扫描仪是利用什么技术来扫描（扫描仪是一种常用的什么设备）

​3月18日，苹果在官网更新了iPad Pro、MacBook Air和Mac mini三款产品。iPad Pro毫无疑问是此次更新中的重磅产品，A12Z仿生芯片、摄像头双摄、妙控键盘、激光雷达扫描仪……对于此次的更新，苹果似乎是信心十足，甚至打出了“你的下一台电脑，何必是电脑”的宣传语。当然，其中最让人浮想联翩的还是新加入的激光雷达扫描仪，那么它到底是什么，又能做什么？想必很多朋友都非常好奇，接下来就让我们一起了解一下。

首先，我们看一下苹果官方对新加入的激光雷达扫描仪的描述：“激光雷达 (LiDAR光探测和测距) 这项先进技术，是通过测量光触及物体并反射回来所需的时间，来确定距离。特制的激光雷达扫描仪利用直接飞行时间 (dToF)，测量室内或室外环境中从最远五米处反射回来的光。它可从光子层面进行探测，并能以纳秒速度运行。”LiDAR全称是“Light Detection and Ranging”，在苹果使用之前，它其实早已广泛运用于自动驾驶、地形探测、航空航天等领域。比如，谷歌旗下Waymo的车载激光雷达技术已经更新到了第五代，它用激光雷达监测的画面清晰度几乎接近以前的黑白照片。

▲特制的激光雷达扫描仪利用直接飞行时间 (dToF)，测量室内或室外环境中从最远五米处反射回来的光。它可从光子层面进行探测，并能以纳秒速度运行。

相信大家在日常生活中或多或少都听过雷达（Radar）这个词语，其实我们可以借助雷达来理解激光雷达。从工作原理上来讲，激光雷达和雷达基本类似，它以激光作为信号源，由激光器发射出的脉冲激光，遇到不可穿透的障碍物会发生反射，部分反射回到激光雷达的接收器上，由此可得到从激光雷达到目标点的距离，脉冲激光不断地扫描可以得到目标物上全部目标点的数据，用此数据进行成像处理后可得到精确的三维立体图像。如果大家理解起来还有困难的话，可以回想一下上学时课本上蝙蝠通过超声波来定位的情景，这样就很直观了。

要想进一步了解激光雷达，不得不提的是ToF技术。目前市面上大部分激光雷达是基于ToF技术的，ToF的全称为“Time of flight”，即飞行时间。此前华为Camera总工程师罗巍在微博上对其进行了详细解释：“ToF的原理是通过测量光从发射、到达物体表面再反射回来的总时间，结合已知的‘光速’，计算即可得到被测物的距离。此外，与结构光依靠视差关系和空间三角计算的原理不同，ToF测距依靠的是时间维度的测量，因此在器件结构上ToF模组可以设计得非常紧凑。而在目前的技术路线中有iToF（间接飞行时间）和 dToF（直接飞行时间）两种方案。

iToF方案并不直接测量飞行时间，通常做法是把发射的光波调制成一定频率的周期性信号，然后通过测量发射信号和该信号经过被测物反射回来到达接收端时的相位差，间接计算出光的飞行时间，而dToF方案则直接完成光飞行时间的测量。”两种方案各有优缺点，iToF的优势在于原理简单，容易集成，但是精度较低，并且精度还会随距离增大而降低，功耗也比较大。

dToF在一定程度上弥补了iToF的劣势，不过有得必有失，它对硬件要求比较高，激光雷达芯片创业公司飞芯电子CEO雷述宇曾表示：“dToF需要一个重要器件—单光子雪崩二极管(SPAD)，它需要在一个电压被严格控制的数值区间里才能工作。工艺上面，把握火候很难，但很关键。”据悉，目前仅有索尼和意法半导体有供应能力。由此可见，dToF的技术门槛还是非常高的。

其实在iPad Pro之前，ToF技术就已经出现在一些智能手机上，OPPO、华为、三星等曾经都在旗下某些手机中集成了这项技术。比如华为Mata30 Pro就使用了这项技术，主要是为了实现AI凌空操作。不过，上述厂商使用ToF技术还是和苹果有所区别，在苹果对于这个激光雷达扫描仪的描述中已经明确指出它是采用的dToF技术。

此外，国外的拆解机构TechInsights和iFixit都对iPad Pro的激光雷达扫描仪进行了拆解。TechInsights表示：“iPad Pro的激光雷达扫描仪采用的是索尼的ToF传感器，尺寸为4.18mm×4.30mm，分辨率为3万像素，像素尺寸为10μm。”

当然仅有dToF是完全不够的，它仅仅只是帮助iPad Pro拥有更加精确的测量方式，要想实现立体的三维图像构建，还需要合适的扫描方案。根据目前iPad Pro已经披露的一些信息，Livox推测它采用的应该是Flash dToF的方案。

据了解，Flash是一种结构和光子发射原理，它不靠活动的机械部件来控制激光雷达的发射角度，而是靠电子部件发出的数字信号。因此，它的系统简单稳定，体积便于控制，可以做成芯片被嵌入到其他硬件中去。不过，Flash的扫描范围一般比较小，超出50米就会受到很多干扰。因此苹果在iPad Pro的介绍中明确规定测量室内或室外环境中从最远五米处反射回来的光，以保障用户得到最好的使用体验。

苹果如此大费周章的将激光雷达加入到iPad Pro只为了一个目的—推进AR（增强现实）应用落地。AR技术需要将虚拟内容与现实世界相结合，而iPad Pro的这个激光雷达扫描仪就能很好感知现实世界的空间信息，并且收集处理这些数据。

比如，有一个Complete Anatomy医学类App展示了激光雷达扫描仪的使用场景。根据该公司的说法，目前还没有一种标准化的方法来测量运动范围，而iPad Pro的激光雷达扫描仪解决了这个问题。通过iPad Pro，Complete Anatomy能够从三维角度观察运动，使用运动捕捉来识别一个人正在做的运动，然后将动作与三维肌肉动画相结合，并且提供执行动作所需的主要肌肉的信息，以此来判断肌肉运动状态。据悉，激光雷达扫描仪的功能将在不久的将来出现在完整的解剖学应用程序中，但目前没有提供具体的发布日期。此外，苹果官方还展示了AR家庭装修、AR游戏、AR测量等应用，由此可见AR在各行各业的应用前景是非常广泛的。

根据国际调查机构IDC预计，未来随着AR技术的成熟，AR产品单价的下降，AR市场将会迎来新的爆发，未来全球AR市场将以超过69%的年均复合增速增长，到2024年，全球AR行业市场规模将达到2872亿元。面对如此巨大的市场，苹果对于AR市场的布局计划其实在之前就已经展开。

在2017年的苹果全球开发者大会上，苹果就推出了一个AR开发平台—ARKit，随后2018年苹果又将该平台升级到了ARKit 2.0。开发人员可以使用这套工具创建iPhone和iPad的AR应用程序。如果说前些年仅靠ARKit打造的软件应用让苹果在AR市场的布局显得有些外强中干，那么现在激光雷达扫描仪的出现无疑让苹果的AR应用在硬件上得到了强有力的支持，真正做到了表里如一。

还值得一提的是，近日有网友在Twitter中曝光了2020年iPhone 12 Pro的背部摄像头阵列示意图。同时，数码频道Front Page Tech的主播乔恩·普罗瑟也在曝光信息中提到iPhone 12有两款型号将配备激光雷达扫描仪。由此可见苹果对于AR市场的布局力度在接下来将进一步加强。

苹果的颠覆能力是毋庸置疑的，从iPhone、3D结构光、Airpods等技术和产品，我们一次又一次见证了苹果凭一己之力推动一个行业和技术的快速发展。此次iPad Pro将激光雷达带入到消费级电子产品中，除了推动AR行业大跨步前进，同时激光雷达技术的上下游产业链也会随着苹果入局迎来完善整合。而凭借目前所打造的激光雷达技术壁垒，苹果在AR市场真正爆发时将占据绝对的优势地位。在苹果的带领下，AR时代或许真的离我们的生活越来越近。