眾所周知，激光雷達（LiDAR）技術是目前自動駕駛汽車領域的關鍵技術。不過，在3月18日，蘋果推出的全新的2019款iPad Pro系列平板電腦上，蘋果稱新款的iPad Pro上配備了“激光雷達掃描儀”，由此也引發了外界的極大關注。
根據蘋果官方的介紹稱，新款iPad Pro所配備的激光雷達掃描儀是“通過測量光觸及物體並反射回來所需的時間，來確定距離。特製的激光雷達掃描儀利用直接飛行時間(dToF)，測量室內或室外環境中從最遠五米處反射回來的光。它可從光子層面進行探測，並能以納秒速度運行，為增強現實及更廣泛的領域開啟無盡可能。”
那麼新款iPad Pro所配備的激光雷達掃描儀到底有何過人之處呢？近日國外拆解機構TechInsights和iFixit都對於新款iPad Pro的“激光雷達掃描儀”進行了拆解，iFixit還對其進行了測試。從結果來看，iPad Pro的“激光雷達掃描儀”的名頭，“營銷意味”更大，其實際的效果遠不如目前的3D結構光和3D ToF。
dToF和iToF
雖然，新款iPad Pro所採用激光雷達掃描儀與車載激光雷達確實是基於ToF技術，主要原理是利用雷達發射光波，光波遇到不可穿透物體會發生反射，通過記錄反射光到達接收器的時間，便能快速計算出光源與物體的距離，由此便得到一張被測物體的 3D 圖像。
不同之處在於，新款iPad Pro所採用激光雷達掃描儀採用的是dToF（direct time of flight，直接測量飛行時間）技術，而目前手機上所採用的3D TOF模組則是基於iToF（indirect time of flight，間接測量飛行時間）技術。那麼二者有何區別呢？
根據“大話成像”的介紹：
iToF和dToF的區別，首先從發出信號來看，dToF是單個脈衝，iToF多是正弦波。
iToF和dToF的區別
iToF和dToF在sensor和算法上的也有不小的區別。iToF目前更多是使用Global shutter sensor 或者是在這個基礎上改進的專用sensor。以原始的Global shutter sensor 為例，最終的算法是使用基於正弦波的相位計算，一般需要使用四幀圖像才能通過相位得到距離，而這導致了sensor不得不工作在4倍於3D成像的幀率，比如3D成像需要30fps，sensor就不得不工作在120fps。這導致了系統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脈衝ToF計算需要使用兩幀基於Global shutter sensor圖像的束縛。SPAD（single photon avalanche diode，單光子雪崩二極管）的像素(SiPM)可以直接輸出脈衝信號。通過像素的脈衝輸出直接進行簡單的模數轉換就可以得到光子回來的時間和個數，這大大增大了偵測距離，減少了功耗和運算量。
傳統脈衝TOF的計算原理
▲SPAD的簡化Singal Chain
(該圖缺少轉換的TDC的器件，只做示意，今後會更詳細的介紹SPAD技術)
（以上分隔線內的內容來自“大話成像”）
綜合來看，iToF的優勢在於原理簡單，系統容易集成，不需要額外測量電路和算法。但是缺點在於精度偏低，釐米級，且精度隨距離下降；功耗相對較大大；存在多路徑干擾問題；模擬電路架構，需要增加一顆模數轉換芯片；標定相對複雜。
相比之下，dToF的優勢在於，其精度可以達到更高的毫米級，且理論上其精度不隨距離增加而下降；測距時間更短；功耗更低；抗干擾能力強；數字電路架構，不需要模數轉換，易於後續集成；標定也相對簡單。但是，其也存在一些缺點，比如，所需的SPAD工藝複雜，供應商較少，目前僅有索尼和意法半導體有供應能力，並且SPAD難以小型化導致sensor的分辨率很難提高；需要高頻驅動電路及額外的時間處理電路，系統集成難度高。
新款iPad Pro的“激光雷達掃描儀”究竟如何？
近日，國外專用的拆解機構TechInsights和iFixit都對於新款iPad Pro的“激光雷達掃描儀”進行了拆解。
▲iFixit拆解新款iPad Pro的後置相機模組
▲TechInsights拆解的新款iPad Pro的“激光雷達掃描儀”內部的Sensor
TechInsights表示，新款iPad Pro（型號A2068）的“激光雷達掃描儀”採用的是索尼的ToF傳感器，面積為4.18mm x 4.30mm（18mm²），分辨率為3萬像素（0.03 MP），像素尺寸為10µm。
也就是說，儘管蘋果的“激光雷達掃描儀”模組已經做的足夠的小了，但是它的分辨率仍然非常的低。
通過下面iFixit的測試我們也可以看到，蘋果的“激光雷達掃描儀”所發射的激光點陣密度較低，遠低於蘋果iPhone的前置結構光模組所發射的點陣密度。
▲蘋果的“激光雷達掃描儀”所發射的激光點陣
▲蘋果的前置結構光模組所發射的激光點整
在蘋果帶領下，dToF能否成為主流？
隨著2017年蘋果率先將基於3D結構光技術的Face ID應用在iPhone X上之後，徹底引爆了3D成像市場。
根據諮詢公司Yole D'developpement的數據顯示，由於消費電子市場可以預見的爆炸性增長，全球3D成像和傳感市場將從2016年的13億美元增長到2022年的90億美元，複合年增長率將達到38%。其中，消費電子產品的3D成像和傳感市場將從2016年的2000萬美元增長到2022年的60.58億美元，年複合增長率為158%。
而Yole D'developpement最新的預測則顯示，2019-2025 年 3D成像與傳感市場規模將從 50 億美元增加至 150 億美元，複合增長率仍可超過 20%。特別是在消費電子領域，3D成像和傳感市場將從2019年的20.17億美元增長到2025年的81.65億美元，年複合增長率超過26%。
另據Yole D'developpement預測，3D 攝像頭在智能手機中的滲透率將在未來幾年大幅上升，2025年將有望達到 70%，市場空間廣闊。
而在目前的3D市場，3D結構光技術早已經成為了一項主流的3D傳感技術。特別是在2017年蘋果率先推出搭載3D結構光iPhone X的引領之下，之後的OPPO Find X、小米8透明探索版、華為Mate 20 Pro、華為Magic 2等眾多手機都開始引入了3D結構光，用作3D人臉識別解鎖。
雖然3D結構光分辨率和安全性相對較高，但是其成本和功耗也較高，且識別距離相對較短，這樣使得其應用範圍相對較窄，主要用於設備的前置，用作3D人臉解鎖、3D表情製作等。
相比之下，ToF 3D技術雖然成像精度和分辨率雖然要低一些，但是其優勢在於成本低，識別距離更遠，可以做到0.4米到5米左右的中遠距離識別，抗干擾性強，而且FPS刷新率更高，這也使得ToF技術不僅可以應用於前置的3D人臉識別、3D表情製作等方面，還可適用於後置，可用於3D環境重構、手勢識別、體感遊戲、AR/VR等多方面的應用，相比結構光來說應用面更廣。
特別是近兩年來，隨著ToF技術的成熟，其精度也得到了大幅提升，開始成為了越來越多的中高端旗艦智能手機的後置3D成像方案的標配。比如OPPO R17 Pro、vivo NEX雙屏版、榮耀V20、LG G8、三星S10 Pro、華為P30 Pro、華為Mate 30 Pro和華為P40 Pro/Pro+。
從目前來看，ToF技術的應用大有趕超3D結構光之勢。
不過需要指出的是，此前手機和平板上所採用ToF技術基本都是iToF技術，那麼此次蘋果率先將dToF技術應用到新款iPad Pro之上，是否又將引領一個新的技術風潮，推動dToF技術成為主流呢？
從前面的介紹，我們能夠看到，dToF相對於iToF來說，最為主要的關鍵優勢在於其精度可以更高，且理論上其精度不隨距離增加而下降，功耗也更低，抗干擾能力也更強。主要制約則在於SPAD工藝複雜，供應商僅有索尼和意法半導體，且難以小型化導致sensor的分辨率較難提高。
雖然此次新款iPad Pro所採用的索尼的dToF Sensor的性能似乎並不理想，不過，意法半導體或許有更好的解決方案。
根據IHS Markit的數據，雖然意法半導體在CMOS圖像傳感器和其他光電產品的全球市場份額排名第五，但ToF模塊此前已在150多部智能手機中使用，出貨總量達10億顆，使得意法半導體成為了全球最大的ToF傳感器供應商。據瞭解，蘋果iPhone X上的ToF測距傳感器就是由意法半導體供應的。
另外，意法半導體很早之前就曾對外透露，其正在基於單光子雪崩二極管（SPAD）和光電二極管ToF傳感器（FlightSense）的成像產品開發，而這些正是基於dToF直接測量飛行時間技術。
此前外界就有預測，蘋果今年的iPhone 12可能將會配備後置的ToF 3D鏡頭，那麼很可能會採用與新的iPad Pro一樣的dToF技術，並且傳感器的性能指標也必須要大幅提升。當然，目前這些還是推測，具體如何，我們還是拭目以待吧。
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