蘋果最新的Ipad pro上使用的新的激光雷達到底是什么?和車載常說的雷達有什么區(qū)別?和之前的3D  TOF又有什么區(qū)別呢?

　　首先這些雷達的使用的都是TOF技術(shù),也就是time of fly通過測量光飛回的時間計算距離.不過這次的雷達和之前的車載雷達從外觀和形式上并不一樣.反而和之前手機上使用在前攝的3D Tof一樣使用的平面3D TOF.但是TOF算法和sensor原理上和車載雷達一樣使用的Dtof技術(shù),而不是手機上3D TOF常見的Itof技術(shù).

　　下面本文分析蘋果新的激光雷達和之前的手機3D TOF還有車載雷達有什么區(qū)別,有什么技術(shù)突破.首先三者的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)和算法原理的區(qū)別可以參考下表：

　　從物理結(jié)構(gòu)上的區(qū)別

　　目前車載激光雷達,多是利用旋轉(zhuǎn)的線性掃描,有單線程或者多線程的.如下面兩張圖第一張圖是車載雷達單次掃描的示意,只能掃描一些線.比如64線程雷達單次只能獲得64個點的深度.然后如第二張圖的結(jié)構(gòu)上面部分進行旋轉(zhuǎn),每旋轉(zhuǎn)一定角度進行一次掃描,轉(zhuǎn)一圈得到360度的一幀3D圖像.這樣的物理結(jié)構(gòu)導(dǎo)致車載雷達的幀率和價格一直不理想.Velodyne的64線程的激光雷達價格高達8W美金,這也從一定程度上也限制了使用激光雷達的自動駕駛的發(fā)展.

　　而蘋果這次的雷達其實和之前使用3D TOF則更為類似.在不討論sensor pixel和算法的原理上.他們都是通過一個發(fā)射器和一個接收器.而唯一不同的是之前的3D TOF都是使用Itof技術(shù),蘋果這次使用的是Dtof技術(shù).所以蘋果使用激光雷達的名字,個人覺得更多的是博眼球的一種宣傳策略.

3D TOF成像

　　Itof和Dtof的區(qū)別

　　Itof和Dtof的區(qū)別,首先從發(fā)出信號來看,Dtof是單個脈沖,Itof多是正弦波.

Itof和Dtof的區(qū)別

　　Itof和Dof在sensor和算法上的也有不小的區(qū)別. Itof目前更多是使用global shutter sensor 或者是在這個基礎(chǔ)上改進的專用sensor.以原始的global shutter sensor 為例,最終的算法是使用基于正弦波的相位計算, 一般需要使用四幀圖像才能通過相位得到距離,而這導(dǎo)致了sensor不得不工作在4倍于3D成像的幀率,比如3D成像需要30fps,sensor就不得不工作在120fps.這導(dǎo)致了系統(tǒng)功耗的增加和幀率提升的困難.

Itof的計算原理

　　而目前的Dtof則可以過雪崩二極管擺脫傳統(tǒng)脈沖tof計算需要使用兩幀基于global shutter sensor圖像的束縛.SPAD的像素(SiPM)可以直接輸出脈沖信號.通過像素的脈沖輸出直接進行簡單的模數(shù)轉(zhuǎn)換就可以得到光子回來的時間和個數(shù),這大大增大了偵測距離,減少了功耗和運算量.

傳統(tǒng)脈沖TOF的計算原理

SPAD的簡化Singal Chain(該圖缺少轉(zhuǎn)換的TDC的器件,只做示意,今后會更詳細的介紹SPAD技術(shù))

　　雪崩二極管

　　雪崩二極管是DTOF的關(guān)鍵,其作用是通過在像素上增加

　　下圖左起第一個是一般成像使用的PD(光電二極管),第二是APD(雪崩二極管),第三個是SPAD(單光子雪崩二極管),其主要差別APD和SPAD在通過增加偏置電壓,在光子到光電二極管的時候會產(chǎn)生雪崩效應(yīng),就是產(chǎn)生大量的電子.這對成像不利,但是對于檢測脈沖則很好.而SPAD比PAD更敏感,也就是只需要很少的光子就能產(chǎn)生雪崩效應(yīng).

　　其實Dtof并不是第一次在消費類設(shè)備上使用.最早在手機上是在后攝的激光對焦和蘋果Face id的測距使用的Dtof sensor.之前的限制主要是來自于SPAD的難以小型化導(dǎo)致sensor的的分辨率很難提高.而這次蘋果的激光雷達在這個上面是有所突破的,分辨率比之前設(shè)備上的Dtof都要高.

　　蘋果激光雷達參數(shù)的估計:

　　由于目前蘋果還沒有公布具體的參數(shù),下面參數(shù)是本公眾號不負責(zé)任的估計.待正式產(chǎn)品參數(shù)出現(xiàn)后我們會進一步更新.

　　蘋果公司有兩家成像sensor的供應(yīng)商都有能力實現(xiàn)SPAD的sensor :Sony和ST.從目前已知的外網(wǎng)消息,這顆sensor應(yīng)該是Sony的產(chǎn)品.根據(jù)現(xiàn)在SPAD技術(shù)的發(fā)展,和之前蘋果3Dface id 的分辨率.以及從目前得到產(chǎn)品外觀中鏡頭面積來估計蘋果這次的激光雷達分辨率應(yīng)該能達到QVGA~VGA之間,最低也不會小于QQVGA.單個pixel的size應(yīng)該在10um到15um之間.從理論上Dtof能到100m~300M的偵測距離,考慮到平板的使用場景和功耗的追求,這次的激光雷達應(yīng)該可以達到5~10米左右的距離,是大于之前手機上Itof 3米左右的有效距離.

　　前景展望

　　ITOF 和DTOF 比較

　　下表是Itof和Dtof的優(yōu)缺點比較,從表中可以看到,Dtof的優(yōu)勢還是很明顯的,關(guān)鍵參數(shù)上只有分辨率略差,不過這次蘋果的使用的sensor上突破可能扭轉(zhuǎn)這個局面.

　　另外DTOF在實際工程化中需要的校準項也要比Itof少,實際生產(chǎn)的難度更低.價格比起車載雷達來說也更便宜,使用多個3D tof也可以滿足自動駕駛的需求.個人認為蘋果使用的這種3D Dtof在各種場景中會更有優(yōu)勢,發(fā)展前途也更大.

（注：本文系微信公眾號《大話成像》，知乎專欄《all in camera》原創(chuàng)文章，轉(zhuǎn)載請注明出處。 ）