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「芯智讯」苹果“激光雷达扫描仪”拆解：dToF技术会成为主流吗？

众所周知 ， 激光雷达（LiDAR）技术是目前自动驾驶汽车领域的关键技术 。 不过 ， 在3月18日 ， 苹果推出的全新的2019款iPadPro系列平板电脑上 ， 苹果称新款的iPadPro上配备了“激光雷达扫描仪” ， 由此也引发了外界的极大关注 。
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根据苹果官方的介绍称 ， 新款iPadPro所配备的激光雷达扫描仪是“通过测量光触及物体并反射回来所需的时间 ， 来确定距离 。 特制的激光雷达扫描仪利用直接飞行时间(dToF) ， 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 ， 为增强现实及更广泛的领域开启无尽可能 。 ”
那么新款iPadPro所配备的激光雷达扫描仪到底有何过人之处呢？近日国外拆解机构TechInsights和iFixit都对于新款iPadPro的“激光雷达扫描仪”进行了拆解 ， iFixit还对其进行了测试 。 从结果来看 ， iPadPro的“激光雷达扫描仪”的名头 ， “营销意味”更大 ， 其实际的效果远不如目前的3D结构光和3DToF 。
dToF和iToF
虽然 ， 新款iPadPro所采用激光雷达扫描仪与车载激光雷达确实是基于ToF技术 ， 主要原理是利用雷达发射光波 ， 光波遇到不可穿透物体会发生反射 ， 通过记录反射光到达接收器的时间 ， 便能快速计算出光源与物体的距离 ， 由此便得到一张被测物体的3D图像 。
不同之处在于 ， 新款iPadPro所采用激光雷达扫描仪采用的是dToF（directtimeofflight ， 直接测量飞行时间）技术 ， 而目前手机上所采用的3DTOF模组则是基于iToF（indirecttimeofflight ， 间接测量飞行时间）技术 。 那么二者有何区别呢？
根据“大话成像”的介绍：
iToF和dToF的区别 ， 首先从发出信号来看 ， dToF是单个脉冲 ， iToF多是正弦波 。
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iToF和dToF的区别
iToF和dToF在sensor和算法上的也有不小的区别 。 iToF目前更多是使用Globalshuttersensor或者是在这个基础上改进的专用sensor 。 以原始的Globalshuttersensor为例 ， 最终的算法是使用基于正弦波的相位计算 ， 一般需要使用四帧图像才能通过相位得到距离 ， 而这导致了sensor不得不工作在4倍于3D成像的帧率 ， 比如3D成像需要30fps ， sensor就不得不工作在120fps 。 这导致了系统功耗的增加和帧率提升的困难 。
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▲iToF的计算原理
而目前的dToF则可以过雪崩二极管摆脱传统脉冲ToF计算需要使用两帧基于Globalshuttersensor图像的束缚 。 SPAD（singlephotonavalanchediode ， 单光子雪崩二极管）的像素(SiPM)可以直接输出脉冲信号 。 通过像素的脉冲输出直接进行简单的模数转换就可以得到光子回来的时间和个数 ， 这大大增大了侦测距离 ， 减少了功耗和运算量 。
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传统脉冲TOF的计算原理
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▲SPAD的简化SingalChain
(该图缺少转换的TDC的器件 ， 只做示意 ， 今后会更详细的介绍SPAD技术)
（以上分隔线内的内容来自“大话成像”）
综合来看 ， iToF的优势在于原理简单 ， 系统容易集成 ， 不需要额外测量电路和算法 。 但是缺点在于精度偏低 ， 厘米级 ， 且精度随距离下降；功耗相对较大大；存在多路径干扰问题；模拟电路架构 ， 需要增加一颗模数转换芯片；标定相对复杂 。


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