推出了第二代激光雷達(dá)傳感器，將垂直分辨率提高了一倍，達(dá)到了128線，同時(shí)精度還提高了一倍。此外，最大探測距離提高到了240米，并且，仍然能夠提供市場上最低的價(jià)格。隨著時(shí)間的推移，分辨率、探測范圍和精度還會(huì)持續(xù)改善，同時(shí)成本將不斷走低。在高性能激光雷達(dá)市場上，Ouster的數(shù)字激光雷達(dá)技術(shù)將以極具競爭力的價(jià)格，提供令人難以置信的性能和可靠性。隨著蘋果數(shù)字激光雷達(dá)方案的商業(yè)化應(yīng)用，Ouster期待將同樣的優(yōu)勢和性能交付給全球各地的消費(fèi)者。
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