圖1 蘋果官網展示的新款iPad Pro激光雷達掃描儀（以下簡稱：激光雷達）
2020年蘋果（Apple）公司發布了新款iPad Pro，其中，基于dToF技術的激光雷達（LiDAR）是這款平板電腦的亮點，一時間引起了3D成像和傳感行業內外激烈的探討。本文將對dToF傳感技術原理進行解讀。
圖2 拆解蘋果新款iPad Pro，獲得后置攝像頭模組，右側為蘋果新款iPad Pro激光雷達
首先回顧一下蘋果官方宣傳稿：“特制的激光雷達掃描儀利用直接飛行時間（dToF）技術，測量室內或室外環境中從最遠五米處反射回來的光。它可從光子層面進行探測，并能以納秒速度運行，為增強現實（AR）及更廣泛的3D傳感應用領域開啟無盡可能”。
dToF，全名“Direct Time-of-Flight”（直接飛行時間法），是3D傳感方案之一。dToF投射整個面，根據反射時間計算深度信息，具有測距范圍遠、功耗低、速度快等特點。優勢在于針對需要較遠距離測繪的應用，如人體的動作識別、建筑物識別、場景識別建模等。
蘋果新款iPad Pro搭載的這款激光雷達的視角角約為60°×48°。發射光在一個較大視場角的情況下會隨距離迅速衰減，為了保證一定的探測距離，蘋果采用DOE（衍射光學元件）實現紅外激光點陣發射，每個點覆蓋約1°×1°的角度范圍。
圖3 蘋果新款iPad Pro激光雷達采用DOE
（a）“正常工作模式”
（b）“省電模式”
圖4 蘋果新款iPad Pro激光雷達發射的激光紅外點陣
蘋果新款iPad Pro激光雷達的dToF傳感技術分為兩種工作模式，分別為“正常工作模式”和“省電模式”，圖4（a）為“正常工作模式”，投射出的激光紅外點陣共計576個，而圖4（b）為“省電模式”，投射出的激光紅外點陣僅有144個點。另外需要指出的是，上述激光紅外點陣中的點并不是同時都發光的，使用高速相機（近紅外敏感）拍攝時，投射出的激光紅外點陣中的點會交替發光，如圖5所示。
圖5 使用高速相機拍攝蘋果新款iPad Pro激光雷達投射出的激光紅外點陣（瞬時圖）
經過仔細測試蘋果新款iPad Pro激光雷達的“正常工作模式”，發現投射出的激光紅外點陣分為四組，輪流發光。如果取圖4（a）中的一塊單元區域為例，則發光順序如圖6所示。
圖6 蘋果新款iPad Pro激光雷達投射出的激光紅外點陣（部分）工作順序圖
在圖6中，我們采用不同的顏色標記了激光紅外點陣的發光順序，可以看到在每一行，發光的順序為“1-2-1-2”重復或者“3-4-3-4”重復。這也是源自于特殊的VCSEL設計。據悉，這款VCSEL是由Lumentum提供，整個VCSEL采用共負極設計，正極有四個區域，驅動信號可以分別控制正極四個區域中的一個。VCSEL部分的結構圖如圖7所示。
圖7 蘋果新款iPad Pro激光雷達中的VCSEL及驅動控制示意
由圖7可以看到VCSEL：（1）每一行有4個發光點，共計16行；（2）根據正極區域分四組，每組16個發光點。因此，VCSEL共計64個發光點。然而激光雷達在“正常工作模式”時，實際投射出的激光紅外點陣卻是576個點。為什么呢？
這是因為在發射端采用了“VCSEL+DOE”的搭配，從而在上、下、對角線三個方向分別產生了±1級的衍射，將VCSEL的一個發光點擴展為了9個。從圖8可以看到，除了紅色方框內為原本的0級、±1級衍射之外，其余的光點均為DOE衍射產生。
圖8 蘋果新款iPad Pro激光雷達投射出的激光紅外點陣及衍射情況
對于蘋果新款iPad Pro激光雷達的dToF測距技術，最重要的是使用多個脈沖產生直方圖，其原理可用圖9解釋。
圖9 dToF測距工作原理
dToF測距技術的核心為生成光子計數的直方圖，而直方圖的粗細程度則直接決定了測距的精度。當激光脈沖功率較大的時候，產生的直方圖需要少量的激光脈沖即可，但是直方圖與原始的光強度包絡相差較大。而當激光脈沖功率較小的時候，雖然產生一張直方圖所需要的激光脈沖數量較多，但是直方圖描繪的包絡與光強本身的包絡曲線符合度較好。
在蘋果新款iPad Pro激光雷達中的索尼（Sony）dToF圖像傳感器方面，全局幀頻為30fps，每一幀包含8個子幀。按照前面的四組VCSEL發光點，每組發光點負責兩個子幀。在每個子幀內，VCSEL發光點產生很多個脈寬約2~3ns的激光脈沖。由于每個子幀大約包含80,000個激光脈沖，那么VCSEL每組發光點每秒會產生約480萬個激光脈沖。
圖10 蘋果新款iPad Pro激光雷達中的SPAD探測器、VCSEL及其驅動芯片
這里對于索尼所選擇的激光脈沖數量和功率還是很有爭議的。對于SPAD陣列來說，每個激光脈沖內的信號光子數應該盡量多，才能保證每個激光脈沖有更大的概率被探測到（特別是在遠距離的時候）。不過，激光脈沖數量越多，儲存直方圖所消耗的內存、傳輸直方圖消耗的帶寬都會成比例增加。這也對探測芯片內部的數據存儲和傳輸帶來了極大壓力。據小編估算，當前需要超過10Gbit/s的數據傳輸速率才能將所有的信號完整傳輸出來。既然蘋果和索尼做出這樣的選擇，想必他們對于自己的dToF傳感技術大有信心。
