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ついにLiDAR内部に到達

 目的のLiDARモジュールは、背面カメラ部の2つのカメラと一体になって金属ケースに収められていた。この金属ケースを外すと、樹脂製のケースに覆われたLiDARモジュールが現われた。

 LiDARモジュールの外側には、レンズと思われる円形の光学部品が観察される(図6(a))。オレンジ色に見える右側がレーザーの発光部、白く見える左側が反射光を受け取る受光部である。

図6 LiDARモジュールは発光素子(VCSEL)とイメージセンサーで構成
図6 LiDARモジュールは発光素子(VCSEL)とイメージセンサーで構成
LiDARモジュールは樹脂製のケースに覆われていた。ケースを切断すると、レンズ部の下から基板上のVCSELとCMOSイメージセンサーが現れた。(図と写真: (a、b、c)はスタジオキャスパー、(d)はSystem Plus Consulting の図に日経クロステックが加筆)
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 モジュール全体は樹脂製のカバーに覆われ、開ける場所がなかったため、ダイヤモンドカッターで外部を切断して、上部と下部を切り離した(図6(b))。

 レンズ部の下からは、発光素子の「VCSEL(垂直共振器面発光レーザー)」のレーザーアレーと、受光素子のCMOSイメージセンサーが現われた。VCSELの光源の4つがひとかたまりになって電極につながり、それが16列並んでいた。つまり、合計64点あった(図6(c))。フランスの技術系コンサルティング会社であるSystem Plus Consulting(システムプラスコンサルティング)の分析によると、このVCSELは米Lumentum(ルメンタム)製という。

光の往復時間を直接計測

 以上の構造からiPad Proの測距は、以下の仕組みで実現されているとみられる。まず、測距したい対象物に向けて、VCSELから赤外線レーザーを送出する。光は対象物に当たって反射し、反射光をCMOSイメージセンサーで感知する。光の往復に要した時間ToFを計測し、これに光速をかけ、2で割ることで、対象物までの距離を算出する。

 ToFの計測手法には2種類ある。第1が、パルス信号を送出した時刻と返ってきた時刻を計測し、その差分からToFを求めるdToF方式。第2が、周期信号の位相差から間接的に求める「インダイレクト(iToF)方式」である(図7)。

図7 ToFによる測距にはdToF方式とiToF方式が存在
図7 ToFによる測距にはdToF方式とiToF方式が存在
dToF方式の場合、パルス信号が往復に要する時間を直接測定し、距離を推定する(a)。iToF方式では、周期信号の位相差から距離を推定する(b)。(図:ソニーの資料を基に日経クロステックが作成)
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 dToF方式は、画素サイズの小型化が難しく、VGAのような高解像度の撮影がしにくい。しかし、外光に強く屋外での長距離測定に向いている。iToF方式は、位相差が1周期を超えるとToFの計算ができなくなるので、長距離を測りづらい。ただし、解像度が高いことや、デジタル回路を小型化できるなどの長所もある。

 Appleが自ら明言しているように、2020年版のiPad ProのLiDARスキャナーはdToF方式である。屋外での利用に強いという点を評価したとみられる。

 System Plus Consultingの分析によると、LiDARのCMOSイメージセンサーはソニー製で、dToF方式固有の「SPAD(Single Photon Avalanche Diode)」という画素構成を採用しているという(図8(a))。SPADは、センサー面に光子が1個到来すると、シリコンフォトダイオードが雪崩のように電子を発生させ、CMOSトランジスタが電気パルス信号を作る。dToF方式において、光の到来時刻を測る常とう手段となっている。

(a)受光素子の断面図
(a)受光素子の断面図
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(b)照射パターン
(b)照射パターン
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図8 iPad ProのLiDARはdToF方式
受光素子のCMOSイメージセンサーには、単一光子を増幅するSPAD(Single Photon Avalanche Diode)を使う(a)。 また、LiDARのスポットパターンはドット状である(b)。(写真:(a)はSystem Plus Consultingの写真に日経クロステックが加筆、 (b)は日経クロステック )

 同社によると、今回のイメージセンサーのピクセルの直径は10µm、画素数は約3万画素だという。