【拆解】揭開(kāi)iPhone X 3D攝像頭的神秘面紗

EE Times與Yole進(jìn)行了訪(fǎng)談，Yole本周完成了與合作伙伴System Plus Consulting的合作，拆解了Apple iPhone X中的 TrueDepth模組。他們推斷絕緣體上硅（SOI）晶圓正用于近紅外（NIR）圖像傳感器。他們指出，SOI在提高意法半導體（STMicroelectronics）開(kāi)發(fā)的近紅外圖像傳感器的靈敏度方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，以滿(mǎn)足蘋(píng)果嚴格的要求。

Yole成像和傳感器業(yè)務(wù)負責人Pierre Cambou表示，基于SOI的近紅外圖像傳感器是“SOI非常有趣的一個(gè)里程碑”。

位于法國格勒諾布爾（Grenoble）附近所謂的“圖像谷”（Imaging Valley）的許多公司都使用由Soitec開(kāi)發(fā)的SOI晶圓，最初是用于背照式（BSI）圖像傳感器。同時(shí)，根據Cambou的報導，近紅外圖像傳感器SOI的研究可以追溯到2005年。

但Cambou點(diǎn)出，蘋(píng)果采用意法半導體的近紅外圖像傳感器象征著(zhù)SOI在圖像傳感器大規模生產(chǎn)方面的開(kāi)始。 “由于光線(xiàn)的物理尺寸，圖像傳感器的特點(diǎn)是表面很廣。因此，對于像Soitec這樣的基板供貨商來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)相當不錯的市場(chǎng)。”

與此同時(shí)，Yole董事長(cháng)兼首席執行官Jean-Christophe Eloy告訴EE Times，在設計TrueDepth時(shí)，“蘋(píng)果公司采用了結合意法半導體和ams公司產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的兩全其美的方式。” 蘋(píng)果采用了意法半導體的領(lǐng)先的近紅外圖像傳感器，以及來(lái)自ams的點(diǎn)光源。 Eloy指出，ams“在其復雜的光學(xué)模塊方面非常出色”。今年早些時(shí)候，ams收購了因基于飛行時(shí)間（ToF）技術(shù)的光學(xué)封裝而聞名的Heptagon。

蘋(píng)果iPhone X 3D攝像頭（TrueDepth）成本分析

3D攝像頭工作原理回顧

蘋(píng)果公司在iPhone X的正面集成了3D攝像頭——TrueDepth，以識別用戶(hù)臉部并解鎖手機。正如Yole先前所解釋的，為了實(shí)現這一點(diǎn)，蘋(píng)果公司將ToF測距傳感器與紅外“結構光”攝像頭結合起來(lái)，可以使用統一的“泛光”或“點(diǎn)狀圖”照明。

3D攝像頭的工作原理與拍攝照片的普通CMOS圖像傳感器非常不同。首先，iPhone X將紅外攝像頭與投射照明器組合在一起，在手機前投射均勻的紅外線(xiàn)。然后拍攝圖像，并據此觸發(fā)人臉識別算法。

然而，這個(gè)人臉識別功能并不是一直運行的。連接到ToF測距傳感器的紅外攝像機發(fā)出信號，指示攝像頭在檢測到臉部時(shí)拍攝照片。 iPhone X接著(zhù)激活它的點(diǎn)陣式投影器拍攝圖像。然后將一般圖像和點(diǎn)圖案圖像發(fā)送到應用程序處理單元（APU），該應用程序處理單元通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )訓練識別手機用戶(hù)并開(kāi)啟手機。

Yole的Cambou指出，目前并沒(méi)有進(jìn)行3D圖像的運算。3D信息包含在點(diǎn)狀圖案圖像中。“為了運行3D應用程序，同一個(gè)APU可以使用另一種計算圖像深度圖的算法。”他補充說(shuō)：“結構光方法已知是計算密集型的，iPhone X充分利用了A11芯片的強大處理能力。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是使之成為可能的關(guān)鍵技術(shù)。"

五個(gè)子模塊

Yole和System Plus咨詢(xún)公司的拆解分析在蘋(píng)果的3D攝像頭（TrueDepth）中發(fā)現了一個(gè)“五個(gè)子模塊的復雜組合”。它們分別是：近紅外攝像頭、ToF測距傳感器+紅外泛光照明器、RGB攝像頭、點(diǎn)陣式投影器和彩色/環(huán)境光傳感器。

如下圖所示，紅外攝像頭、RGB攝像投和點(diǎn)陣投影器全部對齊排列。

Apple iPhoneX 3D攝像頭（TrueDepth）拆解分析

近紅外圖像傳感器

在蘋(píng)果iPhone X的3D攝像頭（TrueDepth）核心，有意法半導體的近紅外圖像傳感器。 Yole和System Plus公司在意法半導體的近紅外圖像傳感器內部發(fā)現了“在深溝隔離（DTI）之上絕緣體上硅（SOI）的使用。”

DTI技術(shù)的概念是眾所周知的。一般來(lái)說(shuō)，需要高傳感器分辨率的當今攝像頭所面臨的問(wèn)題在于像素被限制在相同的空間內，在拍攝照片時(shí)造成相鄰傳感器的干擾（noise）、變色或像素化。DTI被用于防止光電二極管之間的泄漏。據報導，蘋(píng)果在每個(gè)之間蝕刻實(shí)際溝槽，然后用絕緣材料填充溝槽，以阻絕電流。

所以，在使用DTI之余，蘋(píng)果為什么要把SOI晶圓用于近紅外圖像傳感器？

從光學(xué)的角度來(lái)看，Cambou解釋說(shuō)SOI晶圓是有利的，因為絕緣層的功能就像一面鏡子。他指出：“紅外光穿透深度較大，并且會(huì )反射回活性層。”

Cambou指出，從電氣角度來(lái)說(shuō)，SOI提高了近紅外的靈敏度，主要是因為它能很好地減少像素內的泄漏。改進(jìn)的靈敏度提供了良好的圖像對比。

Cambou說(shuō)明，對比是重要的，因為“結構化的光線(xiàn)操作容易受到陽(yáng)光的干擾”。

當然，常規的CMOS圖像傳感器或近紅外傳感器“很高興能有額外的光線(xiàn)，如果目標是要有更好的圖像，”Cambou說(shuō)。但是，當用戶(hù)試圖在明亮的陽(yáng)光下解鎖iPhone X時(shí)，光線(xiàn)是一個(gè)問(wèn)題。

Cambou說(shuō)：“問(wèn)題在于近紅外光投射點(diǎn)與太陽(yáng)或任何其他光源的環(huán)境光的對比。但太陽(yáng)通常是最大的問(wèn)題。” 因此，蘋(píng)果通過(guò)采用SOI晶圓來(lái)提高近紅外的對比度是至關(guān)重要的。

當被問(wèn)及意法半導體的近紅外圖像傳感器是否使用FD-SOI或SOI晶圓時(shí)，Cambou表示，研究公司目前還無(wú)法判斷。

Apple iPhone X 3D攝像頭（TrueDepth）中的近紅外圖像傳感器

至于近紅外圖像傳感器，我們是否已知蘋(píng)果是使用850納米還是940納米波長(cháng)的近紅外？

Cambou指出，“我們無(wú)法確定哪一個(gè)。”然而，他推測，“蘋(píng)果最有可能像其他人（例如英特爾的RealSense、Facebook、宏達電等）一樣使用850納米，但意法半導體以開(kāi)發(fā)940納米SPAD光子探測器聞名，所以他們打算在未來(lái)轉向這個(gè)波長(cháng)是可能的。”

當被問(wèn)及拆解的意外發(fā)現時(shí)，Cambou舉出意法半導體的近紅外圖像傳感器的尺寸。它的尺寸為25mm^2，由于2.8μm的大型像素尺寸，僅有140萬(wàn)像素。 Cambou指出：“盡管如此，在這個(gè)類(lèi)別中，與通常使用3.0μm到5μm的競爭者相比，這個(gè)像素被認為是‘小的’。”

新時(shí)代的開(kāi)始

Yole將iPhone X定位為3D成像新時(shí)代的開(kāi)始。

Cambou同時(shí)還認為，蘋(píng)果正在為近紅外圖像傳感器打造未來(lái)。顛出上周宣布收購InVisage Technologies公司的動(dòng)態(tài)，他表示：“我認為，蘋(píng)果希望InVisage提供近紅外圖像傳感器功能，盡管可能好幾種方式可以來(lái)解釋這一收購。”

Cambou不相信InVisage能夠在性能方面與意法半導體的產(chǎn)品相匹配，但它可以為小型化提供解決方案。他提到：”因此，人臉識別技術(shù)可以縮小到其它產(chǎn)品，如增強現實(shí)（AR）頭戴式設備。”

商業(yè)影響

一方面，蘋(píng)果的iPhone X正為如Soitec等SOI晶圓制造商創(chuàng )造巨大的商機。同樣重要的是，它已經(jīng)觸發(fā)意法半導體別具意義的復出。 Cambou相信意法半導體將成為新興的ToF攝像頭市場(chǎng)的一員。

當然，半導體業(yè)務(wù)往往受到短暫的繁榮和蕭條循環(huán)的影響。但是，在移動(dòng)電話(huà)市場(chǎng)上失去諾基亞之后，業(yè)務(wù)急劇萎縮的意法半導體“已經(jīng)完成了一個(gè)非常優(yōu)雅的過(guò)渡”，Cambou觀(guān)察。

意法半導體創(chuàng )造了不同類(lèi)型的圖像傳感器應用：從CMOS圖像傳感器轉向未來(lái)的近紅外圖像傳感器和SPAD傳感器，同時(shí)利用其資產(chǎn)和內部發(fā)展的基礎技術(shù)。