對(duì)dToF傳感技術(shù)原理進(jìn)行解讀

導(dǎo)讀：2020年蘋(píng)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。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(fèi)類(lèi)激光雷達(dá)迎來(lái)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(lái)揭開(kāi)這款激光雷達(dá)的神秘面紗。本文由飛芯科技撰寫(xiě)，對(duì)dToF傳感技術(shù)原理進(jìn)行解讀。

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

首先回顧一下蘋(píng)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(lái)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(kāi)啟無(wú)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(píng)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(píng)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(píng)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(píng)果新款iPad Pro激光雷達(dá)發(fā)射的激光紅外點(diǎn)陣

蘋(píng)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(píng)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(guò)仔細(xì)測(cè)試蘋(píng)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(píng)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(píng)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(píng)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

對(duì)于蘋(píng)果新款iPad Pro激光雷達(dá)的dToF測(cè)距技術(shù)，最重要的是使用多個(gè)脈沖產(chǎn)生直方圖，其原理可用圖9解釋。

圖9 dToF測(cè)距工作原理

dToF測(cè)距技術(shù)的核心為生成光子計(jì)數(shù)的直方圖，而直方圖的粗細(xì)程度則直接決定了測(cè)距的精度。當(dāng)激光脈沖功率較大的時(shí)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(shí)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(píng)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(gè)子幀。按照前面的四組VCSEL發(fā)光點(diǎn)，每組發(fā)光點(diǎn)負(fù)責(zé)兩個(gè)子幀。在每個(gè)子幀內(nèi)，VCSEL發(fā)光點(diǎn)產(chǎn)生很多個(gè)脈寬約2~3ns的激光脈沖。由于每個(gè)子幀大約包含80,000個(gè)激光脈沖，那么VCSEL每組發(fā)光點(diǎn)每秒會(huì)產(chǎn)生約480萬(wàn)個(gè)激光脈沖。

圖10 蘋(píng)果新款iPad Pro激光雷達(dá)中的SPAD探測(cè)器、VCSEL及其驅(qū)動(dòng)芯片

這里對(duì)于索尼所選擇的激光脈沖數(shù)量和功率還是很有爭(zhēng)議的。對(duì)于SPAD陣列來(lái)說(shuō)，每個(gè)激光脈沖內(nèi)的信號(hào)光子數(shù)應(yīng)該盡量多，才能保證每個(gè)激光脈沖有更大的概率被探測(cè)到（特別是在遠(yuǎn)距離的時(shí)候）。不過(guò)，激光脈沖數(shù)量越多，儲(chǔ)存直方圖所消耗的內(nèi)存、傳輸直方圖消耗的帶寬都會(huì)成比例增加。這也對(duì)探測(cè)芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸帶來(lái)了極大壓力。據(jù)小編估算，當(dāng)前需要超過(guò)10Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率才能將所有的信號(hào)完整傳輸出來(lái)。既然蘋(píng)果和索尼做出這樣的選擇，想必他們對(duì)于自己的dToF傳感技術(shù)大有信心。