揭开iPhone X 3D相机的神秘面纱 - 全文

尽管成像产业的专家都知道苹果（Apple）为其iPhone X设计了一款复杂的‘TrueDepth’模组，但在这款元件的3D感测系统中——包括芯片、元件一直到基板，还存在着更多不为人知的深层细节与暗黑秘密。

市调机构Yole Développement日前与其合作伙伴System Plus Consulting联手，拆解了Apple iPhone X内部的TrueDepth模组，《EE Times》有幸访问了Yole的看法。他们推论在这款模组的近红外线（NIR）影像传感器中采用了绝缘层上覆矽（SOI）晶圆，而且，该SOI对于意法半导体（STMicroelectronics；ST）开发的这款NIR传感器在灵敏度方面发挥了关键作用，因而能满足Apple严格的要求。

Yole Développement成像和传感器业务分析师Pierre Cambou表示，基于SOI的NIR影像传感器可说是“SOI发展过程中一个非常有意思的里程碑”。

位于法国格勒诺布尔（Grenoble）附近所谓“影像谷”（Imaging Valley）的许多公司都使用由Soitec开发的SOI晶圆，最初用于背照式（BSI）影像传感器。同时，根据Cambou表示，SOI用于NIR传感器的研究可以追溯到2005年。

但Cambou指出，Apple采用ST的NIR影像传感器象征着SOI得以大规模量产影像传感器的开始。“由于光线的实体尺寸，影像传感器的特点是表面较广。因此，对于像Soitec这样的基板供应商来说，这是一个相当不错的市场。”

同时，Yole总裁兼执行长Jean-Christophe Eloy告诉《EE Times》，在设计TrueDepth时，“Apple采用了一个两全其美的好办法——结合ST和ams双方产品的优点。”Apple采用了ST先进的NIR影像传感器，以及ams的点阵感光元件。Eloy指出，ams“十分擅长于复杂的光学模组”。今年早些时候，ams收购了以飞行时间（ToF）技术堆叠而闻名的Heptagon。

拆解Apple iPhone X——光学中枢成本分析（来源：Yole Développement、System Plus Consulting）

解密TrueDepth运作原理

Apple在iPhone X的正面整合了3D感测相机系统——TrueDepth，以辨识用户的脸部并解锁手机。正如Yole先前所解释的，为了实现这一点，Apple结合了ToF测距传感器与红外线“结构光”相机，因而能使用均匀的“泛光”或“点阵图案”照明。

3D感测相机系统的运作原理与拍摄照片的一般CMOS影像传感器非常不同。首先，iPhone X结合了红外线相机与泛光感应元件，从而在手机前方投射出均匀的红外光。接着拍摄影像，并此触发脸部辨识演算法。

然而，这种脸部辨识功能并非持续运作。连接到ToF测距传感器的红外线相机发出讯号，指示相机在侦测到脸部时拍摄照片。iPhone X接着启动其点阵式投射器拍摄影像。然后将一般影像和点阵图案影像传送至应用处理单元（APU），用于进行神经网络训练，以辨识手机使用者以及解锁手机。

Cambou指出，此时尚未开始进行3D影像的运算。3D资讯包含在点阵图案影像中。“为了执行3D应用，同一个APU可以使用另一种计算影像深度地图的演算法。”他补充说：“由于采用了运算密集的结构光途径，iPhone X充份利用了A11芯片的强大处理能力。使用神经网络是得以实现这一设计的关键技术。”

五个子模组

根据Yole和System Plus Consulting的拆解分析，在Apple的TrueDepth光学中枢中发现了一个“五个子模组的复杂组合”，分别是NIR相机、ToF测距传感器+IR泛光感应元件、RGB相机、点阵投射器和彩色/环境光传感器。

如下图所示，IR相机、RGB相机和点阵投射器全部对齐排列。

拆解Apple iPhoneX——3D相机（TrueDepth）正面

NIR影像传感器

在Apple iPhone X的光学中枢——3D相机（TrueDepth）核心，可以看到ST的NIR传感器。 Yole和System Plus Consulting在ST的NIR传感器内部发现了“在深槽隔离（DTI）顶部使用了SOI”。

DTI技术的概念是众所周知的。一般来说，当今的相机需要高感测解析度的问题在于画素被限制在相同空间中，使得拍摄照片时造成相邻传感器之间的杂讯、变色或图素化。采用DTI技术得以避免光电二极体之间的泄漏。据称Apple在其间蚀刻实际沟槽，然后用绝缘材料填充沟槽，以阻绝电流。

那么，Apple为什么要在DTI顶部采用基于SOI晶圆的NIR影像传感器？

从光学的角度来看，Cambou解释，SOI晶圆十分有帮助，因为绝缘层的功能就像一面镜子。他指出：“红外光能穿透至更深层，并且反射回主动层。”

Cambou指出，从电气角度来说，SOI大幅提高了NIR的灵敏度，因为它能有效地减少画素内的泄漏。改善的灵敏度提供了良好的影像对比。

Cambou解释，这种对比度极其重要，因为“结构光的运作容易受到阳光的干扰”。

当然，一般CMOS影像传感器或NIR传感器的“目标如果是要有更好的影像，那么我们乐于见到更多的光线”。但是，Cambou也指出，当用户试图在明亮的阳光下解锁iPhone X时，光线就会是一个问题。

Cambou说：“问题就在于NIR光线的投射点与太阳或其他任何光源的环境光之间存在的对比度。但太阳通常是最大的问题。” 因此，Apple采用SOI晶圆以提高NIR的对比度是至关重要的。

那么ST的NIR传感器是否使用FD-SOI或SOI晶圆？Cambou表示该公司目前还无法判断。

拆解Apple iPhone X——3D相机（TrueDepth）内部的NIR影像传感器（来源：Yole Développement、System Plus Consulting）

至于NIR传感器，如今是否能确定Apple使用的是850nm还是940nm波长的NIR？Cambou指出，“我们无法确定是哪一个”。然而，他推测，“Apple最有可能像其他业者一样使用850nm——例如英特尔（Intel）的RealSense、Facebook、宏达电等。但是，ST以开发940nm单光子雪崩二极体（SPAD）近接测距器闻名，所以也可能打算在未来转向这一波长选择。”

当被问及在拆解中有何意外发现时，Cambou提出了ST NIR影像传感器芯片的尺寸——其大小约25mm2，但由于采用2.8μm的大型画素，因而仅有140万画素。Cambou指出：“尽管如此，在这个类别中，与通常使用3.0μm到5μm的竞争产品相较，这一画素会被认为『较小』。”

新时代的开始

Yole将iPhone X定位为3D成像新时代的开始。

Cambou还认为，Apple正在为NIR传感器打造未来。他指出，Apple不久前收购了量宏科技（InVisage Technologies），“我认为Apple打算让InVisage为其提供NIR传感器功能，不过也可能还有好几种方式来解释这项收购行动。”

Cambou认为，InVisage可能无法在性能方面与ST的产品匹配，但却能为小型化提供解决方案。他提到：“因此，Face ID技术可以微缩至其它产品，如增强实境（AR）头戴式装置。”

商业影响

一方面，Apple iPhone X正为诸如Soitec等SOI晶圆制造商创造巨大的商机。同样重要的是，它也为ST引发别具意义的复出。Cambou相信ST将成为新兴ToF相机市场的一员。

当然，半导体业务往往受到短暂的繁荣和萧条交替之周期性影响。但是，根据Cambou的观察，ST在手机市场失去诺基亚（Nokia）后虽然业务萎缩，如今“已经非常巧妙地进行转型了”。

ST打造了许多不同类型的影像传感器应用：从CMOS影像传感器转向未来的NIR和SPAD传感器，同时也有效利用了该公司的资产以及内部开发的基础技术。