图1 苹果官网展示的新款iPad Pro激光雷达扫描仪（以下简称：激光雷达）
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。本文将对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
