對dToF傳感技術(shù)原理進(jìn)行解讀

導(dǎo)讀：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，一時間引起了3D成像和傳感行業(yè)內(nèi)外激烈的探討。此前，麥姆斯咨詢已經(jīng)發(fā)布了《索尼dToF傳感器將SPAD推上風(fēng)口，消費類激光雷達(dá)迎來重大機(jī)遇》、《一睹真容：iPad Pro激光雷達(dá)掃描儀ToF傳感器》等文章來揭開這款激光雷達(dá)的神秘面紗。本文由飛芯科技撰寫，對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間（dToF）技術(shù)，測量室內(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，并能以納秒速度運行，為增強(qiáng)現(xiàn)實（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”（直接飛行時間法），是3D傳感方案之一。dToF投射整個面，根據(jù)反射時間計算深度信息，具有測距范圍遠(yuǎn)、功耗低、速度快等特點。優(yōu)勢在于針對需要較遠(yuǎn)距離測繪的應(yīng)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(dá)的視角角約為60°×48°。發(fā)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(xué)元件）實現(xiàn)紅外激光點陣發(fā)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(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(fā)光的，使用高速相機(jī)（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(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陣（瞬時圖）

經(jīng)過仔細(xì)測試蘋果新款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)域為例，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)記了激光紅外點陣的發(fā)光順序，可以看到在每一行，發(fā)光的順序為“1-2-1-2”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。據(jù)悉，這款VCSEL是由Lumentum提供，整個VCSEL采用共負(fù)極設(shè)計，正極有四個區(qū)域，驅(qū)動信號可以分別控制正極四個區(qū)域中的一個。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)動控制示意

由圖7可以看到VCSEL：（1）每一行有4個發(fā)光點，共計16行；（2）根據(jù)正極區(qū)域分四組，每組16個發(fā)光點。因此，VCSEL共計64個發(fā)光點。然而激光雷達(dá)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(fā)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(chǎn)生了±1級的衍射，將VCSEL的一個發(fā)光點擴(kuò)展為了9個。從圖8可以看到，除了紅色方框內(nèi)為原本的0級、±1級衍射之外，其余的光點均為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陣及衍射情況

對于蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)的dToF測距技術(shù)，最重要的是使用多個脈沖產(chǎn)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(shù)的核心為生成光子計數(shù)的直方圖，而直方圖的粗細(xì)程度則直接決定了測距的精度。當(dāng)激光脈沖功率較大的時候，產(chǎn)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(qiáng)度包絡(luò)相差較大。而當(dāng)激光脈沖功率較小的時候，雖然產(chǎn)生一張直方圖所需要的激光脈沖數(shù)量較多，但是直方圖描繪的包絡(luò)與光強(qiáng)本身的包絡(luò)曲線符合度較好。

在蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)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(fā)光點，每組發(fā)光點負(fù)責(zé)兩個子幀。在每個子幀內(nèi)，VCSEL發(fā)光點產(chǎn)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(fā)光點每秒會產(chǎn)生約480萬個激光脈沖。

圖10 蘋果新款iPad Pro激光雷達(dá)中的SPAD探測器、VCSEL及其驅(qū)動芯片

這里對于索尼所選擇的激光脈沖數(shù)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(nèi)的信號光子數(shù)應(yīng)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(yuǎn)距離的時候）。不過，激光脈沖數(shù)量越多，儲存直方圖所消耗的內(nèi)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(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲和傳輸帶來了極大壓力。據(jù)小編估算，當(dāng)前需要超過10Gbit/s的數(shù)據(jù)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(shù)大有信心。