作者简介

李安，安思疆科技CEO，硕士毕业于浙江大学光电系，曾就职于华为2012实验室，独立设计了3D结构光系统，主导潜望式镜头光学设计，大规模应用在华为旗舰机，多项核心技术专利（包括美国专利）第一发明人，发表多篇论文，精通几何光学、衍射光学，激光，复杂光电系统设计，熟悉微纳光学、图像处理、3D视觉算法、光电芯片等领域，拥有完整的产品及产业经验和深厚的理论及技术背景。安思疆也是继苹果之后，第2家发布消费级面阵dToF激光雷达的公司。

2022年9月，苹果发布了全新的iPhone 14系列手机，其中Pro和Pro Max均延续了前代配置中的后置dToF Lidar模组，用于手机AR、3D扫描建模、辅助对焦等功能，大幅提升智能手机3D视觉体验。实际上，早在2020年3月苹果发布新款iPad Pro，其后置相机模块中就进行了大幅革新，首次搭载了自研的基于dToF技术的Lidar模块( Light detection and range激光雷达)；随后仅隔半年，在10月份发布iPhone 12系列中，也搭载了这一技术；是苹果继2017年发布3D结构光后，迎来的又一重大技术里程碑，同时也是大面阵3D Lidar首次在消费电子产品中的大规模应用。

3D传感技术主流包括结构光技术（Structure Light）和光飞行时间测量技术（ToF, Time of Flight）， 后者又分为间接飞行时间测量（iToF, indirect Time of Flight）和直接飞行时间测量（dToF, direct Time of Flight）。苹果在技术路径上最终选择了结构光技术和dToF技术分别应用在前置相机和后置相机上，形成互补，兼顾前置和后置的各种3D视觉应用。

3D结构光经过几年的发展，除了手机，iPad之外，也已应用在了许多地方，例如微信与支付宝的3D刷脸支付、3D人脸门锁、各种各样的机器人、3D 视频和体感游戏等场景中。而dToF技术对于消费电子产品的爱好者来讲虽然是比较前沿的技术，但其实也已经应用好几年了，例如：听筒附近的接近传感器，用来探测耳朵是否靠近以此控制屏幕亮灭；某些手机的后置相机模块中配备的距离传感器，用来辅助拍照对焦。虽然这些传感器使用了dToF的原理，但都是单点或者少点的探测，只能做一些简单的功能，无法实现大视场范围、高分辨的3D面阵成像，因而不能用来做视觉上复杂的多功能应用。在苹果的激光雷达发布之前，面阵的dToF技术主要应用在车载激光雷达，目前成熟的方案采用是机械式扫描和半机械式扫描来实现线阵向面阵的转化。

苹果3D Lidar的核心部件为VCSEL+ Collimator +DOE（组成发射端）、Imaging Lens +Narrow-band Filter +SPAD (组成接收端)、高速高功率激光驱动电路。

激光是爱因斯坦在研究粒子的受激辐射时演变而来的技术，是使光波在含有增益介质的光学腔（谐振腔）里产生稳定的驻波震荡，以此实现光能量放大。第1台激光器由美国科学家在1960年利用红宝石制成，激光的中文名是由钱学森先生翻译的。我们可以按光束出射的方式，将激光分为2种类型，即EEL（Edge-Emitting Laser 边发射激光）和VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser 垂直腔面发射激光）。

Collimator & Imaging Lens是成像光学镜头，属于比较传统的几何光学领域，只不过前者用于投影，后者用于摄影。Collimator准直镜头，在苹果的结构光和dToF Lidar上都有应用。准直镜头由多个光学镜片组合而成，用来将激光光源投射到场景中。Imaging Lens接收镜头，是所有2D、3D视觉中必不可少的器件，包括单反相机、手机相机、安防监控、工业检测、机器视觉等。在dToF Lidar的系统应用中，与Collimator一样，一般也是由多个光学镜片组成，其作用是成像接收TX端所投射出来的放大散斑，并在焦面上重新缩小至数平方毫米，以便微小尺寸的光电传感器接收。

DOE（Diffraction Optical Element 衍射光学元件）属于物理光学范畴，光具有波粒二象性，在几何成像光学领域用的是光线光学的理论，即偏粒子性，而在光的衍射干涉等领域则采用波动光学理论，即偏波动性。DOE在苹果的3D结构光和3D Lidar中都有使用，本质上是把一束光分裂成若干份，把上述Collimator放大的散斑图案进行复制，相当于对散斑的投射范围进行了二次放大，苹果的3D结构光视野范围~90°，因此即使被摄人脸的位置偏离较大时也能同样解锁。苹果的3D Lidar视野范围也达到了~70°。角度越大，系统设计和DOE设计难度都急剧增大，不过目前已经有超过100°的超广角3D 结构光产品，例如安思疆的Nuwa系列产品已经可以达到110°。

Narrow-band Filter窄带滤光片属于薄膜光学领域，是比较传统的领域。3D Lidar中使用的是940nm近红外VCSEL激光器，窄带滤光片的作用是滤除掉940nm之外的环境光，最大程度减少干扰，大大提高信噪比。

SPAD（Single Photon Avalanche Diode 单光子雪崩二极管）是将光能转化为电能，并且通过模拟-数字转换，将探测到的光信号最终转换成数字形式向外输出。SPAD是集成了光电探测模块、模拟电路模块、数字电路模块的高度集成化芯片，而且苹果还把它做成了大面阵的阵列，这也是阵列SPAD第一次在消费电子领域应用。

采用定制化工艺制造的固态SPAD尽管已经发明了几十年，但是之前一直存在两个问题: 一是器件体积大，价格昂贵; 二是器件与集成电路难以兼容。近几年来，基于CMOS工艺的SPAD阵列的成功设计和制造很好地解决了这两方面的问题，从远红外到深紫外频段SPAD都能实现单光子级别的探测灵敏度，与光电倍增管、APD等相比较，其具有更高的量子效率、更小的尺寸、更低的击穿电压，具备识别单光子、可数字化成像、抗环境光干扰等特点，其最大的优势在于能够实现远距离测距，且具备较高精准度，因此在激光雷达、核医学设备、生物诊断、高能物理、射线探测、分析仪器等多个领域已有广泛应用。

苹果采用的是BSI工艺，将SPAD层与逻辑电路层通过一种先进的低温铜-铜键合工艺连接起来，这样可以把逻辑电路完全掩藏在底部，从而使SPAD的受光面积达到接近100%，最大限度的提升感光效率。

高速高功率激光驱动芯片dToF的测量原理中要用到超短脉冲激光，因此也对激光的驱动电路提出了要求：脉冲宽度~1ns，瞬时电流在某些应用中最高要达到~20A。要同时满足脉冲宽度和大电流就非常困难，由于大部分驱动芯片还是硅基形式，无法承载这么大的高速电流，因此不仅在消费电子领域几乎没有过类似的需求，即使在车载领域也很难找到一颗集成的驱动芯片来同时满足这两个要求。目前主要的解决方式是：短脉冲驱动芯片+GaN开关，未来将这二者集成在一起是趋势。无论如何，为了产生超短+高功率的激光脉冲，并且保持脉冲不变形，对激光器以及其驱动电路都提出了极高的要求。

一颗小小的激光雷达，其中却蕴含了如此多的黑科技，即便复制都很难，其背后的研发投入必定是巨大的，不过这也是其产品定价的底气所在。难，才是价值所在，行胜于言，安思疆立志与产业界一道攻坚克难。

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