苹果专利显示为AR/VR、3D感知研发下一代LiDAR系统

2025-02-05上海AR开发专家

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  谷歌和LG日前曾分别获批了深度摄像头和16透镜摄像头的专利。谷歌的深度摄像头类似于
  苹果
  的原深感摄像头，可用于手势识别来控制未来Pixel智能手机、平板电脑、Chromebooks等设备上的功能。与苹果用于Face ID等功能的组件一样，谷歌同样选择了垂直腔面发射激光器(VCSEL)。
  LG专利则与16透镜摄像头有关。在单次拍摄中，每个透镜可以覆盖稍微不同的角度，从而提供更优的摄像头体验。它同时旨在帮助用户拍摄最佳的全身照，并与另一个大头照混合以创建类似于Photoshop的功能。
  显然，智能手机的摄像头竞赛正在升级，预计OEM厂商将纷纷优化各自的摄像头系统，从而为用户提供更多的有趣选择。现在，各个品牌商正在构思一个个大胆的创新。
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  今天，美国专利及商标局公布了一份与深度摄像头相关的苹果专利。专利文件显示，苹果正在优化深度摄像头，主要是与光电感应组件有关，特别是激光探测与测量传感器（LiDAR）。
  在今年年初，一家名为TriLumina的公司开发出更低成本的，包含VCSEL的LiD
  AR系统
  ，可用于
  混合现实
  头显，3D传感应用，手势识别系统，游戏，机器人和汽车，如下图所示。
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  跟TriLumina一样，LiDAR和VCSEL技术的结合正是今天这两份苹果专利的主题。
  苹果指出，现有和新兴的消费者应用程序对实时三维成像器产生了越来越大的需求。对于这种通常称为LiDAR传感器的成像技术，其主要是利用光束照亮目标场景并分析反射的光学信号，从而远程测量目标场景上每个点的距离（通常是强度）。一种确定目标场景上每个点距离的常用技术主要涉及：向目标场景发送光束，然后测量所用的往返时间，即飞行时间（ToF）。
  对于基于ToF的LiDar而言，一种合适的检测器是单光子雪崩二极管阵列（SPAD）。同时又称为盖革模式雪崩光电二极管（GAPD）的SPAD可以以非常高的时间到达分辨率来捕捉单个光子，时间量级是几十皮秒（一皮秒等于一万亿分之一秒）。它们可以通过专用半导体工艺或标准CMOS技术制造。
  在单个芯片上制造的SPAD传感器阵列已经在3D成像摄像头中进行实验性应用。
  苹果的发明专注于改进LiDAR传感器及其使用方法。
  专利文件指出，在一些实施例中，一个激光光束或多个光束照亮和扫描目标场景。在利用多个光束的一些实施例中，光束是通过使用衍射光学元件，棱镜，分束器，或本领域已知的其他光学元件产生。
  在一些实施例中，可使用多个离散激光光源来产生多个光束。其中，可以使用单片激光器阵列产生多个光束，如VCSEL或VECSEL阵列。
  下图是对应一个实施例的LiDAR系统#18。对于来自激光光源20（包括一个或多个脉冲激光器）的一束或多束光线，其将有双轴光束控制装置#24引导到目标场景#22，并在目标场景上形成和扫描照明点#26。（注：“光线”在本文中指任何种类的光学辐射，包括可见光，红外线和紫外线范围内的辐射）。光束控制装置可包括扫描镜，或任何其它合适的类型，或本领域已知的光学偏转器或扫描仪。照明点26由聚光光学系统27成像至二维探测器阵列#28，后者包括单光子时间敏感型的传感元件，如SPAD。
  上图是LiDAR系统#18的示意图。对于来自激光光源20（包括一个或多个脉冲激光器）的一束或多束光线，其将有双轴光束控制装置#24引导到目标场景#22，并在目标场景上形成和扫描照明点#26。（注：“光线”在本文中指任何种类的光学辐射，包括可见光，红外线和紫外线范围内的辐射）。光束控制装置可包括扫描镜，或任何其它合适的类型，或本领域已知的光学偏转器或扫描仪。照明点26由聚光光学系统27成像至二维探测器阵列#28，后者包括单光子时间敏感型的传感元件，如SPAD。
  图3中的芯片#52和#54可以采用众CMOS制造工艺进行，基于本领域已知的SPAD传感器设计，以及相应的的偏压控制与处理电路来在硅晶片上制造。
  大多数人认为LiDAR系统仅与自动驾驶汽车和/或地理映射有关。因此，TriLumina的信息介绍有助于说明LiDAR和VSCEL的组合将如何用于下一代的用例，包括面向消费者的设备，如混合现实头显，飞行时间摄像头和虚拟现实应用。
  在本月初，映维网曾报道说有传闻称苹果有意收购Leap Motion，表明了这家科技巨头对手势识别与手势控制十分感兴趣。下一代的头显设备需要深度摄像头，从而支持混合现实头显在环境中进行手势识别。TriLumina表示将为这样的产品采用结合LiDAR和VCEL技术的芯片。
  相关专利：Multi-range time of flight sensing
  专利号为20180341009发明名称是“Multi-range time of flight sensing（多范围飞行时间感应）”。苹果最初是于2017年Q2季度提交申请。考虑到这只是一份专利，目前无法确定相关技术将于何时进行商业化。