VCSEL 將 LiDAR 整合至 Apple iPhone：您能實現哪些功能？

關於光達 (LiDAR) 技術的經濟和技術可行性方面始終都眾說紛紜，其中不乏負面的看法。但 LiDAR 似乎還是笑納勝利。General Motors 最近宣布，明年將在其九款配備先進駕駛輔助系統 (ADAS) 的車輛中安裝 LiDAR，而 Apple 已經使用垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL)，將 LiDAR 技術整合至 iPhone 12 Pro、iPhone 12 Pro Max 和 iPad Pro。在行動裝置中加入 LiDAR 預計將是一項顛覆性的重大進展。如果您尚未研究 LiDAR 的用途，現在是時候來了解一下了。

iPhone LiDAR 可對距離達 5 m 的物件進行深度感測，並可與相機和動作感測器協同運作，打造並操控擴增實境 (AR) 環境 (圖 1)。全新的八核心 A12Z Bionic 圖形處理器 (GPU) 和電腦視覺演算法都是專為 3D 模型而設計，而現有的 ARKit AR 應用程式則新增了 Scene Geometry API，可整合 LiDAR 資料與相機和動作感測器的資料。這類 LiDAR 資料也可整合至 Measure 應用程式中，提供更快且更精細的物件測量功能。

圖 1：此款 Apple iPhone 上的 LiDAR 感測器是在黑色區域右下角的小圓圈中，左邊是兩部相機。(圖片來源：Apple)

使用者可透過 Apple Clips 3.1 應用程式中的「AR 空間」功能，錄製影片、整合 LiDAR 資訊，並利用動態光線、物件落下和其他特效打造出身歷其境的 AR 場景 (圖 2)。

圖 2：Apple Clips 3.1 應用程式中的「AR 空間」功能可用於創建擴增實境影片剪輯片段。(圖片來源：Apple)

我們首先將簡要比較 VCSEL 技術與邊緣發射雷射 (EEL) LiDAR 技術，並概述 LiDAR 的飛時測距 (ToF) 與點雲概念，接著便探討 ams/OSRAM 的 TMF8801 LiDAR 模組，以及 DFRobot 的 SEN0245 VL53L0X Gravity LiDAR 測距感測器 (適用於 Arduino UNO 控制板 x1)。

VCSEL 與 EEL

Apple 使用的 VCSEL 與汽車和工業 LiDAR 系統中常用的 EEL 不同。這些 VCSEL 已針對低功耗、短距離應用進行最佳化，同時具有以下優點：

• VCSEL 陣列由 50 到最多 10,000 個獨立發射器所組成，因此與具有一至四個發射器的 EEL 相比，可大幅降低單個發射器故障造成的影響，從而提高可靠性。
• VCSEL 在溫度範圍內具有更窄的波長頻寬，因此可在接收器處進行更有效的濾波，帶來更佳的訊噪比 (SNR)。
• VCSEL 可發射垂直圓柱形光束，更容易進行系統整合。

ToF 和點雲

LiDAR 的技術核心仰賴著 ToF 測量。一連串雷射脈衝會射向物體，並由板載光感測器測量返回時間 (圖 3)。ToF 可測量雷射脈衝往返飛行的時間，因此與物體的距離，是 ToF 乘上光速後再除以二 (在空氣中約為 30 cm/ns)，且為正比關係。iPhone 使用的 VCSEL 系統可測量長達數公尺的距離，且準確度很高。

圖 3：測量雷射脈衝從目標物反射並返回 LiDAR 感測器所需的時間，從而得出 ToF 測量值。(圖片來源：DFRobot)

點雲由數千個或數百萬個 ToF 測量值所組成。LiDAR 系統可使用點雲和相關的影像處理軟體，以每秒 30 個框數 (fps) 或以上的速度，在周圍建立起三維 (3D) 影像。

用於行動電話邊框的 VCSEL

可攜式和手持式裝置的設計人員，可以使用 ams/OSRAM 的 TMF8801 LiDAR ToF 感測器。其偵測範圍為 2500 mm，封裝尺寸為 2.2 x 3.6 x 1.0 mm，適合裝入行動電話邊框 (圖 4)。

圖 4：TMF8801 ToF 感測器的偵測範圍為 2500 mm，可裝入行動電話邊框。(圖片來源：ams/OSRAM)

TMF8801 整合了 VCSEL 技術與單光子突崩式二極體 (SPAD) 感測器，能夠以幾十個 ps 的解析度偵測單光子訊號。該整合式 VCSEL 驅動器可產生波長為 940 nm、持續時間低於 500 ps 的雷射脈衝，確保讓 TMF8801 滿足 IEC 60825-1 Class 1 眼睛安全保護要求。其陽光拒斥濾波器可將背景雜訊降至最低，整合式 Cortex M0 微控制器 (MCU) 可儲存影像處理演算法。而 1.8 V 的 I²C 快速模式介面則可將 TMF8801 連接到系統。

適用於 Arduino 板的 VCSEL 模組

DFRobot 的 SEN0245 VL53L0X Gravity 測距感測器是另一種探索 VCSEL 型 LiDAR 用途的好方法 (圖 5)。它可與 Arduino UNO 控制板 x1 搭配使用，且可測量長達 2 m 的距離。其 940 nm 波長的 VCSEL 發射器和內建的 SPAD 陣列可提供 ±3% 的測量準確度，且反應時間低於 30 ms，功耗達到 20 mW。VL53L0X 配有 DFRobot 的重力 I2C 介面，此介面專為搭配各種 MCU 而設計，並具備良好的靈活性，可支援 LiDAR 一系列應用。

圖 5：SEN0245 VL53L0X ToF 雷射測距感測器專為搭配 Arduino UNO 控制板 x1 而設計，可測量長達 2 m 的距離。(圖片來源：DFRobot)

結論

LiDAR 技術是否可行已不再是個問題，因為它儼然已成為了主流。LiDAR 目前正陸續整合至汽車 ADAS 系統及最新款的 Apple iPhone 機型。特別是在低功耗 VCSEL 發射器技術與 SPAD 感測器陣列相結合後，LiDAR 已能夠應用於可攜式消費性裝置。

您可以使用現成的整合式模組，開始打造屬於自己的 VCSEL 型 LiDAR 設計，並使用所有所需的光學零件、MCU 介面和基本圖像處理軟體來加快設計的腳步。