对dToF传感技术原理进行解读

导读：2020年苹果（Apple）公司发布了新款iPad Pro，其中，基于dToF技术的激光雷达（LiDAR）是这款平板电脑的亮点，一时间引起了3D成像和传感行业内外激烈的探讨。此前，麦姆斯咨询已经发布了《索尼dToF传感器将SPAD推上风口，消费类激光雷达迎来重大机遇》、《一睹真容：iPad Pro激光雷达扫描仪ToF传感器》等文章来揭开这款激光雷达的神秘面纱。本文由飞芯科技撰写，对dToF传感技术原理进行解读。

图2 拆解苹果新款iPad Pro，获得后置摄像头模组，右侧为苹果新款iPad Pro激光雷达

首先回顾一下苹果官方宣传稿：“特制的激光雷达扫描仪利用直接飞行时间（dToF）技术，测量室内或室外环境中从最远五米处反射回来的光。它可从光子层面进行探测，并能以纳秒速度运行，为增强现实（AR）及更广泛的3D传感应用领域开启无尽可能”。

dToF，全名“Direct Time-of-Flight”（直接飞行时间法），是3D传感方案之一。dToF投射整个面，根据反射时间计算深度信息，具有测距范围远、功耗低、速度快等特点。优势在于针对需要较远距离测绘的应用，如人体的动作识别、建筑物识别、场景识别建模等。

苹果新款iPad Pro搭载的这款激光雷达的视角角约为60°×48°。发射光在一个较大视场角的情况下会随距离迅速衰减，为了保证一定的探测距离，苹果采用DOE（衍射光学元件）实现红外激光点阵发射，每个点覆盖约1°×1°的角度范围。

图3 苹果新款iPad Pro激光雷达采用DOE

（a）“正常工作模式”

（b）“省电模式”

图4 苹果新款iPad Pro激光雷达发射的激光红外点阵

苹果新款iPad Pro激光雷达的dToF传感技术分为两种工作模式，分别为“正常工作模式”和“省电模式”，图4（a）为“正常工作模式”，投射出的激光红外点阵共计576个，而图4（b）为“省电模式”，投射出的激光红外点阵仅有144个点。另外需要指出的是，上述激光红外点阵中的点并不是同时都发光的，使用高速相机（近红外敏感）拍摄时，投射出的激光红外点阵中的点会交替发光，如图5所示。

图5 使用高速相机拍摄苹果新款iPad Pro激光雷达投射出的激光红外点阵（瞬时图）

经过仔细测试苹果新款iPad Pro激光雷达的“正常工作模式”，发现投射出的激光红外点阵分为四组，轮流发光。如果取图4（a）中的一块单元区域为例，则发光顺序如图6所示。

图6 苹果新款iPad Pro激光雷达投射出的激光红外点阵（部分）工作顺序图

在图6中，我们采用不同的颜色标记了激光红外点阵的发光顺序，可以看到在每一行，发光的顺序为“1-2-1-2”重复或者“3-4-3-4”重复。这也是源自于特殊的VCSEL设计。据悉，这款VCSEL是由Lumentum提供，整个VCSEL采用共负极设计，正极有四个区域，驱动信号可以分别控制正极四个区域中的一个。VCSEL部分的结构图如图7所示。

图7 苹果新款iPad Pro激光雷达中的VCSEL及驱动控制示意

由图7可以看到VCSEL：（1）每一行有4个发光点，共计16行；（2）根据正极区域分四组，每组16个发光点。因此，VCSEL共计64个发光点。然而激光雷达在“正常工作模式”时，实际投射出的激光红外点阵却是576个点。为什么呢？

这是因为在发射端采用了“VCSEL+DOE”的搭配，从而在上、下、对角线三个方向分别产生了±1级的衍射，将VCSEL的一个发光点扩展为了9个。从图8可以看到，除了红色方框内为原本的0级、±1级衍射之外，其余的光点均为DOE衍射产生。

图8 苹果新款iPad Pro激光雷达投射出的激光红外点阵及衍射情况

对于苹果新款iPad Pro激光雷达的dToF测距技术，最重要的是使用多个脉冲产生直方图，其原理可用图9解释。

图9 dToF测距工作原理

dToF测距技术的核心为生成光子计数的直方图，而直方图的粗细程度则直接决定了测距的精度。当激光脉冲功率较大的时候，产生的直方图需要少量的激光脉冲即可，但是直方图与原始的光强度包络相差较大。而当激光脉冲功率较小的时候，虽然产生一张直方图所需要的激光脉冲数量较多，但是直方图描绘的包络与光强本身的包络曲线符合度较好。

在苹果新款iPad Pro激光雷达中的索尼（Sony）dToF图像传感器方面，全局帧频为30fps，每一帧包含8个子帧。按照前面的四组VCSEL发光点，每组发光点负责两个子帧。在每个子帧内，VCSEL发光点产生很多个脉宽约2~3ns的激光脉冲。由于每个子帧大约包含80,000个激光脉冲，那么VCSEL每组发光点每秒会产生约480万个激光脉冲。

图10 苹果新款iPad Pro激光雷达中的SPAD探测器、VCSEL及其驱动芯片

这里对于索尼所选择的激光脉冲数量和功率还是很有争议的。对于SPAD阵列来说，每个激光脉冲内的信号光子数应该尽量多，才能保证每个激光脉冲有更大的概率被探测到（特别是在远距离的时候）。不过，激光脉冲数量越多，储存直方图所消耗的内存、传输直方图消耗的带宽都会成比例增加。这也对探测芯片内部的数据存储和传输带来了极大压力。据小编估算，当前需要超过10Gbit/s的数据传输速率才能将所有的信号完整传输出来。既然苹果和索尼做出这样的选择，想必他们对于自己的dToF传感技术大有信心。