Los VCSEL colocan LiDAR en los iPhone de Apple: ¿Qué puede hacer?

Ha habido un debate en curso, con mucha negatividad, sobre la viabilidad económica y técnica de la tecnología de detección y alcance de luz (LiDAR). Parece que LiDAR ha ganado. General Motors anunció recientemente que LiDAR estará en nueve de sus autos equipados con sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) el próximo año, y Apple ya ha puesto LiDAR en el iPhone 12 Pro, iPhone 12 Pro Max y iPad Pro usando tecnología de láser emisor de superficie de cavidad vertical (VCSEL). Se espera que la incorporación de LiDAR a los dispositivos móviles sea un avance innovador. Si aún no ha investigado el uso de LiDAR, ahora es el momento.

LiDAR de iPhone permite la detección de la profundidad de objetos a distancias de hasta 5 metros (m) y está diseñado para funcionar en colaboración con la cámara y los sensores de movimiento para crear y manipular entornos de realidad aumentada (AR) (Figura 1). La nueva unidad de procesamiento de gráficos (GPU) Bionic A12Z de ocho núcleos y los algoritmos de visión por computadora están diseñados para el modelado 3D, y la aplicación ARKit AR existente tiene una API de geometría de escena adicional para integrar los datos LiDAR con la cámara y los datos del sensor de movimiento. Los datos LiDAR también están integrados en la aplicación Measure, lo que brinda la capacidad de medir objetos más rápidamente y con mayor granularidad.

Figura 1: El sensor LiDAR en este iPhone de Apple es el círculo pequeño ubicado en la esquina inferior derecha del área negra, junto con las dos cámaras (izquierda). (Fuente de la imagen: Apple)

Con la función AR Spaces en la aplicación Clips 3.1 de Apple, los usuarios pueden grabar videos, integrar la información LiDAR y crear escenas AR inmersivas con iluminación dinámica, objetos que caen y otros efectos especiales (Figura 2).

Figura 2: La función AR Spaces en la aplicación Clips 3.1 de Apple permite la creación de videoclips de realidad aumentada. (Fuente de la imagen: Apple)

Después de una breve comparación de las tecnologías LiDAR VCSEL y láser emisor de bordes (EEL), junto con una descripción general de los conceptos de tiempo de vuelo (ToF) y nube de puntos detrás de LiDAR, echaremos un vistazo al módulo LiDAR TMF8801 de ams/OSRAM, y el telémetro LiDAR Gravity VL53L0X SEN0245 de DFRobot para la placa de control Arduino UNO de x1.

VCSEL frente a EEL

Los VCSEL, como los que usa Apple, son diferentes de los EEL que se usan comúnmente en los sistemas LiDAR automotrices e industriales. Los VCSEL están optimizados para aplicaciones de corto alcance y baja potencia en las que ofrecen varias ventajas:

• Mayor confiabilidad, ya que una matriz VCSEL consta de 50 a 10,000 emisores individuales, lo que reduce en gran medida el impacto de una falla de un solo emisor en comparación con EEL con uno a cuatro emisores.
• Una relación señal-ruido (SNR) mejorada como resultado de un filtrado más efectivo en el receptor, posible gracias a un ancho de banda de longitud de onda más estrecho sobre la temperatura.
• Integración de sistemas más simple, ya que los VCSEL emiten haces cilíndricos verticales.

ToF y nubes de puntos

LiDAR se basa en mediciones de ToF. Una serie de pulsos láser se dirigen hacia un objeto y el tiempo de retorno se mide mediante un fotosensor incorporado (Figura 3). El ToF mide el tiempo de vuelo de ida y vuelta de los pulsos láser, por lo que la distancia al objeto es proporcional a la mitad del ToF multiplicado por la velocidad de la luz, que es de unos 30 centímetros por nanosegundo (cm/ns) en el aire. Los sistemas VCSEL como el que se usa en los iPhones pueden medir distancias de hasta varios metros con gran precisión.

Figura 3: Las mediciones de ToF se basan en la medición del tiempo que tarda un pulso láser en reflejarse en un objetivo y regresar al sensor LiDAR. (Fuente de la imagen: DFRobot)

Una nube de puntos consta de miles o millones de mediciones de ToF. Usando nubes de puntos y el software de procesamiento de imágenes relacionado, los sistemas LiDAR pueden crear imágenes tridimensionales (3D) del entorno circundante a velocidades de 30 cuadros por segundo (fps) o más rápido.

VCSEL para un bisel de teléfono móvil

Los diseñadores de dispositivos portátiles y manuales pueden utilizar el sensor de ToF TMF8801 LiDAR de ams/OSRAM. Tiene un alcance de detección de 2500 milímetros (mm) y viene en un paquete de 2.2 x 3.6 x 1.0 mm que está diseñado para encajar en el bisel de un teléfono móvil (Figura 4).

Figura 4: El sensor de ToF TMF8801 tiene un alcance de detección de 2500 mm y cabe en el bisel de un teléfono móvil. (Fuente de la imagen: ams/OSRAM)

El TMF8801 combina la tecnología VCSEL con un sensor de diodo de avalancha de fotón único (SPAD) que puede detectar señales de un solo fotón con una resolución de algunas decenas de picosegundos (ps). El controlador VCSEL integrado produce pulsos láser a una longitud de onda de 940 nanómetros (nm) que tienen una duración inferior a 500 ps, lo que permite que el TMF8801 cumpla con IEC 60825-1 Clase 1 para la seguridad ocular. Un filtro de rechazo de la luz solar minimiza el ruido de fondo y el microcontrolador (MCU) Cortex M0 integrado incluye algoritmos de procesamiento de imágenes. La interfaz de modo rápido I²C de 1.8 voltios conecta el TMF8801 al sistema.

Módulo VCSEL para placas Arduino

El telémetro Gravity SEN0245 VL53L0X de DFRobot es otra excelente manera de explorar el uso de LiDAR basado en VCSEL (Figura 5). Está diseñado para usarse con una placa de control Arduino UNO x1 y puede medir distancias de hasta 2 m. El emisor VCSEL de longitud de onda de 940 nm y la matriz SPAD integrada brindan una precisión de medición de ±3 % con un tiempo de respuesta de menos de 30 milisegundos (ms) y un consumo de energía de 20 milivatios (mW). El VL53L0X incluye la interfaz Gravity-I2C de DFRobot, que está diseñada para usarse con una variedad de MCU y brinda la flexibilidad para admitir una variedad de aplicaciones LiDAR.

Figura 5: El telémetro láser de ToF SEN0245 VL53L0X está diseñado para usarse con una placa de control Arduino UNO x1 para medir distancias de hasta 2 m. (Fuente de la imagen: DFRobot)

Conclusión

Ya no se trata de si la tecnología LiDAR es viable o no, ya que se está volviendo masiva. LiDAR se está integrando en los sistemas ADAS automotrices y en los últimos modelos de iPhone de Apple. En particular, la tecnología de emisores VCSEL de baja potencia combinada con matrices de sensores SPAD permite el uso de LiDAR en dispositivos portátiles de consumo.

Puede comenzar con sus propios diseños LiDAR basados en VCSEL utilizando módulos que están listos para la integración, con toda la óptica necesaria, las interfaces de MCU y el software básico de procesamiento de imágenes para que pueda moverse rápidamente.