VCSELs bringen LiDAR in Apple iPhones: Was können Sie damit anfangen?

Die wirtschaftliche und technische Tragfähigkeit der LiDAR-Technologie (Light Detection and Ranging) wird seit langem kontrovers diskutiert und ist sehr negativ besetzt. Es scheint aber, dass LiDAR gewonnen hat. General Motors kündigte vor kurzem an, dass LiDAR im nächsten Jahr in neun seiner mit fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) ausgestatteten Autos enthalten sein wird, und Apple hat bereits das iPhone 12 Pro, das iPhone 12 Pro Max und das iPad Pro mit LiDAR ausgestattet, wobei die VCSEL-Technologie (Vertical-cavity surface-emitting laser) zum Einsatz kommt. Es wird erwartet, dass die Integration von LiDAR in mobile Geräte einen bahnbrechenden Fortschritt darstellt. Wenn Sie sich noch nicht mit dem Einsatz von LiDAR beschäftigt haben, ist es jetzt an der Zeit.

Das iPhone LiDAR ermöglicht die Tiefenerfassung von Objekten in Entfernungen von bis zu 5 Metern (m) und ist so konzipiert, dass es mit der Kamera und den Bewegungssensoren zusammenarbeitet, um Augmented-Reality-Umgebungen (AR) zu erstellen und zu manipulieren (Abbildung 1). Der neue Achtkern-Grafikprozessor (GPU) A12Z Bionic und die Computer-Vision-Algorithmen sind für die 3D-Modellierung ausgelegt, und die bestehende ARKit-AR-App verfügt über eine zusätzliche Scene Geometry API, um die LiDAR-Daten mit den Kamera- und Bewegungssensordaten zu integrieren. Die LiDAR-Daten sind auch in die App „Measure“ integriert, wodurch Objekte schneller und mit höherer Granularität vermessen werden können.

Abbildung 1: Der LiDAR-Sensor auf diesem Apple iPhone ist der kleine Kreis in der unteren rechten Ecke der schwarzen Fläche, zusammen mit den beiden Kameras (links). (Bildquelle: Apple)

Mit der Funktion „AR Spaces“ in der App „Clips 3.1“ von Apple können Nutzer Videos aufnehmen, die LiDAR-Informationen integrieren und immersive AR-Szenen mit dynamischer Beleuchtung, fallenden Objekten und anderen Spezialeffekten erstellen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Funktion „AR Spaces“ in der App „Clips 3.1“ von Apple ermöglicht die Erstellung von Augmented-Reality-Videoclips. (Bildquelle: Apple)

Nach einem kurzen Vergleich der LiDAR-Technologien VCSEL und EEL (Edge-Emitting Laser) sowie einem Überblick über die Konzepte der Laufzeitmessung (ToF) und der Punktwolke, die hinter LiDAR stehen, werfen wir einen Blick auf das LiDAR-Modul TMF8801 von ams/OSRAM und den VL53L0X-Gravity-LiDAR-Entfernungsmesser SEN0245 von DFRobot für das Arduino UNO Control Board x1.

VCSELs vs. EELs

VCSELs, wie sie von Apple verwendet werden, unterscheiden sich von den EELs, die üblicherweise in LiDAR-Systemen für die Automobilindustrie und die Industrie eingesetzt werden. VCSELs sind für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch und kurzer Reichweite optimiert, wo sie mehrere Vorteile bieten:

• Höhere Zuverlässigkeit, da ein VCSEL-Array aus 50 bis 10.000 einzelnen Emittern besteht, wodurch die Auswirkungen des Ausfalls eines einzelnen Emitters im Vergleich zu EELs mit einem bis vier Emittern erheblich reduziert werden.
• Ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) als Ergebnis einer effektiveren Filterung am Empfänger, die durch eine geringere Wellenlängenbandbreite über die Temperatur ermöglicht wird.
• Einfachere Systemintegration, da VCSELs vertikale zylindrische Strahlen aussenden.

ToF und Punktwolken

LiDAR basiert auf ToF-Messungen. Eine Reihe von Laserimpulsen wird auf ein Objekt gerichtet, und die Rückkehrzeit wird von einem eingebauten Fotosensor gemessen (Abbildung 3). ToF misst die Umlaufzeit der Laserpulse, so dass die Entfernung zum Objekt proportional zur Hälfte der ToF multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit ist, die in Luft etwa 30 Zentimeter pro Nanosekunde (cm/ns) beträgt. VCSEL-Systeme, wie sie in den iPhones verwendet werden, können Entfernungen bis zu mehreren Metern mit hoher Genauigkeit messen.

Abbildung 3: ToF-Messungen basieren auf der Messung der Zeit, die ein Laserpuls benötigt, um von einem Ziel reflektiert zu werden und zum LiDAR-Sensor zurückzukehren. (Bildquelle: DFRobot)

Eine Punktwolke besteht aus Tausenden oder Millionen von ToF-Messungen. Mit Hilfe von Punktwolken und der dazugehörigen Bildverarbeitungssoftware können LiDAR-Systeme dreidimensionale (3D-)Bilder der Umgebung mit einer Geschwindigkeit von 30 Bildern pro Sekunde oder schneller erstellen.

VCSEL für einen Mobiltelefon-Rahmen

Entwickler von tragbaren und handgehaltenen Geräten können den LiDAR-ToF-Sensor TMF8801 von ams/OSRAM verwenden. Er bietet einen Erfassungsbereich von 2500 Millimetern (mm) und wird in einem Gehäuse mit den Abmessungen 2,2 x 3,6 x 1,0 mm geliefert, das in einen Handy-Rahmen passt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der ToF-Sensor TMF8801 hat einen Erfassungsbereich von 2500 mm und passt in einen Handy-Rahmen. (Bildquelle: ams/OSRAM)

Der TMF8801 kombiniert die VCSEL-Technologie mit einem Einzelphotonen-Avalanche-Dioden-Sensor (SPAD), der Einzelphotonensignale mit einer Auflösung von einigen zehn Pikosekunden (ps) detektieren kann. Der integrierte VCSEL-Treiber erzeugt Laserpulse mit einer Wellenlänge von 940 Nanometern (nm) und einer Dauer von weniger als 500 ps, wodurch der TMF8801 die Anforderungen der IEC 60825-1 Klasse 1 für Augensicherheit erfüllt. Ein Filter zur Unterdrückung von Sonnenlicht minimiert das Hintergrundrauschen, und der integrierte Cortex-M0-Mikrocontroller (MCU) enthält Bildverarbeitungsalgorithmen. Die 1,8V-I²C-Fast-Mode-Schnittstelle verbindet den TMF8801 mit dem System.

VCSEL-Modul für Arduino-Platinen

Der VL53L0X-Gravity-Entfernungsmesser SEN0245 von DFRobot ist eine weitere gute Möglichkeit, die Verwendung von VCSEL-basiertem LiDAR zu erkunden (Abbildung 5). Er ist für die Verwendung mit einer Arduino-UNO-Steuerplatine x1 konzipiert und kann Entfernungen von bis zu 2 m messen. Der VCSEL-Emitter mit einer Wellenlänge von 940 nm und das integrierte SPAD-Array bieten eine Messgenauigkeit von ±3 % bei einer Ansprechzeit von unter 30 Millisekunden (ms) und einer Leistungsaufnahme von 20 Milliwatt (mW). Der VL53L0X verfügt über die Gravity-I2C-Schnittstelle von DFRobot, die für die Verwendung mit einer Vielzahl von MCUs ausgelegt ist und die Flexibilität zur Unterstützung einer Reihe von LiDAR-Anwendungen bietet.

Abbildung 5: Der VL53L0X-ToF-Laserentfernungsmesser SEN0245 ist für die Verwendung mit einer Arduino-UNO-Steuerplatine x1 zur Messung von Entfernungen bis zu 2 m vorgesehen. (Bildquelle: DFRobot)

Fazit

Die Frage, ob die LiDAR-Technologie praktikabel ist oder nicht, stellt sich nicht mehr, denn sie hat sich bereits durchgesetzt. LiDAR wird in ADAS-Systeme von Kraftfahrzeugen und in die neuesten Modelle des Apple iPhones integriert. Insbesondere die stromsparende VCSEL-Emittertechnologie in Kombination mit SPAD-Sensorarrays ermöglicht den Einsatz von LiDAR in tragbaren Verbrauchergeräten.

Sie können mit Ihren eigenen VCSEL-basierten LiDAR-Designs beginnen, indem Sie fertige Module verwenden, die alle erforderlichen Optiken, MCU-Schnittstellen und grundlegende Bildverarbeitungssoftware enthalten, damit Sie schnell loslegen können.