圖1 蘋果官網(wǎng)展示的新款iPad Pro激光雷達(dá)掃描儀（以下簡(jiǎn)稱：激光雷達(dá)）

2020年蘋果（Apple）公司發(fā)布了新款iPad Pro，其中，基于dToF技術(shù)的激光雷達(dá)（LiDAR）是這款平板電腦的亮點(diǎn)，一時(shí)間引起了3D成像和傳感行業(yè)內(nèi)外激烈的探討。本文將對(duì)dToF傳感技術(shù)原理進(jìn)行解讀。

圖2 拆解蘋果新款iPad Pro，獲得后置攝像頭模組，右側(cè)為蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)

首先回顧一下蘋果官方宣傳稿：“特制的激光雷達(dá)掃描儀利用直接飛行時(shí)間（dToF）技術(shù)，測(cè)量室內(nèi)或室外環(huán)境中從最遠(yuǎn)五米處反射回來的光。它可從光子層面進(jìn)行探測(cè)，并能以納秒速度運(yùn)行，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）及更廣泛的3D傳感應(yīng)用領(lǐng)域開啟無盡可能”。

dToF，全名“Direct Time-of-Flight”（直接飛行時(shí)間法），是3D傳感方案之一。dToF投射整個(gè)面，根據(jù)反射時(shí)間計(jì)算深度信息，具有測(cè)距范圍遠(yuǎn)、功耗低、速度快等特點(diǎn)。優(yōu)勢(shì)在于針對(duì)需要較遠(yuǎn)距離測(cè)繪的應(yīng)用，如人體的動(dòng)作識(shí)別、建筑物識(shí)別、場(chǎng)景識(shí)別建模等。

蘋果新款iPad Pro搭載的這款激光雷達(dá)的視角角約為60°×48°。發(fā)射光在一個(gè)較大視場(chǎng)角的情況下會(huì)隨距離迅速衰減，為了保證一定的探測(cè)距離，蘋果采用DOE（衍射光學(xué)元件）實(shí)現(xiàn)紅外激光點(diǎn)陣發(fā)射，每個(gè)點(diǎn)覆蓋約1°×1°的角度范圍。

圖3 蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)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(dá)發(fā)射的激光紅外點(diǎn)陣

蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)的dToF傳感技術(shù)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(diǎn)陣共計(jì)576個(gè)，而圖4（b）為“省電模式”，投射出的激光紅外點(diǎn)陣僅有144個(gè)點(diǎn)。另外需要指出的是，上述激光紅外點(diǎn)陣中的點(diǎn)并不是同時(shí)都發(fā)光的，使用高速相機(jī)（近紅外敏感）拍攝時(shí)，投射出的激光紅外點(diǎn)陣中的點(diǎn)會(huì)交替發(fā)光，如圖5所示。

圖5 使用高速相機(jī)拍攝蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)投射出的激光紅外點(diǎn)陣（瞬時(shí)圖）

經(jīng)過仔細(xì)測(cè)試蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)的“正常工作模式”，發(fā)現(xiàn)投射出的激光紅外點(diǎn)陣分為四組，輪流發(fā)光。如果取圖4（a）中的一塊單元區(qū)域?yàn)槔?，則發(fā)光順序如圖6所示。

圖6 蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)投射出的激光紅外點(diǎn)陣（部分）工作順序圖

在圖6中，我們采用不同的顏色標(biāo)記了激光紅外點(diǎn)陣的發(fā)光順序，可以看到在每一行，發(fā)光的順序?yàn)椤?-2-1-2”重復(fù)或者“3-4-3-4”重復(fù)。這也是源自于特殊的VCSEL設(shè)計(jì)。據(jù)悉，這款VCSEL是由Lumentum提供，整個(gè)VCSEL采用共負(fù)極設(shè)計(jì)，正極有四個(gè)區(qū)域，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以分別控制正極四個(gè)區(qū)域中的一個(gè)。VCSEL部分的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)中的VCSEL及驅(qū)動(dòng)控制示意

由圖7可以看到VCSEL：（1）每一行有4個(gè)發(fā)光點(diǎn)，共計(jì)16行；（2）根據(jù)正極區(qū)域分四組，每組16個(gè)發(fā)光點(diǎn)。因此，VCSEL共計(jì)64個(gè)發(fā)光點(diǎn)。然而激光雷達(dá)在“正常工作模式”時(shí)，實(shí)際投射出的激光紅外點(diǎn)陣卻是576個(gè)點(diǎn)。為什么呢？

這是因?yàn)樵诎l(fā)射端采用了“VCSEL+DOE”的搭配，從而在上、下、對(duì)角線三個(gè)方向分別產(chǎn)生了±1級(jí)的衍射，將VCSEL的一個(gè)發(fā)光點(diǎn)擴(kuò)展為了9個(gè)。從圖8可以看到，除了紅色方框內(nèi)為原本的0級(jí)、±1級(jí)衍射之外，其余的光點(diǎn)均為DOE衍射產(chǎn)生。

圖8 蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)投射出的激光紅外點(diǎn)陣及衍射情況