アラカルト 今あるテクノロジー

TrueDepthカメラの仕組みとテクノロジー

トゥルーデプスカメラを構成する複数のセンサ類

iPhone Xに搭載された「トゥルーデプス（TrueDepth）カメラ」は、複数のセンサモジュール群と「アップルA11バイオニック（Bionic）チップ」による高度な処理の組み合わせによって実現される3Dセンシング技術だ。具体的には、ユーザの顔までの距離を正確に計測する近接センサと、ユーザの顔形状を計測するためのドットパターンを照射するドットプロジェクタ、顔認識に必要なイメージを取得する2種類のカメラ、カメラから送られた画像を処理するイメージプロセッサと、そこから個人を判定したり表情を読み取る認識エンジン（ニューラルエンジン）で構成されており、これらの緻密な連携処理によって高速かつ高精度な顔認識機能、すなわち「フェイスID（Face ID）」をユーザに提供している。

顔認識の最初のステップでは、まず近接センサがユーザの顔の接近を検出するところから始まる。その検出に用いられるのが、赤外線レーザを光源に用いるToF方式の測距センサモジュールで、赤外線レーザを対象に向けて照射し、その光が対象から反射して戻ってくるまでの時間を計測することにより、対象までの距離やその動きを正確に計測することができる。

このようなレーザ測距システムは、従来スマートフォンに入れるには難しいサイズや消費電力だったが、垂直共振面発光型半導体レーザ（以下、VCSEL）の採用によって測距センサモジュールの大幅な小型化と低消費電力化が可能になり、携帯機器への導入が実現できるようになった。iPhone Xに採用されている測距センサモジュールは、その中でも極めて小型のモジュールを搭載しており、わずか数ミリメートル角の小さなチップ内にレーザ光源とその光学系、さらに受光センサアレイと距離を計測する演算ユニットまでをワンパッケージ化したモジュールを搭載している。

ユーザの顔の位置や距離が特定されると、次のステップでは顔形状を計測するために赤外線の点パターンがドットプロジェクタから放射される。ドットプロジェクタは測距センサモジュールと同じくVCSELをその光源として使用し、そのレーザ光を微細回析光学素子（以下、DOE）を用いて数万個のドットビームへと変換して対象に放射する。

DOEは、従来のレンズやミラーなどの光学系に比べて大幅な小型軽量化を実現しながらも、高い精度で狙った場所にビームを配光させることができる新しい光学素子だ。この技術を使うことで、iPhone Xは非常に小さく軽量で低消費電力のドットプロジェクタを、わずかなスペースの中に搭載することを実現している。

iPhone Xに近づいたユーザの顔を捉えるのは、離れて配置された2つのカメラモジュールだ。中央部にはRGBカメラ（可視光線を撮影する普通のカメラ）、少し離れた位置には近赤外線用のカメラがそれぞれ配置されている。近赤外線カメラは、ドットプロジェクタから放射された数万個のドットビームの中から、ユーザの顔に投射されて反射してきた赤外線ドットを捉えてイメージプロセッサへとその画像を送る。一方で通常のRGBカメラは私たちが見たままのユーザの姿を捉えて、こちらもイメージプロセッサへとその画像を送り出す。

ユーザの顔の3D形状を計算するのは、アップルA11バイオニックチップの役割だ。顔の3D形状の計算には、あらかじめ登録されているドットプロジェクタが放射したドットパターンのリファレンス（基準）と、赤外線カメラが捉えたユーザの顔に投射されたドットパターン像が用いられ、両者の各ドット位置のズレから各ポイントの深度（対象までの距離）を三角法により算出していると推測される。