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探寻iPad Pro激光雷达原理,解读dToF传感技术


  来源: 飞芯科技 时间:2020-05-12 编辑:仪器仪表WXF
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iPad Pro激光雷达扫描仪

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。


iPad Pro后置摄像头模组

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。


苹果新款iPad Pro激光雷达采用DOE

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。


激光雷达投射出的激光红外点阵(瞬时图)

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。


激光红外点阵(部分)工作顺序图

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。


激光红外点阵及衍射情况

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


关键词:iPad Pro 激光雷达 原理 dToF传感技术    浏览量:403

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