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       2020年蘋果發(fā)布了新一代的iPad Pro，其中，基于TOF技術(shù)的激光雷達(dá)掃描儀是這款平板電腦的亮點(diǎn)，一時(shí)間引起了行業(yè)內(nèi)外激烈的探討，蘋果官方宣："特制的激光雷達(dá)掃描儀利用直接飛行時(shí)間（DToF），測(cè)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(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)域開啟無盡可能"。究竟什么是DToF，該技術(shù)在iPad中又是如何工作的呢，未來的改進(jìn)空間又在哪里，本文會(huì)帶來詳細(xì)的解讀。 

       DTOF，全名"Direct-Time-of-Flight"（直接飛行時(shí)間測(cè)距法），是3D深度攝像的方案之一， 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)的特點(diǎn)。優(yōu)勢(shì)在于針對(duì)需要一定距離測(cè)繪的應(yīng)用，如人的動(dòng)作識(shí)別，建筑物識(shí)別，場(chǎng)景識(shí)別建模等。

圖1. 蘋果對(duì)于DTOF的宣傳

       DTOF（Direct Time of Flight）是一種利用直接飛行時(shí)間來進(jìn)行測(cè)距的激光雷達(dá)，其測(cè)距原理為計(jì)算光脈沖從發(fā)射到與目標(biāo)反彈并接收的時(shí)間，從而通過光速求出目標(biāo)距離。iPad搭載的這款DTOF視角約為60°×48°。光在一個(gè)較大視場(chǎng)角的情況下會(huì)隨距離迅速衰減，為了保證探測(cè)距離，蘋果采用了DOE元件進(jìn)行點(diǎn)陣發(fā)射，每個(gè)點(diǎn)陣覆蓋約1°×1°的范圍。

圖2. iPad DTOF發(fā)射點(diǎn)陣圖

       iPad的DTOF分為兩種工作模式，分別為正常工作模式和省電模式，上圖2中左邊為正常工作模式，共計(jì)576個(gè)發(fā)光點(diǎn)，而右邊為省電工作模式，僅有144個(gè)點(diǎn)在同時(shí)工作。而且這些點(diǎn)也并不是同時(shí)都發(fā)光的，使用高速相機(jī)拍攝的情況下，不同的發(fā)光點(diǎn)交替發(fā)光，如下圖3所示。

圖3. iPad DTOF發(fā)射點(diǎn)陣瞬時(shí)圖

       經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其發(fā)光點(diǎn)分為四組，輪流發(fā)光，以一個(gè)單元為例，其發(fā)射順序如下圖所示：

圖4. iPad DTOF發(fā)射點(diǎn)陣順序圖。

       圖中我們用不同的顏色標(biāo)記了不同的發(fā)光順序，我們可以看到在每一行，發(fā)光的順序?yàn)?-2-1-2重復(fù)或者3-4-3-4重復(fù)的。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)，正極分為四個(gè)大區(qū)域，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以分別控制這四個(gè)大區(qū)域中的一個(gè)。激光器部分的結(jié)構(gòu)圖如下圖5所示：

圖5. iPad DTOF發(fā)射點(diǎn)陣順序圖，（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）

       由圖中可以看到每一排為4個(gè)發(fā)光點(diǎn)，分為16排，分四組，共計(jì)64個(gè)光點(diǎn)。然而實(shí)際中卻出現(xiàn)了576個(gè)光點(diǎn)。這是因?yàn)樵诎l(fā)光端采用了DOE元件，在上、下、對(duì)角線三個(gè)方向分別產(chǎn)生了±1級(jí)的衍射，將一個(gè)發(fā)光點(diǎn)擴(kuò)展為了9個(gè)。從下圖6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元件衍射的結(jié)果。

圖6. iPad DTOF發(fā)射點(diǎn)陣衍射圖。

       對(duì)于DTOF測(cè)距，最重要的是使用多個(gè)脈沖產(chǎn)生一個(gè)直方圖，其工作原理大致可用下圖7解釋：

圖7. DTOF測(cè)距原理（圖片來源網(wǎng)絡(luò)）。

       產(chǎn)生距離核心為生成光子計(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)距的精確度。當(dāng)光脈沖的功率大的時(shí)候，產(chǎn)生的直方圖需要少量的脈沖即可，但是直方圖與原始的光強(qiáng)度包絡(luò)相差較大。而當(dāng)光脈沖功率較小時(shí)，雖然產(chǎn)生一張直方圖所需要的光脈沖數(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。

       在這一代的DTOF sensor上，其全局幀頻為30fps，每一幀包含8個(gè)子幀。按照前面的四組發(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)，則為很多個(gè)脈寬約2-3ns的脈沖，每個(gè)子幀大約包含80,000個(gè)脈沖，每秒會(huì)產(chǎn)生約480萬個(gè)脈沖。

       這里對(duì)于索尼所選擇的的脈沖數(shù)量和功率還是很有爭(zhēng)議的。對(duì)于SPAD來說，每個(gè)脈沖內(nèi)信號(hào)光子數(shù)盡量的多才能保證每個(gè)脈沖有更大的概率被探測(cè)到。而且，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)芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸帶來了極大壓力，據(jù)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(hào)完整傳輸出來。既然蘋果和索尼這樣選擇，那么他們對(duì)于自己的技術(shù)也是有相當(dāng)?shù)男判牡摹?/p>