市調機構Yole Développement日前與其合作夥伴System Plus Consulting聯手,拆解了Apple iPhone X內部的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)影像感測器中採用了絕緣層上覆矽(SOI)晶圓,而且,該SOI對於意法半導體(STMicroelectronics;ST)開發的這款NIR感測器在靈敏度方面發揮了關鍵作用,因而能滿足Apple嚴格的要求。

Yole Développement成像和感測器業務分析師Pierre Cambou表示,基於SOI的NIR影像感測器可說是「SOI發展過程中一個非常有意思的里程碑」。

位於法國格勒諾布爾(Grenoble)附近所謂「影像谷」(Imaging Valley)的許多公司都使用由Soitec開發的SOI晶圓,最初用於背照式(BSI)影像感測器。同時,根據Cambou表示,SOI用於NIR感測器的研究可以追溯到2005年。

但Cambou指出,Apple採用ST的NIR影像感測器象徵著SOI得以大規模量產影像感測器的開始。「由於光線的實體尺寸,影像感測器的特點是表面較廣。因此,對於像Soitec這樣的基板供應商來說,這是一個相當不錯的市場。」

同時,Yole總裁兼執行長Jean-Christophe Eloy告訴《EE Times》,在設計TrueDepth時,「Apple採用了一個兩全其美的好辦法——結合ST和ams雙方產品的優點。」Apple採用了ST先進的NIR影像感測器,以及ams的點陣感光元件。Eloy指出,ams「十分擅長於複雜的光學模組」。今年早些時候,ams收購了以飛行時間(ToF)技術堆疊而聞名的Heptagon。

20171124_iPhoneX_NT01P1 拆解Apple iPhone X——光學中樞成本分析(來源: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,以辨識用戶的臉部並解鎖手機。正如Yole先前所解釋的,為了實現這一點,Apple結合了ToF測距感測器與紅外線「結構光」相機,因而能使用均勻的「泛光」或「點陣圖案」照明。

3D感測相機系統的運作原理與拍攝照片的一般CMOS影像感測器非常不同。首先,iPhone X結合了紅外線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。接著拍攝影像,並此觸發臉部辨識演算法。

然而,這種臉部辨識功能並非持續運作。連接到ToF測距感測器的紅外線相機發出訊號,指示相機在偵測到臉部時拍攝照片。iPhone X接著啟動其點陣式投射器拍攝影像。然後將一般影像和點陣圖案影像傳送至應用處理單元(APU),用於進行神經網路訓練,以辨識手機使用者以及解鎖手機。

Cambou指出,此時尚未開始進行3D影像的運算。3D資訊包含在點陣圖案影像中。「為了執行3D應用,同一個APU可以使用另一種計算影像深度地圖的演算法。」他補充說:「由於採用了運算密集的結構光途徑,iPhone X充份利用了A11晶片的強大處理能力。使用神經網路是得以實現這一設計的關鍵技術。」

五個子模組

根據Yole和System Plus Consulting的拆解分析,在Apple的TrueDepth光學中樞中發現了一個「五個子模組的複雜組合」,分別是NIR相機、ToF測距感測器+IR泛光感應元件、RGB相機、點陣投射器和彩色/環境光感測器。

如下圖所示,IR相機、RGB相機和點陣投射器全部對齊排列。

20171124_iPhoneX_NT01P2 拆解Apple iPhoneX——3D相機(TrueDepth)正面(來源:Yole Développement、System Plus Consulting)

NIR影像感測器

在Apple iPhone X的光學中樞——3D相機(TrueDepth)核心,可以看到ST的NIR感測器。 Yole和System Plus Consulting在ST的NIR感測器內部發現了「在深槽隔離(DTI)頂部使用了SOI」。

DTI技術的概念是眾所周知的。一般來說,當今的相機需要高感測解析度的問題在於畫素被限制在相同空間中,使得拍攝照片時造成相鄰感測器之間的雜訊、變色或圖素化。採用DTI技術得以避免光電二極體之間的洩漏。據稱Apple在其間蝕刻實際溝槽,然後用絕緣材料填充溝槽,以阻絕電流。

那麼,Apple為什麼要在DTI頂部採用基於SOI晶圓的NIR影像感測器?

從光學的角度來看,Cambou解釋,SOI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,並且反射回主動層。」

Cambou指出,從電氣角度來說,SOI大幅提高了NIR的靈敏度,因為它能有效地減少畫素內的洩漏。改善的靈敏度提供了良好的影像對比。

Cambou解釋,這種對比度極其重要,因為「結構光的運作容易受到陽光的干擾」。

當然,一般CMOS影像感測器或NIR感測器的「目標如果是要有更好的影像,那麼我們樂於見到更多的光線」。但是,Cambou也指出,當用戶試圖在明亮的陽光下解鎖iPhone X時,光線就會是一個問題。

Cambou說:「問題就在於NIR光線的投射點與太陽或其他任何光源的環境光之間存在的對比度。但太陽通常是最大的問題。」 因此,Apple採用SOI晶圓以提高NIR的對比度是至關重要的。

那麼ST的NIR感測器是否使用FD-SOI或SOI晶圓?Cambou表示該公司目前還無法判斷。

20171124_iPhoneX_NT01P3 拆解Apple iPhone X——3D相機(TrueDepth)內部的NIR影像感測器(來源:Yole Développement、System Plus Consulting)

至於NIR感測器,如今是否能確定Apple使用的是850nm還是940nm波長的NIR?Cambou指出,「我們無法確定是哪一個」。然而,他推測,「Apple最有可能像其他業者一樣使用850nm——例如英特爾(Intel)的RealSense、Facebook、宏達電等。但是,ST以開發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轉向這一波長選擇。」

當被問及在拆解中有何意外發現時,Cambou提出了ST NIR影像感測器晶片的尺寸——其大小約25mm2,但由於採用2.8μm的大型畫素,因而僅有140萬畫素。Cambou指出:「儘管如此,在這個類別中,與通常使用3.0μm到5μm的競爭產品相較,這一畫素會被認為『較小』。」

新時代的開始

Yole將iPhone X定位為3D成像新時代的開始。

Cambou還認為,Apple正在為NIR感測器打造未來。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感測器功能,不過也可能還有好幾種方式來解釋這項收購行動。」

Cambou認為,InVisage可能無法在性能方面與ST的產品匹配,但卻能為小型化提供解決方案。他提到:「因此,Face ID技術可以微縮至其它產品,如增強實境(AR)頭戴式裝置。」

商業影響

一方面,Apple iPhone X正為諸如Soitec等SOI晶圓製造商創造巨大的商機。同樣重要的是,它也為ST引發別具意義的復出。Cambou相信ST將成為新興ToF相機市場的一員。

當然,半導體業務往往受到短暫的繁榮和蕭條交替之週期性影響。但是,根據Cambou的觀察,ST在手機市場失去諾基亞(Nokia)後雖然業務萎縮,如今「已經非常巧妙地進行轉型了」。

ST打造了許多不同類型的影像感測器應用:從CMOS影像感測器轉向未來的NIR和SPAD感測器,同時也有效利用了該公司的資產以及內部開發的基礎技術。

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