盡管成像產(chǎn)業(yè)的專(zhuān)家都知道蘋(píng)果(Apple)為其iPhone X設計了一款復雜的‘TrueDepth’模組，但在這款元件的3D感測系統中——包括芯片、元件一直到基板，還存在著(zhù)更多不為人知的深層細節與暗黑秘密。
市調機構Yole Développement日前與其合作伙伴System Plus Consulting聯(lián)手，拆解了Apple iPhone X內部的TrueDepth模組，《EE Times》有幸訪(fǎng)問(wèn)了Yole的看法。他們推論在這款模組的近紅外線(xiàn)(NIR)影像傳感器中采用了絕緣層上覆矽(SOI)晶圓，而且，該SOI對于意法半導體(STMicroelectronics；ST)開(kāi)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(mǎn)足Apple嚴格的要求。
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(shuō)是“SOI發(fā)展過(guò)程中一個(gè)非常有意思的里程碑”。
位于法國格勒諾布爾(Grenoble)附近所謂“影像谷”(Imaging Valley)的許多公司都使用由Soitec開(kāi)發(fā)的SOI晶圓，最初用于背照式(BSI)影像傳感器。同時(shí)，根據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(zhù)SOI得以大規模量產(chǎn)影像傳感器的開(kāi)始。“由于光線(xiàn)的實(shí)體尺寸，影像傳感器的特點(diǎn)是表面較廣。因此，對于像Soitec這樣的基板供應商來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)相當不錯的市場(chǎng)。”
同時(shí)，Yole總裁兼執行長(cháng)Jean-Christophe Eloy告訴《EE Times》，在設計TrueDepth時(shí)，“Apple采用了一個(gè)兩全其美的好辦法——結合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(cháng)于復雜的光學(xué)模組”。今年早些時(shí)候，ams收購了以飛行時(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(lái)源：Yole Développement、System Plus Consulting）
解密TrueDepth運作原理
Apple在iPhone X的正面整合了3D感測相機系統——TrueDepth，以辨識用戶(hù)的臉部并解鎖手機。正如Yole先前所解釋的，為了實(shí)現這一點(diǎn)，Apple結合了ToF測距傳感器與紅外線(xiàn)“結構光”相機，因而能使用均勻的“泛光”或“點(diǎn)陣圖案”照明。
3D感測相機系統的運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結合了紅外線(xiàn)相機與泛光感應元件，從而在手機前方投射出均勻的紅外光。接著(zhù)拍攝影像，并此觸發(fā)臉部辨識演算法。
然而，這種臉部辨識功能并非持續運作。連接到ToF測距傳感器的紅外線(xiàn)相機發(fā)出訊號，指示相機在偵測到臉部時(shí)拍攝照片。iPhone X接著(zhù)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用處理單元(APU)，用于進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )訓練，以辨識手機使用者以及解鎖手機。
Cambou指出，此時(shí)尚未開(kāi)始進(jìn)行3D影像的運算。3D資訊包含在點(diǎn)陣圖案影像中。“為了執行3D應用，同一個(gè)APU可以使用另一種計算影像深度地圖的演算法。”他補充說(shuō)：“由于采用了運算密集的結構光途徑，iPhone X充份利用了A11芯片的強大處理能力。使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是得以實(shí)現這一設計的關(guān)鍵技術(shù)。”
五個(gè)子模組
根據Yole和System Plus Consulting的拆解分析，在A(yíng)pple的TrueDepth光學(xué)中樞中發(fā)現了一個(gè)“五個(gè)子模組的復雜組合”，分別是NIR相機、ToF測距傳感器+IR泛光感應元件、RGB相機、點(diǎn)陣投射器和彩色/環(huán)境光傳感器。
如下圖所示，IR相機、RGB相機和點(diǎn)陣投射器全部對齊排列。
拆解Apple iPhoneX——3D相機(TrueDepth)正面（來(lái)源：Yole Développement、System Plus Consulting）
NIR影像傳感器
在A(yíng)pple iPhone X的光學(xué)中樞——3D相機(TrueDepth)核心，可以看到ST的NIR傳感器。 Yole和System Plus Consulting在ST的NIR傳感器內部發(fā)現了“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(lái)說(shuō)，當今的相機需要高感測解析度的問(wèn)題在于畫(huà)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。據稱(chēng)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(lái)看，Cambou解釋?zhuān)琒OI晶圓十分有幫助，因為絕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(lái)說(shuō)，SOI大幅提高了NIR的靈敏度，因為它能有效地減少畫(huà)素內的泄漏。改善的靈敏度提供了良好的影像對比。
Cambou解釋?zhuān)@種對比度極其重要，因為“結構光的運作容易受到陽(yáng)光的干擾”。
當然，一般CMOS影像傳感器或NIR傳感器的“目標如果是要有更好的影像，那么我們樂(lè )于見(jiàn)到更多的光線(xiàn)”。但是，Cambou也指出，當用戶(hù)試圖在明亮的陽(yáng)光下解鎖iPhone X時(shí)，光線(xiàn)就會(huì )是一個(gè)問(wèn)題。
Cambou說(shuō)：“問(wèn)題就在于NIR光線(xiàn)的投射點(diǎn)與太陽(yáng)或其他任何光源的環(huán)境光之間存在的對比度。但太陽(yáng)通常是最大的問(wèn)題。” 因此，Apple采用SOI晶圓以提高NIR的對比度是至關(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(wú)法判斷。
拆解Apple iPhone X——3D相機(TrueDepth)內部的NIR影像傳感器（來(lái)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(cháng)的NIR？Cambou指出，“我們無(wú)法確定是哪一個(gè)”。然而，他推測，“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、宏達電等。但是，ST以開(kāi)發(fā)940nm單光子雪崩二極體(SPAD)近接測距器聞名，所以也可能打算在未來(lái)轉向這一波長(cháng)選擇。”
當被問(wèn)及在拆解中有何意外發(fā)現時(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(huà)素，因而僅有140萬(wàn)畫(huà)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的競爭產(chǎn)品相較，這一畫(huà)素會(huì )被認為『較小』。”
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還認為，Apple正在為NIR傳感器打造未來(lái)。他指出，Apple不久前收購了量宏科技(InVisage Technologies)，“我認為Apple打算讓InVisage為其提供NIR傳感器功能，不過(guò)也可能還有好幾種方式來(lái)解釋這項收購行動(dòng)。”
Cambou認為，InVisage可能無(wú)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，Face ID技術(shù)可以微縮至其它產(chǎn)品，如增強實(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。同樣重要的是，它也為ST引發(fā)別具意義的復出。Cambou相信ST將成為新興ToF相機市場(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交替之周期性影響。但是，根據Cambou的觀(guān)察，ST在手機市場(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)行轉型了”。
ST打造了許多不同類(lèi)型的影像傳感器應用：從CMOS影像傳感器轉向未來(lái)的NIR和SPAD傳感器，同時(shí)也有效利用了該公司的資產(chǎn)以及內部開(kāi)發(fā)的基礎技術(shù)。
(參考原文：iPhone X’s TrueDepth Module Dissected，by Junko Yoshida)
