作者簡(jiǎn)介

　　李安，安思疆科技CEO，碩士畢業(yè)于浙江大學(xué)光電系，曾就職于華為2012實(shí)驗(yàn)室，獨(dú)立設(shè)計(jì)了3D結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)，主導(dǎo)潛望式鏡頭光學(xué)設(shè)計(jì)，大規(guī)模應(yīng)用在華為旗艦機(jī)，多項(xiàng)核心技術(shù)專利（包括美國(guó)專利）第一發(fā)明人，發(fā)表多篇論文，精通幾何光學(xué)、衍射光學(xué)，激光，復(fù)雜光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，熟悉微納光學(xué)、圖像處理、3D視覺算法、光電芯片等領(lǐng)域，擁有完整的產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)和深厚的理論及技術(shù)背景。安思疆也是繼蘋果之后，第2家發(fā)布消費(fèi)級(jí)面陣dToF激光雷達(dá)的公司。

　　2022年9月，蘋果發(fā)布了全新的iPhone 14系列手機(jī)，其中Pro和Pro Max均延續(xù)了前代配置中的后置dToF Lidar模組，用于手機(jī)AR、3D掃描建模、輔助對(duì)焦等功能，大幅提升智能手機(jī)3D視覺體驗(yàn)。實(shí)際上，早在2020年3月蘋果發(fā)布新款iPad Pro，其后置相機(jī)模塊中就進(jìn)行了大幅革新，首次搭載了自研的基于dToF技術(shù)的Lidar模塊( Light detection and range激光雷達(dá))；隨后僅隔半年，在10月份發(fā)布iPhone 12系列中，也搭載了這一技術(shù)；是蘋果繼2017年發(fā)布3D結(jié)構(gòu)光后，迎來的又一重大技術(shù)里程碑，同時(shí)也是大面陣3D Lidar首次在消費(fèi)電子產(chǎn)品中的大規(guī)模應(yīng)用。

　　3D傳感技術(shù)主流包括結(jié)構(gòu)光技術(shù)（Structure Light）和光飛行時(shí)間測(cè)量技術(shù)（ToF, Time of Flight）， 后者又分為間接飛行時(shí)間測(cè)量（iToF, indirect Time of Flight）和直接飛行時(shí)間測(cè)量（dToF, direct Time of Flight）。蘋果在技術(shù)路徑上最終選擇了結(jié)構(gòu)光技術(shù)和dToF技術(shù)分別應(yīng)用在前置相機(jī)和后置相機(jī)上，形成互補(bǔ)，兼顧前置和后置的各種3D視覺應(yīng)用。

　　3D結(jié)構(gòu)光經(jīng)過幾年的發(fā)展，除了手機(jī)，iPad之外，也已應(yīng)用在了許多地方，例如微信與支付寶的3D刷臉支付、3D人臉門鎖、各種各樣的機(jī)器人、3D 視頻和體感游戲等場(chǎng)景中。而dToF技術(shù)對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品的愛好者來講雖然是比較前沿的技術(shù)，但其實(shí)也已經(jīng)應(yīng)用好幾年了，例如：聽筒附近的接近傳感器，用來探測(cè)耳朵是否靠近以此控制屏幕亮滅；某些手機(jī)的后置相機(jī)模塊中配備的距離傳感器，用來輔助拍照對(duì)焦。雖然這些傳感器使用了dToF的原理，但都是單點(diǎn)或者少點(diǎn)的探測(cè)，只能做一些簡(jiǎn)單的功能，無法實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)范圍、高分辨的3D面陣成像，因而不能用來做視覺上復(fù)雜的多功能應(yīng)用。在蘋果的激光雷達(dá)發(fā)布之前，面陣的dToF技術(shù)主要應(yīng)用在車載激光雷達(dá)，目前成熟的方案采用是機(jī)械式掃描和半機(jī)械式掃描來實(shí)現(xiàn)線陣向面陣的轉(zhuǎn)化。

　　蘋果3D Lidar的核心部件為VCSEL+ Collimator +DOE（組成發(fā)射端）、Imaging Lens +Narrow-band Filter +SPAD (組成接收端)、高速高功率激光驅(qū)動(dòng)電路。

　　激光是愛因斯坦在研究粒子的受激輻射時(shí)演變而來的技術(shù)，是使光波在含有增益介質(zhì)的光學(xué)腔（諧振腔）里產(chǎn)生穩(wěn)定的駐波震蕩，以此實(shí)現(xiàn)光能量放大。第1臺(tái)激光器由美國(guó)科學(xué)家在1960年利用紅寶石制成，激光的中文名是由錢學(xué)森先生翻譯的。我們可以按光束出射的方式，將激光分為2種類型，即EEL（Edge-Emitting Laser 邊發(fā)射激光）和VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser 垂直腔面發(fā)射激光）。

　　Collimator & Imaging Lens是成像光學(xué)鏡頭，屬于比較傳統(tǒng)的幾何光學(xué)領(lǐng)域，只不過前者用于投影，后者用于攝影。Collimator準(zhǔn)直鏡頭，在蘋果的結(jié)構(gòu)光和dToF Lidar上都有應(yīng)用。準(zhǔn)直鏡頭由多個(gè)光學(xué)鏡片組合而成，用來將激光光源投射到場(chǎng)景中。Imaging Lens接收鏡頭，是所有2D、3D視覺中必不可少的器件，包括單反相機(jī)、手機(jī)相機(jī)、安防監(jiān)控、工業(yè)檢測(cè)、機(jī)器視覺等。在dToF Lidar的系統(tǒng)應(yīng)用中，與Collimator一樣，一般也是由多個(gè)光學(xué)鏡片組成，其作用是成像接收TX端所投射出來的放大散斑，并在焦面上重新縮小至數(shù)平方毫米，以便微小尺寸的光電傳感器接收。

　　DOE（Diffraction Optical Element 衍射光學(xué)元件）屬于物理光學(xué)范疇，光具有波粒二象性，在幾何成像光學(xué)領(lǐng)域用的是光線光學(xué)的理論，即偏粒子性，而在光的衍射干涉等領(lǐng)域則采用波動(dòng)光學(xué)理論，即偏波動(dòng)性。DOE在蘋果的3D結(jié)構(gòu)光和3D Lidar中都有使用，本質(zhì)上是把一束光分裂成若干份，把上述Collimator放大的散斑圖案進(jìn)行復(fù)制，相當(dāng)于對(duì)散斑的投射范圍進(jìn)行了二次放大，蘋果的3D結(jié)構(gòu)光視野范圍~90°，因此即使被攝人臉的位置偏離較大時(shí)也能同樣解鎖。蘋果的3D Lidar視野范圍也達(dá)到了~70°。角度越大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和DOE設(shè)計(jì)難度都急劇增大，不過目前已經(jīng)有超過100°的超廣角3D 結(jié)構(gòu)光產(chǎn)品，例如安思疆的Nuwa系列產(chǎn)品已經(jīng)可以達(dá)到110°。

　　Narrow-band Filter窄帶濾光片屬于薄膜光學(xué)領(lǐng)域，是比較傳統(tǒng)的領(lǐng)域。3D Lidar中使用的是940nm近紅外VCSEL激光器，窄帶濾光片的作用是濾除掉940nm之外的環(huán)境光，最大程度減少干擾，大大提高信噪比。

　　SPAD（Single Photon Avalanche Diode 單光子雪崩二極管）是將光能轉(zhuǎn)化為電能，并且通過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，將探測(cè)到的光信號(hào)最終轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式向外輸出。SPAD是集成了光電探測(cè)模塊、模擬電路模塊、數(shù)字電路模塊的高度集成化芯片，而且蘋果還把它做成了大面陣的陣列，這也是陣列SPAD第一次在消費(fèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用。

　　采用定制化工藝制造的固態(tài)SPAD盡管已經(jīng)發(fā)明了幾十年，但是之前一直存在兩個(gè)問題: 一是器件體積大，價(jià)格昂貴; 二是器件與集成電路難以兼容。近幾年來，基于CMOS工藝的SPAD陣列的成功設(shè)計(jì)和制造很好地解決了這兩方面的問題，從遠(yuǎn)紅外到深紫外頻段SPAD都能實(shí)現(xiàn)單光子級(jí)別的探測(cè)靈敏度，與光電倍增管、APD等相比較，其具有更高的量子效率、更小的尺寸、更低的擊穿電壓，具備識(shí)別單光子、可數(shù)字化成像、抗環(huán)境光干擾等特點(diǎn)，其最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)距，且具備較高精準(zhǔn)度，因此在激光雷達(dá)、核醫(yī)學(xué)設(shè)備、生物診斷、高能物理、射線探測(cè)、分析儀器等多個(gè)領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。

　　蘋果采用的是BSI工藝，將SPAD層與邏輯電路層通過一種先進(jìn)的低溫銅-銅鍵合工藝連接起來，這樣可以把邏輯電路完全掩藏在底部，從而使SPAD的受光面積達(dá)到接近100%，最大限度的提升感光效率。

　　高速高功率激光驅(qū)動(dòng)芯片dToF的測(cè)量原理中要用到超短脈沖激光，因此也對(duì)激光的驅(qū)動(dòng)電路提出了要求：脈沖寬度~1ns，瞬時(shí)電流在某些應(yīng)用中最高要達(dá)到~20A。要同時(shí)滿足脈沖寬度和大電流就非常困難，由于大部分驅(qū)動(dòng)芯片還是硅基形式，無法承載這么大的高速電流，因此不僅在消費(fèi)電子領(lǐng)域幾乎沒有過類似的需求，即使在車載領(lǐng)域也很難找到一顆集成的驅(qū)動(dòng)芯片來同時(shí)滿足這兩個(gè)要求。目前主要的解決方式是：短脈沖驅(qū)動(dòng)芯片+GaN開關(guān)，未來將這二者集成在一起是趨勢(shì)。無論如何，為了產(chǎn)生超短+高功率的激光脈沖，并且保持脈沖不變形，對(duì)激光器以及其驅(qū)動(dòng)電路都提出了極高的要求。

　　一顆小小的激光雷達(dá)，其中卻蘊(yùn)含了如此多的黑科技，即便復(fù)制都很難，其背后的研發(fā)投入必定是巨大的，不過這也是其產(chǎn)品定價(jià)的底氣所在。難，才是價(jià)值所在，行勝于言，安思疆立志與產(chǎn)業(yè)界一道攻堅(jiān)克難。