盡管成像產(chǎn)業(yè)的專家都知道蘋果(Apple)為其iPhone X設(shè)計(jì)了一款復(fù)雜的‘TrueDepth’模組，但在這款元件的3D感測(cè)系統(tǒng)中——包括芯片、元件一直到基板，還存在著更多不為人知的深層細(xì)節(jié)與暗黑秘密。
市調(diào)機(jī)構(gòu)Yole Développement日前與其合作伙伴System Plus Consulting聯(lián)手，拆解了Apple iPhone X內(nèi)部的TrueDepth模組，《EE Times》有幸訪問了Yole的看法。他們推論在這款模組的近紅外線(NIR)影像傳感器中采用了絕緣層上覆矽(SOI)晶圓，而且，該SOI對(duì)于意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics；ST)開發(fā)的這款NIR傳感器在靈敏度方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，因而能滿足Apple嚴(yán)格的要求。
Yole Développement成像和傳感器業(yè)務(wù)分析師Pierre Cambou表示，基于SOI的NIR影像傳感器可說是“SOI發(fā)展過程中一個(gè)非常有意思的里程碑”。
位于法國(guó)格勒諾布爾(Grenoble)附近所謂“影像谷”(Imaging Valley)的許多公司都使用由Soitec開發(fā)的SOI晶圓，最初用于背照式(BSI)影像傳感器。同時(shí)，根據(jù)Cambou表示，SOI用于NIR傳感器的研究可以追溯到2005年。
但Cambou指出，Apple采用ST的NIR影像傳感器象征著SOI得以大規(guī)模量產(chǎn)影像傳感器的開始。“由于光線的實(shí)體尺寸，影像傳感器的特點(diǎn)是表面較廣。因此，對(duì)于像Soitec這樣的基板供應(yīng)商來說，這是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的市場(chǎng)。”
同時(shí)，Yole總裁兼執(zhí)行長(zhǎng)Jean-Christophe Eloy告訴《EE Times》，在設(shè)計(jì)TrueDepth時(shí)，“Apple采用了一個(gè)兩全其美的好辦法——結(jié)合ST和ams雙方產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)。”Apple采用了ST先進(jìn)的NIR影像傳感器，以及ams的點(diǎn)陣感光元件。Eloy指出，ams“十分擅長(zhǎng)于復(fù)雜的光學(xué)模組”。今年早些時(shí)候，ams收購(gòu)了以飛行時(shí)間(ToF)技術(shù)堆疊而聞名的Heptagon。
拆解Apple iPhone X——光學(xué)中樞成本分析（來源：Yole Développement、System Plus Consulting）
解密TrueDepth運(yùn)作原理
Apple在iPhone X的正面整合了3D感測(cè)相機(jī)系統(tǒng)——TrueDepth，以辨識(shí)用戶的臉部并解鎖手機(jī)。正如Yole先前所解釋的，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，Apple結(jié)合了ToF測(cè)距傳感器與紅外線“結(jié)構(gòu)光”相機(jī)，因而能使用均勻的“泛光”或“點(diǎn)陣圖案”照明。
3D感測(cè)相機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)作原理與拍攝照片的一般CMOS影像傳感器非常不同。首先，iPhone X結(jié)合了紅外線相機(jī)與泛光感應(yīng)元件，從而在手機(jī)前方投射出均勻的紅外光。接著拍攝影像，并此觸發(fā)臉部辨識(shí)演算法。
然而，這種臉部辨識(shí)功能并非持續(xù)運(yùn)作。連接到ToF測(cè)距傳感器的紅外線相機(jī)發(fā)出訊號(hào)，指示相機(jī)在偵測(cè)到臉部時(shí)拍攝照片。iPhone X接著啟動(dòng)其點(diǎn)陣式投射器拍攝影像。然后將一般影像和點(diǎn)陣圖案影像傳送至應(yīng)用處理單元(APU)，用于進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，以辨識(shí)手機(jī)使用者以及解鎖手機(jī)。
Cambou指出，此時(shí)尚未開始進(jìn)行3D影像的運(yùn)算。3D資訊包含在點(diǎn)陣圖案影像中。“為了執(zhí)行3D應(yīng)用，同一個(gè)APU可以使用另一種計(jì)算影像深度地圖的演算法。”他補(bǔ)充說：“由于采用了運(yùn)算密集的結(jié)構(gòu)光途徑，iPhone X充份利用了A11芯片的強(qiáng)大處理能力。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是得以實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。”
五個(gè)子模組
根據(jù)Yole和System Plus Consulting的拆解分析，在Apple的TrueDepth光學(xué)中樞中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)“五個(gè)子模組的復(fù)雜組合”，分別是NIR相機(jī)、ToF測(cè)距傳感器+IR泛光感應(yīng)元件、RGB相機(jī)、點(diǎn)陣投射器和彩色/環(huán)境光傳感器。
如下圖所示，IR相機(jī)、RGB相機(jī)和點(diǎn)陣投射器全部對(duì)齊排列。
拆解Apple iPhoneX——3D相機(jī)(TrueDepth)正面（來源：Yole Développement、System Plus Consulting）
NIR影像傳感器
在Apple iPhone X的光學(xué)中樞——3D相機(jī)(TrueDepth)核心，可以看到ST的NIR傳感器。 Yole和System Plus Consulting在ST的NIR傳感器內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了“在深槽隔離(DTI)頂部使用了SOI”。
DTI技術(shù)的概念是眾所周知的。一般來說，當(dāng)今的相機(jī)需要高感測(cè)解析度的問題在于畫素被限制在相同空間中，使得拍攝照片時(shí)造成相鄰傳感器之間的雜訊、變色或圖素化。采用DTI技術(shù)得以避免光電二極體之間的泄漏。據(jù)稱Apple在其間蝕刻實(shí)際溝槽，然后用絕緣材料填充溝槽，以阻絕電流。
那么，Apple為什么要在DTI頂部采用基于SOI晶圓的NIR影像傳感器？
從光學(xué)的角度來看，Cambou解釋，SOI晶圓十分有幫助，因?yàn)榻^緣層的功能就像一面鏡子。他指出：“紅外光能穿透至更深層，并且反射回主動(dòng)層。”
Cambou指出，從電氣角度來說，SOI大幅提高了NIR的靈敏度，因?yàn)樗苡行У販p少畫素內(nèi)的泄漏。改善的靈敏度提供了良好的影像對(duì)比。
Cambou解釋，這種對(duì)比度極其重要，因?yàn)?ldquo;結(jié)構(gòu)光的運(yùn)作容易受到陽光的干擾”。
當(dāng)然，一般CMOS影像傳感器或NIR傳感器的“目標(biāo)如果是要有更好的影像，那么我們樂于見到更多的光線”。但是，Cambou也指出，當(dāng)用戶試圖在明亮的陽光下解鎖iPhone X時(shí)，光線就會(huì)是一個(gè)問題。
Cambou說：“問題就在于NIR光線的投射點(diǎn)與太陽或其他任何光源的環(huán)境光之間存在的對(duì)比度。但太陽通常是最大的問題。” 因此，Apple采用SOI晶圓以提高NIR的對(duì)比度是至關(guān)重要的。
那么ST的NIR傳感器是否使用FD-SOI或SOI晶圓？Cambou表示該公司目前還無法判斷。
拆解Apple iPhone X——3D相機(jī)(TrueDepth)內(nèi)部的NIR影像傳感器（來源：Yole Développement、System Plus Consulting）
至于NIR傳感器，如今是否能確定Apple使用的是850nm還是940nm波長(zhǎng)的NIR？Cambou指出，“我們無法確定是哪一個(gè)”。然而，他推測(cè)，“Apple最有可能像其他業(yè)者一樣使用850nm——例如英特爾(Intel)的RealSense、Facebook、宏達(dá)電等。但是，ST以開發(fā)940nm單光子雪崩二極體(SPAD)近接測(cè)距器聞名，所以也可能打算在未來轉(zhuǎn)向這一波長(zhǎng)選擇。”
當(dāng)被問及在拆解中有何意外發(fā)現(xiàn)時(shí)，Cambou提出了ST NIR影像傳感器芯片的尺寸——其大小約25mm2，但由于采用2.8μm的大型畫素，因而僅有140萬畫素。Cambou指出：“盡管如此，在這個(gè)類別中，與通常使用3.0μm到5μm的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相較，這一畫素會(huì)被認(rèn)為『較小』。”
新時(shí)代的開始
Yole將iPhone X定位為3D成像新時(shí)代的開始。
Cambou還認(rèn)為，Apple正在為NIR傳感器打造未來。他指出，Apple不久前收購(gòu)了量宏科技(InVisage Technologies)，“我認(rèn)為Apple打算讓InVisage為其提供NIR傳感器功能，不過也可能還有好幾種方式來解釋這項(xiàng)收購(gòu)行動(dòng)。”
Cambou認(rèn)為，InVisage可能無法在性能方面與ST的產(chǎn)品匹配，但卻能為小型化提供解決方案。他提到：“因此，F(xiàn)ace ID技術(shù)可以微縮至其它產(chǎn)品，如增強(qiáng)實(shí)境(AR)頭戴式裝置。”
商業(yè)影響
一方面，Apple iPhone X正為諸如Soitec等SOI晶圓制造商創(chuàng)造巨大的商機(jī)。同樣重要的是，它也為ST引發(fā)別具意義的復(fù)出。Cambou相信ST將成為新興ToF相機(jī)市場(chǎng)的一員。
當(dāng)然，半導(dǎo)體業(yè)務(wù)往往受到短暫的繁榮和蕭條交替之周期性影響。但是，根據(jù)Cambou的觀察，ST在手機(jī)市場(chǎng)失去諾基亞(Nokia)后雖然業(yè)務(wù)萎縮，如今“已經(jīng)非常巧妙地進(jìn)行轉(zhuǎn)型了”。
ST打造了許多不同類型的影像傳感器應(yīng)用：從CMOS影像傳感器轉(zhuǎn)向未來的NIR和SPAD傳感器，同時(shí)也有效利用了該公司的資產(chǎn)以及內(nèi)部開發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)。
(參考原文：iPhone X’s TrueDepth Module Dissected，by Junko Yoshida)
