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饶小平，曾在赛迪任产业分析师，目前在知识产权公司任专属顾问。 近日，正如传闻一样，苹果公司发布了2020 iPad Pro，设备采用A12Z芯片，并包括Ultra Wide摄像头和液态视网膜显示屏，但亮点功能是LiDAR dTOF扫描仪将用作深度传感器，而它具有促进全新层次AR体验的潜力。本文将为读者详细分析苹果dToF技术创新细节及创新启示。 1. dToF原理 1.1 什么是ToF 在分析dToF技术细节之前，我们首先需要厘清ToF的概念。 ToF（time-of-flight，飞行时间）是测量发射光和反射光之间的飞行时间并根据光速来直接估计距离。 1.2 dToF和iToF比较 LiDAR发射的光波存在两种调制方式：直接飞行时间（Direct-ToF）测量和间接飞行时间（Indirect-ToF）测量，直接测距，是通过发射、接收光并测量光子飞行时间，直接计算确定距离，而非直接测距iToF，是通过测量发射波形和接收波形间的相位差来换算，从而确定距离，直接测距拥有响应快、功耗低等优势，但同时成本也会更高。 1.3 dToF原理 dToF（Direct time-of-flight，飞行时间）是直接根据脉冲发射和接收的时间差来测算距离，其计算公式是距离等于速度乘以时间。我们用激光测量月球地球之间的距离也是基于这一原理计算。 苹果在一份声明中指出：“LiDAR扫描仪可测量周围的距离深度，可支持室内和室外，并在纳秒级的光子水平下运行。” 2. 苹果dToF技术创新 截止目前，苹果dToF创新技术共公开了9件发明专利，按照激光发射系统、传输系统、传感系统分为三类，如下表所示： 苹果dToF相关专利 （注：专利数据截止2020年3月底，随着时间推移，苹果公司会有更多dToF相关专利公开） 苹果dToF技术激光发射系统、传输系统、传感系统可在图纸上标示如下。 苹果dToF专利技术实际应用 这9件发明专利构成了苹果dToF技术较为完整的系统，其中专利8“用于光发射深度传感器的提前-滞后脉冲计数”是核心专利中的核心专利，详解如下。 2.1 dToF核心技术1---TCSPC（时间相关单光子计数法） 时间相关单光子计数法(TCSPC，Time correlated single photon counting)基本原理就是对接收到的单光子在多个周期内进行统计计数，有的周期内可能探测不到光子，有的周期内能够探测到一个光子，将光子的探测时间拉长到多个周期统计，可以提高准确性。 这样在进行大量的重复测量后，对各时间段内的光子数目进行统计就能得到光子随时间变化的频率分布直方图，对直方图拟合即可获得光信号的强度变化，从而测算光子波动峰值，通过峰值偏离发射时间计算光飞行时间，再乘以光速除以2得到单程距离。 需要注意的是，由于是在移动终端领域的原始创新，故苹果光速核心专利8“用于光发射深度传感器的提前-滞后脉冲计数”保护范围较大，国内企业如果要应用dToF技术，需要规避该专利的法律保护范围。 2.2 dToF核心技术2---SPAD（单光子雪崩二极管） dToF既然要对单光子进行统计，则必须有非常敏感的单光子检测传感器。而这属于SPAD的核心技术，该核心技术创新在苹果供应商日本索尼公司手里，这里简单介绍一下技术原理，以后再详细介绍索尼SPAD技术时再详细分享。 dToF单光子检测传感器使用雪崩光电二极管。雪崩光电二极管有线性模式、盖革模式等几种工作状态，其中盖革模式的雪崩光电二极管由于其增益极高，常被用作单光子探测，也被称为单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)，SPAD是实现DToF最核心的技术。 3. dToF的热点应用创新 苹果公司开发dToF技术的重要应用是增强现实（AR）。 AR是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，将计算机生成的虚拟信息仿真应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”，可广泛应用于多媒体、游戏、测量等。 3.1 娱乐应用 dToF技术最有可能爆发的应用领域是AR娱乐，苹果公司给出的经典应用是在室内室外玩AR游戏，通过三维建模，在室内创造游戏场景，让玩家身临其境的玩游戏。 3.2 生活应用 宜家开发的IKEA Place，让家居产品的外观、感觉，以及摆放在家中的效果都可以呈现在你眼前。用户足不出户，轻松搞定装修和买到合适的家具。 直达登机口 American Airlines 开发了一款很好的增强现实 app 原型，它能把各种实时资讯叠加显示在你当前所处的机场航站楼环境中，让旅客能轻松找到咖啡店、最近的洗手间，以及要去的登机口。 3.3 工作应用 维修检测 GE 正开始将增强现实技术应用于各种工作方式中。例如，让维修员工能直观地查看工业设备，从而提高维修效率。 3.4 学习应用 遨游体内世界 以各种复杂的细节形象地呈现人体，让你细致了解身体的各个部分。近距离观察肺部，看看关节如何连接在一起，或者数一数人体的手部有多少块小骨头。
在虚拟世界塑造大自然 控制河水的流动，探索这些水道如何影响动植物和人类的生活。看看截流建坝会造成什么影响，并尝试用不同的方法来保持河流及其生态的健康发展。
不用伤害，就能剖析两栖动物。 剖析探索青蛙身体错综复杂的系统。揭开层层结构，深入研究每个器官，并了解两栖动物从卵、蝌蚪到成蛙的各个生命阶段。
4. 苹果dToF创新对国内企业的创新启示 ①围绕主业，不断挖掘技术深度 苹果公司自乔布斯1997年重新执掌公司开始，便砍去不相关的产品研发，集中围绕苹果电脑、苹果手机、iPod这些主要产品进行研发和业务拓展，陆续推出新奇的创新产品如iPod、iPhone、iPad等，并且推出应用商店，打造硬件产品与软件应用深度链接的生态体系，牢牢掌握产业链的主动权，同时也收获了大量用户认可。 ②跨界创新，实行技术“拿来主义” 苹果公司很多创新，都不是公司自己的原创，而是其他行业应用出现之后，再应用到自己公司的产品。比如iPhone触摸屏，本身是其他公司的首创，但是苹果公司了解触摸屏技术之后，在手机上深度创新，创造前所未有的触摸控制应用体验，从而在初期带动iPhone销量指数级增长，并且引领了移动互联网浪潮。这次dToF首先是用于车载测距领域，苹果公司则将dToF应用于移动终端，并成功推出产品，是一个跨界创新成功的典范。 ③把握时机，快速切入进行创新 创新不能落后，但也不能过于超前。技术超前太多则不能引起太多共鸣，产业链配套跟不上，会使公司面临只有技术、没有应用的技术“光棍”。激光雷达技术如果过早应用于移动终端，则由于通信速度慢、硬件配套不能支撑、下游应用缺乏而陷入只有技术不能产生收入尴尬境地。激光雷达一开始应用于自动驾驶领域，2015年前后为大众熟知，苹果公司了解之后，则在2016年马上投入财力进行研发、深度开发，快速切入移动终端dToF技术领域，引领新一代技术AR浪潮。 参考资料： 1. 苹果新推的dTOF究竟是什么？2. 浅谈DToF技术原理 |
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