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【拆解】揭开iPhone X 3D摄像头的神秘面纱

虽然成像行业的专家都知道苹果(Apple)公司为其iPhone X设计了一个复杂的3D摄像头——“TrueDepth”,但该模组内包含芯片、组件甚至一直到基板的3D系统内的大部分细节仍然是深沉、黑暗的秘密。

EE Times与Yole进行了访谈,Yole本周完成了与合作伙伴System Plus Consulting的合作,拆解了Apple iPhone X中的 TrueDepth模组。他们推断绝缘体上硅(SOI)晶圆正用于近红外(NIR)图像传感器。他们指出,SOI在提高意法半导体(STMicroelectronics)开发的近红外图像传感器的灵敏度方面发挥了关键作用,以满足苹果严格的要求。3j3esmc

Yole成像和传感器业务负责人Pierre Cambou表示,基于SOI的近红外图像传感器是“SOI非常有趣的一个里程碑”。3j3esmc

位于法国格勒诺布尔(Grenoble)附近所谓的“图像谷”(Imaging Valley)的许多公司都使用由Soitec开发的SOI晶圆,最初是用于背照式(BSI)图像传感器。同时,根据Cambou的报导,近红外图像传感器SOI的研究可以追溯到2005年。3j3esmc

但Cambou点出,苹果采用意法半导体的近红外图像传感器象征着SOI在图像传感器大规模生产方面的开始。 “由于光线的物理尺寸,图像传感器的特点是表面很广。因此,对于像Soitec这样的基板供货商来说,这是一个相当不错的市场。”3j3esmc

与此同时,Yole董事长兼首席执行官Jean-Christophe Eloy告诉EE Times,在设计TrueDepth时,“苹果公司采用了结合意法半导体和ams公司产品优点的两全其美的方式。” 苹果采用了意法半导体的领先的近红外图像传感器,以及来自ams的点光源。 Eloy指出,ams“在其复杂的光学模块方面非常出色”。今年早些时候,ams收购了因基于飞行时间(ToF)技术的光学封装而闻名的Heptagon。3j3esmc

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苹果iPhone X 3D摄像头(TrueDepth)成本分析3j3esmc

3D摄像头工作原理回顾

苹果公司在iPhone X的正面集成了3D摄像头——TrueDepth,以识别用户脸部并解锁手机。正如Yole先前所解释的,为了实现这一点,苹果公司将ToF测距传感器与红外“结构光”摄像头结合起来,可以使用统一的“泛光”或“点状图”照明。3j3esmc

3D摄像头的工作原理与拍摄照片的普通CMOS图像传感器非常不同。首先,iPhone X将红外摄像头与投射照明器组合在一起,在手机前投射均匀的红外线。然后拍摄图像,并据此触发人脸识别算法。3j3esmc

然而,这个人脸识别功能并不是一直运行的。连接到ToF测距传感器的红外摄像机发出信号,指示摄像头在检测到脸部时拍摄照片。 iPhone X接着激活它的点阵式投影器拍摄图像。然后将一般图像和点图案图像发送到应用程序处理单元(APU),该应用程序处理单元通过神经网络训练识别手机用户并开启手机。 3j3esmc

Yole的Cambou指出,目前并没有进行3D图像的运算。3D信息包含在点状图案图像中。“为了运行3D应用程序,同一个APU可以使用另一种计算图像深度图的算法。”他补充说:“结构光方法已知是计算密集型的,iPhone X充分利用了A11芯片的强大处理能力。使用神经网络是使之成为可能的关键技术。"3j3esmc

五个子模块

Yole和System Plus咨询公司的拆解分析在苹果的3D摄像头(TrueDepth)中发现了一个“五个子模块的复杂组合”。它们分别是:近红外摄像头、ToF测距传感器+红外泛光照明器、RGB摄像头、点阵式投影器和彩色/环境光传感器。3j3esmc

如下图所示,红外摄像头、RGB摄像投和点阵投影器全部对齐排列。3j3esmc

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Apple iPhoneX 3D摄像头(TrueDepth)拆解分析3j3esmc

近红外图像传感器

在苹果iPhone X的3D摄像头(TrueDepth)核心,有意法半导体的近红外图像传感器。 Yole和System Plus公司在意法半导体的近红外图像传感器内部发现了“在深沟隔离(DTI)之上绝缘体上硅(SOI)的使用。”3j3esmc

DTI技术的概念是众所周知的。一般来说,需要高传感器分辨率的当今摄像头所面临的问题在于像素被限制在相同的空间内,在拍摄照片时造成相邻传感器的干扰(noise)、变色或像素化。DTI被用于防止光电二极管之间的泄漏。据报导,苹果在每个之间蚀刻实际沟槽,然后用绝缘材料填充沟槽,以阻绝电流。3j3esmc

所以,在使用DTI之余,苹果为什么要把SOI晶圆用于近红外图像传感器?3j3esmc

从光学的角度来看,Cambou解释说SOI晶圆是有利的,因为绝缘层的功能就像一面镜子。他指出:“红外光穿透深度较大,并且会反射回活性层。”3j3esmc

Cambou指出,从电气角度来说,SOI提高了近红外的灵敏度,主要是因为它能很好地减少像素内的泄漏。改进的灵敏度提供了良好的图像对比。3j3esmc

Cambou说明,对比是重要的,因为“结构化的光线操作容易受到阳光的干扰”。3j3esmc

当然,常规的CMOS图像传感器或近红外传感器“很高兴能有额外的光线,如果目标是要有更好的图像,”Cambou说。但是,当用户试图在明亮的阳光下解锁iPhone X时,光线是一个问题。3j3esmc

Cambou说:“问题在于近红外光投射点与太阳或任何其他光源的环境光的对比。但太阳通常是最大的问题。” 因此,苹果通过采用SOI晶圆来提高近红外的对比度是至关重要的。3j3esmc

当被问及意法半导体的近红外图像传感器是否使用FD-SOI或SOI晶圆时,Cambou表示,研究公司目前还无法判断。3j3esmc

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Apple iPhone X 3D摄像头(TrueDepth)中的近红外图像传感器3j3esmc

至于近红外图像传感器,我们是否已知苹果是使用850纳米还是940纳米波长的近红外?3j3esmc

Cambou指出,“我们无法确定哪一个。”然而,他推测,“苹果最有可能像其他人(例如英特尔的RealSense、Facebook、宏达电等)一样使用850纳米,但意法半导体以开发940纳米SPAD光子探测器闻名,所以他们打算在未来转向这个波长是可能的。”3j3esmc

当被问及拆解的意外发现时,Cambou举出意法半导体的近红外图像传感器的尺寸。它的尺寸为25mm^2,由于2.8μm的大型像素尺寸,仅有140万像素。 Cambou指出:“尽管如此,在这个类别中,与通常使用3.0μm到5μm的竞争者相比,这个像素被认为是‘小的’。”3j3esmc

新时代的开始

Yole将iPhone X定位为3D成像新时代的开始。3j3esmc

Cambou同时还认为,苹果正在为近红外图像传感器打造未来。颠出上周宣布收购InVisage Technologies公司的动态,他表示:“我认为,苹果希望InVisage提供近红外图像传感器功能,尽管可能好几种方式可以来解释这一收购。”3j3esmc

Cambou不相信InVisage能够在性能方面与意法半导体的产品相匹配,但它可以为小型化提供解决方案。他提到:”因此,人脸识别技术可以缩小到其它产品,如增强现实(AR)头戴式设备。”3j3esmc

商业影响

一方面,苹果的iPhone X正为如Soitec等SOI晶圆制造商创造巨大的商机。同样重要的是,它已经触发意法半导体别具意义的复出。 Cambou相信意法半导体将成为新兴的ToF摄像头市场的一员。3j3esmc

当然,半导体业务往往受到短暂的繁荣和萧条循环的影响。但是,在移动电话市场上失去诺基亚之后,业务急剧萎缩的意法半导体“已经完成了一个非常优雅的过渡”,Cambou观察。3j3esmc

意法半导体创造了不同类型的图像传感器应用:从CMOS图像传感器转向未来的近红外图像传感器和SPAD传感器,同时利用其资产和内部发展的基础技术。3j3esmc

二维码3j3esmc

Edit
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Junko Yoshida
ASPENCORE全球联席总编辑,首席国际特派记者。曾任把口记者(beat reporter)和EE Times主编的Junko Yoshida现在把更多时间用来报道全球电子行业,尤其关注中国。 她的关注重点一直是新兴技术和商业模式,新一代消费电子产品往往诞生于此。 她现在正在增加对中国半导体制造商的报道,撰写关于晶圆厂和无晶圆厂制造商的规划。 此外,她还为EE Times的Designlines栏目提供汽车、物联网和无线/网络服务相关内容。 自1990年以来,她一直在为EE Times提供内容。
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