揭開(kāi)iPhone X 3D相機(jī)的神秘面紗

盡管成像產(chǎn)業(yè)的專(zhuān)家都知道蘋(píng)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(wèn)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(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(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(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(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(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(kāi)始?！坝捎诠饩€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(lái)說(shuō)，這是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的市場(chǎng)?！?/p>

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)?！盇pple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(lái)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(kāi)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?！盀榱藞?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?！彼a(bǔ)充說(shuō)：“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)?！?/p>

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

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(lái)說(shuō)，當(dāng)今的相機(jī)需要高感測(cè)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(jù)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?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?！?/p>

Cambou指出，從電氣角度來(lái)說(shuō)，SOI大幅提高了NIR的靈敏度，因?yàn)樗苡行У販p少畫(huà)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?zhuān)@種對(duì)比度極其重要，因?yàn)椤敖Y(jié)構(gòu)光的運(yùn)作容易受到陽(yáng)光的干擾”。