Les VCSEL intègrent le lidar dans l'iPhone d'Apple : que faire ?

La viabilité économique et technique de la technologie de télédétection par laser (lidar) fait l'objet d'un débat permanent, souvent assorti de nombreuses critiques. Il semblerait toutefois que le lidar ait gagné. General Motors a récemment annoncé que le lidar sera intégré dans neuf de ses voitures équipées de systèmes avancés d'aide à la conduite (ADAS) l'an prochain, et Apple a déjà intégré le lidar dans l'iPhone 12 Pro, l'iPhone 12 Pro Max et l'iPad Pro en utilisant la technologie laser à cavité verticale et à émission par la surface (VCSEL). L'ajout du lidar dans les dispositifs mobiles devrait changer la donne. Si vous n'avez pas encore étudié l'utilisation du lidar, c'est le moment de le faire.

Le lidar de l'iPhone permet la détection en profondeur d'objets à des distances jusqu'à 5 mètres (m) et est conçu pour fonctionner avec la caméra et les détecteurs de mouvement afin de créer et de manipuler des environnements de réalité augmentée (RA) (Figure 1). Le nouveau processeur graphique (GPU) A12Z Bionic à huit cœurs et les algorithmes de vision par ordinateur sont conçus pour la modélisation 3D, et l'application de RA ARKit existante dispose d'une API de géométrie de scène ajoutée pour intégrer les données lidar aux données de la caméra et des détecteurs de mouvement. Les données lidar sont également intégrées dans l'application Measure, offrant ainsi la possibilité de mesurer des objets plus rapidement et avec une granularité supérieure.

Figure 1 : Le capteur lidar de cet iPhone d'Apple correspond au petit cercle en bas à droite de la zone noire, accompagnant les deux caméras (à gauche). (Source de l'image : Apple)

Grâce à la fonction d'espaces en RA de l'application Clips 3.1 d'Apple, les utilisateurs peuvent enregistrer des vidéos, intégrer les informations lidar et créer des scènes immersives en RA avec un éclairage dynamique, des objets qui tombent et d'autres effets spéciaux (Figure 2).

Figure 2 : La fonction d'espaces en RA de l'application Clips 3.1 d'Apple permet de créer des clips vidéo en réalité augmentée. (Source de l'image : Apple)

Après une brève comparaison des technologies lidar VCSEL et laser à émission latérale (EEL), puis un aperçu des concepts de temps de vol (ToF) et de nuage de points qui se cachent derrière la technologie lidar, nous examinerons le module lidar TMF8801 d'ams/OSRAM et le télémètre lidar SEN0245 VL53L0X Gravity de DFRobot pour la carte de contrôle Arduino UNO x1.

VCSEL et EEL

Les VCSEL, comme ceux utilisés par Apple, sont différents des EEL couramment utilisés dans les systèmes lidar automobiles et industriels. Les VCSEL sont optimisés pour les applications basse consommation à courte portée, où ils offrent plusieurs avantages :

• Une fiabilité accrue puisqu'un réseau VCSEL se compose de 50 à 10 000 émetteurs individuels, réduisant ainsi considérablement l'impact lié à la défaillance d'un seul émetteur par rapport aux EEL comportant un à quatre émetteurs.
• Un rapport signal/bruit (SNR) amélioré grâce à un filtrage plus efficace au niveau du récepteur, rendu possible par une bande passante de longueur d'onde plus étroite en fonction de la température.
• Une intégration du système simplifiée puisque les VCSEL émettent des faisceaux cylindriques verticaux.

Temps de vol et nuages de points

Le lidar est basé sur des mesures du temps de vol (ToF). Une série d'impulsions laser est dirigée vers un objet et le temps de retour est mesuré par un photocapteur embarqué (Figure 3). Le ToF mesure le temps de vol aller-retour des impulsions laser, de sorte que la distance jusqu'à l'objet est proportionnelle à la moitié de la valeur ToF multipliée par la vitesse de la lumière, soit environ 30 centimètres par nanoseconde (cm/ns) dans l'air. Les systèmes VCSEL comme celui utilisé dans les iPhone peuvent mesurer des distances jusqu'à plusieurs mètres avec une grande précision.

Figure 3 : Les mesures ToF sont basées sur la mesure du temps nécessaire à une impulsion laser pour se refléter sur une cible et revenir au capteur lidar. (Source de l'image : DFRobot)

Un nuage de points se compose de milliers, voire de millions de mesures ToF. En utilisant des nuages de points et le logiciel de traitement d'image associé, les systèmes lidar peuvent créer des images tridimensionnelles (3D) de l'environnement alentour à des vitesses de 30 images par seconde (ips), voire plus.

Système VCSEL pour un encadrement de téléphone portable

Les concepteurs de dispositifs portables et portatifs peuvent utiliser le capteur ToF lidar TMF8801 d'ams/OSRAM. Il offre une portée de détection de 2500 millimètres (mm) et est livré dans un boîtier de 2,2 mm x 3,6 mm x 1,0 mm, conçu pour s'intégrer dans un encadrement de téléphone portable (Figure 4).

Figure 4 : Le capteur ToF TMF8801 offre une portée de détection de 2500 mm et peut s'intégrer dans un encadrement de téléphone portable. (Source de l'image : ams/OSRAM)

Le TMF8801 associe la technologie VCSEL à un capteur à diode avalanche à photon unique (SPAD) capable de détecter des signaux monophotoniques avec une résolution de quelques dizaines de picosecondes (ps). Le pilote VCSEL intégré produit des impulsions laser à une longueur d'onde de 940 nanomètres (nm) d'une durée inférieure à 500 ps, ce qui permet au TMF8801 d'être conforme à la norme CEI 60825-1 de classe 1 en matière de sécurité oculaire. Un filtre de rejet de la lumière du soleil minimise le bruit de fond, et le microcontrôleur Cortex M0 intégré comprend des algorithmes de traitement d'image. L'interface I²C en mode rapide (Fast-mode) de 1,8 volt relie le TMF8801 au système.

Module VCSEL pour cartes Arduino

Le télémètre SEN0245 VL53L0X Gravity de DFRobot constitue un autre moyen remarquable d'explorer l'utilisation du lidar basé sur VCSEL (Figure 5). Il est conçu pour fonctionner avec une carte de contrôle Arduino UNO x1 et peut mesurer des distances jusqu'à 2 m. L'émetteur VCSEL de longueur d'onde de 940 nm et l'ensemble SPAD intégré offrent une précision de mesure de ±3 % avec un temps de réponse inférieur à 30 millisecondes (ms) et une consommation d'énergie de 20 milliwatts (mW). Le VL53L0X inclut l'interface Gravity-I2C de DFRobot, conçue pour être utilisée avec une variété de microcontrôleurs, et offre la flexibilité nécessaire pour prendre en charge une gamme d'applications lidar.

Figure 5 : Le télémètre laser ToF SEN0245 VL53L0X est conçu pour être utilisé avec une carte de contrôle Arduino UNO x1 afin de mesurer des distances jusqu'à 2 m. (Source de l'image : DFRobot)

Conclusion

La question n'est plus de savoir si la technologie lidar est viable ou non, car elle est déjà en train de se généraliser. Le lidar est en cours d'intégration dans les systèmes ADAS automobiles et les derniers modèles d'iPhone d'Apple. En particulier, la technologie d'émetteur VCSEL basse consommation associée aux réseaux de capteurs SPAD permet d'utiliser le lidar dans les dispositifs portables grand public.

Vous pouvez commencer vos propres conceptions lidar basées sur VCSEL à l'aide de modules prêts à l'emploi, avec l'ensemble des fonctionnalités optiques, interfaces de microcontrôleurs et logiciels de traitement d'image de base nécessaires pour vous aider à avancer rapidement.