借助 VCSEL 将 LiDAR 集成至 Apple iPhone：您该如何应对？

关于光探测和测距 (LiDAR) 技术的经济和技术可行性，一直存在争议。现在看来 LiDAR 已经赢得胜利。通用汽车公司最近宣布，明年将在 9 款配备高级驾驶辅助系统 (ADAS) 的汽车中应用 LiDAR 技术，而 Apple 已经利用垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 技术将 LiDAR 集成到 iPhone 12 Pro、iPhone 12 Pro Max 和 iPad Pro 中。在移动设备中添加 LiDAR 预计将是一次颠覆性进步。如果您尚不清楚 LiDAR 的用途，现在是时候了解一下了。

iPhone LiDAR 能够对距离长达 5 米 (m) 的物体进行深度感测，设计与摄像头和运动传感器协同工作，以创建和操纵增强现实 (AR) 环境（图 1）。全新八核 A12Z 仿生图形处理单元 (GPU) 和计算机视觉算法专为 3D 建模而设计，现有的 ARKit AR 应用程序新增了 Scene Geometry API，用于将 LiDAR 数据与摄像头和运动传感器数据整合。LiDAR 数据还被集成到 Measure 应用程序中，提供更快、更精细地物体测量功能。

图 1：这款 Apple iPhone 上的 LiDAR 传感器是黑色区域右下角的小圆圈，与两个摄像头（左）协同工作。（图片来源：Apple）

借助 Apple Clips 3.1 应用程序中的 AR Spaces 功能，用户可以录制视频、集成 LiDAR 信息，以及创建具有动态光线、坠落物体和其他特效的沉浸式 AR 场景（图 2）。

图 2：Apple Clips 3.1 应用程序中的 AR Spaces 功能可以创建增强现实视频剪辑。（图片来源：Apple）

我们首先将简单对比 VCSEL 和边缘发射激光 (EEL) LiDAR 技术，并概述 LiDAR 的飞行时间 (ToF) 和点云概念，然后介绍 ams/OSRAM 的 TMF8801 LiDAR 模块和 DFRobot 的 SEN0245 VL53L0X Gravity LiDAR 测距仪（用于 Arduino UNO 控制板 x1）。

VCSEL 对比 EEL

VCSEL（例如 Apple 中使用的）与汽车和工业 LiDAR 系统中常用的 EEL 不同。VCSEL 针对低功耗、短距离应用进行了优化，具有以下优势：

• 更高的可靠性，由于 VCSEL 阵列由 50 到 10,000 个单独的发射器组成，因此与含一到四个发射器的 EEL 相比，大幅降低了单个发射器故障的影响。
• 在温度范围内具有更窄的波长带宽，因此可在接收器进行更有效的滤波，从而带来更佳的信噪比 (SNR)。
• 由于 VCSEL 发射垂直圆柱形光束，因此系统集成更简单。

ToF 和点云

LiDAR 基于 ToF 测量。一系列激光脉冲射向一个物体，并由板载光电传感器测量返回时间（图 3）。ToF 测量激光脉冲的往返飞行时间，因此到物体的距离与 ToF 的一半乘以光速成正比，空气中光速约为 30 厘米/纳秒 (cm/ns)。VCSEL 系统（如 iPhone 中使用的系统）可高精度测量长达数米的距离。

图 3：通过测量激光脉冲从目标反射并返回 LiDAR 传感器所需的时间，得出 ToF 测量值。（图片来源：DFRobot）

点云由数千或数百万个 ToF 测量值组成。使用点云和相关图像处理软件，LiDAR 系统能以每秒 30 帧 (fps) 或更快的速度创建周围环境的三维 (3D) 图像。

适合装入手机边框的 VCSEL

便携式和手持设备的设计人员可以使用 ams/OSRAM 的 TMF8801 LiDAR ToF 传感器。该传感器的探测范围为 2500 毫米 (mm)，封装尺寸为 2.2×3.6×1.0 mm，适合装入手机边框（图 4）。

图 4：TMF8801 ToF 传感器的探测范围为 2500 mm，可装入手机边框。（图片来源：ams/OSRAM）

TMF8801 将 VCSEL 技术与单光子雪崩二极管 (SPAD) 传感器相结合，能够以几十皮秒 (ps) 的分辨率检测单光子信号。集成的 VCSEL 驱动器可产生波长为 940 纳米 (nm)、持续时间不到 500 ps 的激光脉冲，使 TMF8801 符合 IEC 60825-1 1 类眼睛安全标准。日光抑制滤波器可最大限度地减少背景噪声，集成的 Cortex M0 微控制器 (MCU) 包括图像处理算法。1.8 伏 I²C 快速模式接口将 TMF8801 连接到系统。

适用于 Arduino 控制板的 VCSEL 模块

要探索基于 VCSEL 的 LiDAR 的用途，另一个好办法是 DFRobot 的 SEN0245 VL53L0X Gravity 测距仪（图 5）。它设计用于搭配 Arduino UNO 控制板 x1 使用，可以测量长达 2 m 的距离。940 nm 波长 VCSEL 发射器和集成 SPAD 阵列提供 ±3% 的测量精度，响应时间低于 30 毫秒 (ms)，功耗为 20 毫瓦 (mW)。VL53L0X 包括 DFRobot 的 Gravity-I2C 接口，该接口设计搭配各种 MCU 使用，并能灵活支持各种 LiDAR 应用。

图 5：SEN0245 VL53L0X ToF 激光测距仪设计搭配 Arduino UNO 控制板 x1 使用，可测量长达 2 m 的距离。（图片来源：DFRobot）

结语

LiDAR 技术是否可行已不再是问题，因为它已经成为主流。LiDAR 正在集成到汽车 ADAS 系统和最新款 Apple iPhone 中。特别是，低功耗 VCSEL 发射器技术与 SPAD 传感器阵列相结合，使 LiDAR 能够在移动消费电子设备中使用。

您可以利用现成的集成模块自行设计基于 VCSEL 的 LiDAR，这些模块具有所有必需的光学器件、MCU 接口和基本图像处理软件，助您加快设计进度。