iPhone X Face ID3D相机中外折解对比

2017-11-27编辑:冀凯 关键字:iPhone  X

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硅(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(来源:Yole Développement、System Plus Consulting)


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像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的大型像素,因而仅有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。


(参考原文:iPhone X’s TrueDepth Module Dissected,by Junko Yoshida)



关键字:iPhone  X

来源: EETimes 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/article_2017112776859.html
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