【专利解密】苹果LiDAR测距系统
【嘉德点评】苹果公司发明的LiDAR系统 ， 通过将激光脉冲传输组合在LiDAR中并包括双传输和接收系统 ， 就可以实现近程和远程光学系统的测距功能 ， 并且可以动态的修改不同脉冲序列串中的激光脉冲发射 ， 通过调节激光脉冲的时间设置 ， 就可以实现不同的扫描模式 。
集微网消息 ， 近日苹果发布的新款ipadPro中配备了全新的摄像头模组 ， 该摄像头模组中还包括了一枚激光雷达（LiDAR光探测和测距） 。
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苹果引入此项技术 ， 并不是为了拍照 ， 而是为了AR ， 苹果表示 ， 支持ARKit的应用程序都将自动获得LiDAR所能提供的特性 ， 并且能极大地缩短AR建模的速度 ， 提高测量精度 ， 降低抖动、错位的情况 ， 比如AR尺子能更准、室内设计时的建模能更快 。
根据苹果官方的介绍 ， iPadOS采用全新深度架构 ， 可以和激光雷达探测到的深度点、两个摄像头和运动传感器捕捉的数据相结合 ， 并通过A12Z仿生芯片的计算机视觉算法来进一步优化 ， 以更详细地理解场景 。
苹果采用的激光雷达LiDAR ， 全名是LightDetectionandRanging ， 简单来说 ， 发射脉冲激光投射到物体上 ， 再返回传感器中 ， 从而测量目标的距离、形状、体积等 ， 这个过程是纳秒级别的 ， 同时激光雷达可以提供高分辨率的环境数据 ， 例如深度图 ， 可以用来指示不同物体与LiDAR的接近度 。
【【专利解密】苹果LiDAR测距系统】早在17年6月29日 ， 苹果就申请了一项名为“用于遥感接收器的光学系统”的发明专利（申请号：201780033611.8） ， 申请人为苹果公司 ， 这项专利就详细介绍了一种LiDAR系统 。
根据目前公开的专利资料 ， 让我们一起来看看这项LiDAR系统专利吧 。
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LiDAR包含输出脉冲和输出脉冲两种 ， 如上图为LiDAR系统1000出脉冲1042的示意图 ， 在激光雷达（LiDAR）中包含有激光脉冲传输 ， 在共光路中可以完成出脉冲和进脉冲两种脉冲的组合传输 ， LiDAR中包含有两个激光发射器1012和1014 ， 每个激光发射器可以发射单独的激光脉冲 ， 并且激光脉冲的波长、宽度、幅度都可以不一样 ， 通过控制两个发射器发射的时间 ， 也可以控制其在不同的时间发射各自的脉冲波 。
出脉冲1042从发射器1012中发射出来 ， 出脉冲1044从发射器1014中发射出来 ， 这两种脉冲都经由相同的光路即共光路发送 ， 共光路中包含了很多中不同的光学装置（例如各种透镜）的组合从而可以将来自发射器1012和1014的脉冲进行组合 ， 这里就用到了我们在中学时学到的光学知识 ， 例如发射器1012发送的激光脉冲可具有垂直偏振态 ， 发射器1014发送的激光脉冲可具有水平偏振态 ， 对于这两种脉冲进行正交偏振组合 ， 就可以确保两种不同的激光脉冲的偏振态在发射和反射上都是可辨识的 。 下面再来看看进脉冲的示意图 。
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如上图所示为LiDAR系统1000进脉冲1052的逻辑示意图 ， 经由共光路接收的不同脉冲的反射可被分离并且被引导至恰当的接收器 ， 以计算特定于从特定发射器发射的脉冲的距离测度 ， 例如从发射器1012发射的脉冲1042可与接收器1022处的回脉冲反射1052的检测相匹配 ， 出脉冲1044可与接收器1024处的回脉冲反射1054的检测相匹配 。
由于从两个发射器发射的激光脉冲序列可组合并经由共光路发射 ， 可以利用LiDAR进行距离的探测 ， 再加上由于脉冲之间的传输变量可以是可配置的 ， LiDAR提供的密度或者位置距离测度也可以做出相应的调整 。
通过这样的方式就可以实现不同的光学装置以组合及分离从不同的激光发射器发送的激光脉冲 ， 使得对应的反射被引导至恰当的接收器 。
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如上两图展示的是用于激光脉冲和脉冲反射的光路示意图 ， 图（左）用于两个不同的激光发射器的出脉冲路径 ， 光学器件1400可实现发射器1410 ， 该发射器可将线性偏振态的激光脉冲发送到分束器1434 ， 分束器转而可将脉冲引导到偏振分束器1430 。
偏振分束器可引导脉冲穿过四分之一波片 ， 波片可将偏振态从线性偏振态转化为圆偏振态 ， 然后转化的脉冲可从扫描镜1460反射出去到环境中 。
图（右）中包含了脉冲反射路径1480和脉冲反射路径1482 ， 由发射器1410发射的脉冲的脉冲反射可被接收并且从扫描镜1460反射 ， 引导脉冲穿过四分之一波片1440 。 当脉冲以圆偏振态发射到环境中时 ， 反射也可处于与所发射的圆偏振态相反的圆偏振态 。
当四分之一波片转化反射的偏振时 ， 所得的线性偏振与最初从发射器发射激光脉冲的线性偏振态正交 。 因此脉冲穿过部分分束器、分束器和光学系统以抵达接收器的传感器中并被其检测到 。
最后我们再来看看LiDAR系统的操作方法 ， 如下图所示 ， LiDAR系统包括光发射器和远程及近程接收器 。
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首先 ， 发射器将光发射至共光路 ， 共光路将光引导至物场 ， 例如每个发射器可将线性偏振态的激光脉冲发送到相应的分束器 ， 该分束器转而可将脉冲引导到偏振分束器 。
其次 ， 来自物场的反射光可由共光路引导至远程接收器和近程接收器 ， 共光路可将由发射器中的一者发出的光引导至远程接收器 ， 并且由其他发射器发出的光引导至近程接收器 ， 远程及近程接收器的光学系统将光折射至相应的光电探测器或传感器 ， 例如一维单光子雪崩检测器 。
最后 ， 分析在光电探测器处捕获的光就可以确定环境中的物体的范围信息 ， 例如可以确定远程物体20米至200米的范围 ， 并且可分析由近程接收器捕获的光 ， 可以做到确定20米以内以及更近的范围 。
以上就是苹果公司发明的LiDAR系统 ， 通过将激光脉冲传输组合在LiDAR中并包括双传输和接收系统 ， 就可以实现近程和远程光学系统的测距功能 ， 并且可以动态的修改不同脉冲序列串中的激光脉冲发射 ， 通过调节激光脉冲的时间设置 ， 就可以实现不同的扫描模式 。
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