LiDARはかつて7万5000ドルもしたが、AppleはいかにしてそれをiPhoneに搭載したのか

単一光子アバランシェダイオードも同様です。その名の通り、単一光子を検出できるほど感度が高いダイオードです。高感度であるということは、ノイズが多く発生することを意味します。そのため、ライダーのような用途に使用するには、高度な後処理が必要になります。しかし、SPADの大きな利点の一つは、VCSELと同様に従来の半導体技術を用いて製造でき、数千個を1つのチップに集積できることです。

VCSELとSPADの組み合わせにより、従来のライダー設計は劇的に簡素化されました。Velodyne社が最初に開発した3次元ライダーは、回転ジンバル上に64個の個別パッケージ化されたレーザーを列状に搭載していました。各レーザーには対応する検出器が備えられていました。この設計の複雑さと、各レーザーを対応する検出器に正確に位置合わせする必要があったことが、Velodyne社の初期のライダーユニットが高価だった理由の一つでした。

最近では、いくつかの企業が小型ミラーを用いてレーザービームを走査パターンに沿って「操縦」する実験を行っています。この設計では、64個のレーザーではなく1個のレーザーしか必要ありません。しかし、それでも少なくとも1つの可動部品が必要になります。

対照的に、Apple、Ouster、Ibeoは可動部品を一切持たないLIDARセンサーを開発しています。VCSELベースのLIDARは、チップ上に数百から数千のレーザーを搭載しており、LIDARの視野内の各点に専用のレーザーを配置できます。また、これらのレーザーがすべて1つのチップにあらかじめパッケージ化されているため、Velodyneの従来の回転式LIDARよりも組み立てがはるかに簡単です。

最近のiPhoneには、AppleのFace ID機能を可能にするTrueDepthカメラと呼ばれる別の3Dセンサーが既に搭載されています。このカメラも、Lumentum社から提供されたとされるVCSELアレイを使用していました。TrueDepthは、被写体の顔に3万個以上のドットからなるグリッドを投影し、グリッドパターンの変形に基づいてユーザーの顔の3次元形状を推定することで機能します。

iPadのライダーセンサーは、TrueDepthカメラよりもはるかに少ないレーザードットを投射します。iFixItが赤外線カメラで撮影した動画では、ライダーがわずか数百ピクセルのグリッドを投射している様子が映し出されていました。TrueDepthパターンは被写体の顔に当たる光の形状に基づいて深度を推測するのに対し、iPadのライダーセンサーは光が物体に反射してカメラに戻ってくるまでの時間を測定することで距離を直接測定します。このプロセスにより、深度測定の精度が向上し、測定範囲も広がると考えられます。

より強力なライダーはVCSELとSPADも使用する

Ouster の回転センサー。 — Ousterの回転センサー。クレジット：Ouster

AppleのLIDARの性能は、LIDAR専門企業が販売するハイエンドセンサーに大きく劣ります。3次元LIDARを開発したVelodyne社は、自社の最高性能LIDARの測定範囲を200メートル以上と謳っていますが、Appleのセンサーの測定範囲は約5メートルです。

他のVCSELベースのライダーも、Appleの製品よりもはるかに強力です。例えば、Ousterの最も強力なVCSELベースのライダーは、約100メートルの範囲をカバーし、反射率10%の物体を検知できます。

Ousterの現行センサーはすべてVelodyne社製の回転式ユニットです。1つのチップに16～128個のVCSELが一列に並んでおり、このチップはVelodyne社製のユニットと同様に回転ジンバルに垂直に取り付けられています。このソリッドステート設計のシンプルさにより、Ouster社はVelodyne社を価格面で下回り、Velodyne社の最大のライバルの一つに躍り出ました。しかし、Ouster社の回転式LIDARセンサーは依然として数千ドルもする高価な製品で、スマートフォンどころか、一般の自動車にも搭載するには高価すぎます。

先週、オースター社は可動部品のない新型ソリッドステートライダーの出荷計画を発表しました。同社の現行ライダーのように16～128個のレーザーを一列に並べるのではなく、新型ライダーでは2万個以上のVCSELを二次元グリッド状に配置します。

Ibeoも同様の戦略を追求しており、Ousterよりも先を行く可能性がある。Ibeoは、量販車に搭載された最初のLIDAR（ライダー）であるAudi A8を設計した。当時のLIDARは原始的で、垂直解像度はわずか4ラインだった。しかし、Ibeoは現在、128×80ピクセルのレーザーグリッドを搭載したibeoNextという新モデルを開発中だ。これはOusterが計画しているセンサーよりは若干小さいものの、Ibeoの過去の製品よりは大幅に大きい。Ibeoによると、このセンサーは反射率10%の物体を150メートルの範囲で検知できるという。

最後に触れておきたい候補は、1月に紹介したSense Photonicsです。これまで取り上げた他の企業と同様に、SenseもライダーにVCSELとSPADを採用しています。しかし、Senseはマイクロトランスファープリンティングと呼ばれる技術を用いてレーザーを分散配置しています。これにより、レーザーは熱や目の安全性の問題を回避しながら、より多くの電力を供給できます。今のところ、Senseのライダーの通信距離は長くありませんが、SenseのCEOであるShauna McIntyre氏はArsに対し、2021年初頭に発表予定のセンサーでは200メートルの通信距離を目指していると語りました。

LiDARが自動車市場に進出しようとしている

Ibeo、Sense、Ousterはいずれも、自動車業界からの需要爆発を見込んで、低コストの新設計を発表している。LiDARセンサーは、自動車の先進運転支援システム（ADAS）を劇的に向上させる可能性がある。

例えば、テスラは業界で最も先進的なADASシステムの一つを搭載していると多くの人が考えています。しかし、テスラは車両が静止物に衝突するという根深い問題を抱えており、時には死亡事故につながることもあります。ライダーは静止物の検知においてカメラやレーダーよりも優れているため、車両にライダーを搭載することで、こうした衝突事故の多くを防ぐと同時に、ADASシステムの利便性をドライバーにとってより高めることができます。

これまで、LIDAR は自動車市場にとって高価すぎると考えられていましたが、状況は変わり始めており、複数の企業が今後数年で 1,000 ドル未満の LIDAR センサーを約束しています。

オースターは、2024年にES2センサーを自動車向け量産体制にすることを目標としている。同社によれば、量産時の価格は当初600ドルで、その後数年で100ドルまで下がる見込みだ。

Ibeo社はIbeoNextの価格を発表していないが、すでに中国の大手自動車メーカーである長城汽車と契約を結び、2022年に量産を開始する予定だとしている。

VCSEL以外のLIDAR設計を持つ企業も、この市場に参入し始めています。中でも最も有力な企業の一つがLuminarで、同社は5月にボルボとの提携を発表しました。ボルボは2022年にLuminarのLIDARを搭載した車両の発売を目指しています。

これらの設計にはそれぞれ長所と短所があります。現在、ルミナーのライダーは最大250メートルという長距離の探知距離を誇っています。これは、ルミナーが可視光域をはるかに超える1550nmの波長のレーザーを使用しているためです。人間の目の中の液体は1550nmの光に対して不透明であるため、ルミナーのライダーは眼の安全を脅かすことなく、はるかに高いレーザー出力を使用することができます。また、ルミナーのライダーはOusterのライダーよりも広い視野角を備えています。