iPad 11的问市，开启了一场使用激光雷达扫描仪的竞赛。苹果在iPad Pro 11中内置了一个，现在似乎每个人都想在自己的产品中安装一个。

苹果的这一举动以及大众对此的反应已经在整个电子行业产生了影响。集成电路和传感器供应商正在重新评估他们的产品路线图;一些公司已经改变了他们的商业模式。

它有多厉害

全新iPad Pro将默认的1200w住摄以及新增的1000w像素的超广角相机、全新模块——激光雷达扫描仪，组成了全新iPad Pro标志性矩形结构的摄像头模组。我们可以看到相机的矩形结构是与背部机身一体打造的，凸起部分的过渡与衔接十分自然、完整。现在在拍照或者拍摄视频时，就可以像iPhone11那样在相机界面左侧直接切换超广角和广角了。新的相机模组，也使得媒体创作者们可以使用第三方APP同时调用两颗镜头来实现一些特殊的拍摄方式了。

当然今天我们的重头戏还是这个新增的激光雷达扫描仪。整个模组看似是一个完整的黑色区域，实际上在其内部包含了光信号发射器和接收器，两者相互配合，可以让光直接投射到最远5M的物体上并迅速返回，通过测量返回的时间来获取前方物体的三维数据。更为厉害的时这一切都是以“纳秒”的速度在光子的层面进行探测的。让小堂来给那家解释下“纳秒”的概念吧。1纳秒等于1秒的十亿分之一。

但是“激光雷达扫描仪”到底是什么呢？苹果用这个词来描述一种测量深度的新传感器——换句话说，它是一种探测三维物体的传感器。

Yole development光子学和显示器部门的首席分析师Pierre Cambou解释，平板电脑和智能手机上的“激光雷达”，总的来说“只是3D感应技术的一个子类”。

无论是开发自动驾驶汽车、智能手机还是平板电脑，许多系统设计师都在探索如何为二维图像传感器捕捉的像素和颜色添加“深度”信息。例如，激光雷达被汽车工业用于检测和绘制高度自动化车辆周围物体的距离。

苹果公司新推出的iPad Pro 11使用了激光雷达扫描仪，以提供更专业的外观增强现实。它是为苹果的ARkit3.5开发工具包设计的。

这种激光雷达扫描器之所以重要，它是一种用于探测和测量深度的特定技术，这也是为什么包括华为和Vivo在内的其他移动设备供应商似乎也在追求它。

3D传感的不同方法

对于系统设计者来说，有3种技术可实现3D传感——立体视觉、结构光和飞行时间(ToF)。更复杂的是，ToF现在有两种:间接飞行时间(iToF)和直接飞行时间(dToF)。iToF测量相移，dToF测量直接飞行时间。

知道iPhoneX的人脸识别吗？用的就是结构光技术。一个由苹果自己开启的指纹时代，现在也是由苹果亲手用另一个更炫酷的时代来将它终结了。iPhone X 可能会让你彻底忘了解锁和指纹这两件事。因为用脸解锁的方式实在太方便，不需要任何动作，抬手秒解锁，整个过程很自然。更重要的是，你可能不相信，人脸其实比指纹更安全！

对于 iPhone X 而言，在全面屏之外，最大的亮点就是全新的人脸解锁/支付的功能。苹果这次在 iPhone X 上用 Face ID（人脸）完全代替了 Touch ID（指纹），解锁更简单的同时人脸也代替了以往指纹的身份验证作用。不只是方便和快，苹果的人脸识别技术更重要的是提供了比指纹更高的安全性。

把人脸识别的安全性做到能够充当身份验证，苹果运用的正是 3D 结构光技术，通过前置的 Infrared Camera 和 Dot Project 组件，iPhone X 能够快速扫描人的面部并在人脸表面形成 3 万个看不见的 IR Dot，就像 3D 建模一样。

它的深度运算是通过一个红外发射器发出按规则排列的3万个点来实现的。这些点对人来说是看不见的，但对红外照相机来说是看不到的，所以当它在不同深度的表面上反射时，照相机就能读出图案的变形。

随着iPad Pro 11的推出，由于采用了直接飞行时间传感器，3D感知变得更加丰富和细化。到目前为止，苹果的iPad Pro是唯一利用dToF的消费产品。许多智能手机供应商已经在使用iToF来拍摄更好的照片(ToF可以模糊照片中的背景)，但dToF没有。

然而，结构光方法提供了很高的深度精度，但其缺点是其复杂的后处理，必须从模式匹配计算深度。

相比之下，dTOF的优点是能够提供简单的后处理。然而，其中的问题是它需要高灵敏度的光电探测器(如单光子雪崩二极管)和一个较大的形状因素，以便在一次测量中用少量入射光子测量飞行时间。

到目前为止，在三维成像方法中，iTOF方法最常见。它提供了高深度精度，简单的后处理，和高空间分辨率使用小型光电探测器广泛使用在二维图像传感器。

尽管如此，对于3D传感，苹果却另辟蹊径。选择了结构光用于面部识别，现在正使用dToF用于增强现实。

所以，业界不仅在思考：dToF是什么？它的构建模块是什么？谁造的？

Yole的一个部门System Plus Consulting对iPad进行了一次拆卸，展示了iPad Pro 11 3D传感模块的内部细节。

System Plus公司的高级技术和成本分析师Sylvain Hallereau对此进行了分析：

iPad Pro 11的“激光雷达扫描器”由一个发射器和一个近红外CMOS图像传感器（sony）组成，该传感器直接测量飞行时间。

索尼的SPAD阵列近红外CMOS图像传感器

这张拆下的索尼CMOS图像传感器的横截面为我们透露了一些信息。Yole的Cambou在最近的博客中写道：“ 这款产品看起来有点类似于10微米像素的间接飞行时间(iToF)设计，结果却是“第一款具有像素连接的消费者CMOS图像传感器(CIS)产品——它是单光子雪崩二极管(SPAD)阵列。”

“像素内连接”（in-pixel connection）是一个重要的限定符。索尼首次采用3D叠加技术将近红外CMOS图像传感器与SPAD集成到ToF传感器中。像素内连接使CMOS图像传感器与逻辑晶片结合成为可能。Hallereau解释，集成了逻辑芯片后，图像传感器可以对iPad和物体之间的距离进行简单的计算。

索尼通过开发这款新一代SPAD阵列近红外CMOS图像传感器，在dToF领域开辟了自己的道路，该传感器具有10像素和30千像素的分辨率。

然而，这不仅仅是索尼的技术成就，它还与索尼的业务转型有关。

日本CMOS图像传感器(CIS)传统上比传感做更多的成像。2019年7月，索尼将公司的半导体部门名称正式变更为：成像与传感解决方案部门（I&SS），这一点变化隐藏了索尼在半导体领域的实力，目的是放大其在图像传感器领域的优势地位。据悉，索尼在图像传感器上的发展使得该公司连续两个财年净资产收益率高于目标的10%。索尼认为3D成像与传感业务在传感器和人工智能结合中带来巨大的发展机遇。

索尼在3D成像与传感业务方面采取两种方案策略：第一种是向华为（Huawei）和三星（Samsung）等安卓（Android）手机品牌厂商供应iToF背照式CMOS图像传感器，2019年这部分营收约为3亿美元；第二种是赢得苹果iPad Pro的dToF（SPAD阵列）图像传感器设计导入订单（design win），并且该dToF图像传感器极有可能会出现在iPhone系列手机中。从“成像到传感”和“2D到3D”的成功过渡，可见索尼在CMOS图像传感器领域的强大实力。这也是索尼成像与传感解决方案部门持续繁荣的基础。

传言iPhone 12 Pro Max后置dToF激光雷达

Cambou怀疑dToF传感器最终可能会应用在iphone上。在他的分析中，“在2020年索尼的传感收入可能会超过10亿美元，而这个行业刚刚才超过100亿美元的里程碑。”从成像到传感的成功转变帮助索尼在CIS市场保持持续的优势。也必作这分未来兴旺的根基。”

索尼这款dToF图像传感器的分辨率为3万像素，像素尺寸为10微米，探测器类型为SPAD阵列。像素内连接通过混合键合互连技术将探测器晶圆和逻辑电路晶圆键合实现，这是索尼首次将3D堆叠应用于dToF图像传感器。同时，深沟槽隔离（Deep trench isolation）也被应用，充满金属的沟槽完全隔离了像素。此外，苹果新款iPad Pro激光雷达还集成了Lumentum的VCSEL芯片和德州仪器（TI）的VCSEL驱动芯片。

索尼dToF图像传感器横截面图

Lumentum的 VCSEL

除了索尼公司的CIS外，激光雷达还配备了Lumentum公司的VCSEL。该激光器设计为多个电极分别连接到发射极阵列。

System Plus的技术和成本分析师Ayari将注意力集中在一种名为mesa contact的新加工步骤上，这种新加工步骤是由Lumentum在VCSEL中添加的。VCSEL从晶圆片表面发出光。微调发射需要电源管理和应用不同的控制发射极阵列。Ayari认为Lumentum增加了这一处理步骤，以增强晶圆探针测试。

为了产生脉冲并驱动VCSEL的功率和波束形状，发射器使用了美国德州仪器公司的驱动芯片。集成电路采用晶圆级芯片规模封装(WLCSP)，五面成型。最后，一种新的衍射光学元件(DOE)，它位于VCSEL的顶部，产生点图案。

为什么用VCSEL？

1、VCSEL过去用于短距离光通信

VCSEL，全名为垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser），过去主要用于短距离光通信行业，同时VCSEL也是光通信领域成本最低的一种激光器（除了LED以外）。对比于LED，VCSEL激光器具有高效率，响应时间快等特点，也正因此，VCSEL成为目前3D 传感器的最佳选择。

2、3D 传感采用VCSEL方案，原理为ToF(Time of Flight)

3D 传感采用的是VCSEL方案，其主要原理为光飞行时间的测量（ToF）。正如下图所示，一颗3D传感模组从原理上来说，必须拥有低功耗高效的激光器，而且需要光感应器件。

通过对比发射信号和回传信号之间的相位差就可以计算出障碍物距离模组的距离。

可以预见的是，苹果每次的新品发布都要加个可以颠覆行业理念的新功能，从iPad11 来看，苹果需求将主要决定消费级VCSEL激光器芯片的走势，其相对应的供应商如Lumentum和Finisar等，还将随苹果共舞。另一方面，在手机行业持续萎靡的大背景下，一旦AR眼镜的相关技术获得突破，已经在生态方面搭好地基的苹果，一定会第一时间推出商用产品。而这或许也是苹果软件实力的又一次证明。

出处：EEtimes