雖然成像行業的專家都知道蘋果（Apple）公司為其iPhone X設計了一個復雜的3D攝像頭——“TrueDepth”，但該模組內包含芯片、組件甚至一直到基板的3D系統內的大部分細節仍然是深沉、黑暗的秘密。

EE Times與Yole進行了訪談，Yole本周完成了與合作伙伴System Plus Consulting的合作，拆解了Apple iPhone X中的 TrueDepth模組。他們推斷絕緣體上硅（SOI）晶圓正用于近紅外（NIR）圖像傳感器。他們指出，SOI在提高意法半導體（STMicroelectronics）開發的近紅外圖像傳感器的靈敏度方面發揮了關鍵作用，以滿足蘋果嚴格的要求。

Yole成像和傳感器業務負責人Pierre Cambou表示，基于SOI的近紅外圖像傳感器是“SOI非常有趣的一個里程碑”。

位于法國格勒諾布爾（Grenoble）附近所謂的“圖像谷”（Imaging Valley）的許多公司都使用由Soitec開發的SOI晶圓，最初是用于背照式（BSI）圖像傳感器。同時，根據Cambou的報導，近紅外圖像傳感器SOI的研究可以追溯到2005年。

但Cambou點出，蘋果采用意法半導體的近紅外圖像傳感器象征著SOI在圖像傳感器大規模生產方面的開始。 “由于光線的物理尺寸，圖像傳感器的特點是表面很廣。因此，對于像Soitec這樣的基板供貨商來說，這是一個相當不錯的市場。”

與此同時，Yole董事長兼首席執行官Jean-Christophe Eloy告訴EE Times，在設計TrueDepth時，“蘋果公司采用了結合意法半導體和ams公司產品優點的兩全其美的方式。” 蘋果采用了意法半導體的領先的近紅外圖像傳感器，以及來自ams的點光源。 Eloy指出，ams“在其復雜的光學模塊方面非常出色”。今年早些時候，ams收購了因基于飛行時間（ToF）技術的光學封裝而聞名的Heptagon。

蘋果iPhone X 3D攝像頭（TrueDepth）成本分析

3D攝像頭工作原理回顧

蘋果公司在iPhone X的正面集成了3D攝像頭——TrueDepth，以識別用戶臉部并解鎖手機。正如Yole先前所解釋的，為了實現這一點，蘋果公司將ToF測距傳感器與紅外“結構光”攝像頭結合起來，可以使用統一的“泛光”或“點狀圖”照明。

3D攝像頭的工作原理與拍攝照片的普通CMOS圖像傳感器非常不同。首先，iPhone X將紅外攝像頭與投射照明器組合在一起，在手機前投射均勻的紅外線。然后拍攝圖像，并據此觸發人臉識別算法。

然而，這個人臉識別功能并不是一直運行的。連接到ToF測距傳感器的紅外攝像機發出信號，指示攝像頭在檢測到臉部時拍攝照片。 iPhone X接著激活它的點陣式投影器拍攝圖像。然后將一般圖像和點圖案圖像發送到應用程序處理單元（APU），該應用程序處理單元通過神經網絡訓練識別手機用戶并開啟手機。

Yole的Cambou指出，目前并沒有進行3D圖像的運算。3D信息包含在點狀圖案圖像中。“為了運行3D應用程序，同一個APU可以使用另一種計算圖像深度圖的算法。”他補充說：“結構光方法已知是計算密集型的，iPhone X充分利用了A11芯片的強大處理能力。使用神經網絡是使之成為可能的關鍵技術。”

五個子模塊

Yole和System Plus咨詢公司的拆解分析在蘋果的3D攝像頭（TrueDepth）中發現了一個“五個子模塊的復雜組合”。它們分別是：近紅外攝像頭、ToF測距傳感器+紅外泛光照明器、RGB攝像頭、點陣式投影器和彩色/環境光傳感器。

如下圖所示，紅外攝像頭、RGB攝像投和點陣投影器全部對齊排列。

Apple iPhoneX 3D攝像頭（TrueDepth）拆解分析

近紅外圖像傳感器

在蘋果iPhone X的3D攝像頭（TrueDepth）核心，有意法半導體的近紅外圖像傳感器。 Yole和System Plus公司在意法半導體的近紅外圖像傳感器內部發現了“在深溝隔離（DTI）之上絕緣體上硅（SOI）的使用。”

DTI技術的概念是眾所周知的。一般來說，需要高傳感器分辨率的當今攝像頭所面臨的問題在于像素被限制在相同的空間內，在拍攝照片時造成相鄰傳感器的干擾（noise）、變色或像素化。DTI被用于防止光電二極管之間的泄漏。據報導，蘋果在每個之間蝕刻實際溝槽，然后用絕緣材料填充溝槽，以阻絕電流。

所以，在使用DTI之余，蘋果為什么要把SOI晶圓用于近紅外圖像傳感器？

從光學的角度來看，Cambou解釋說SOI晶圓是有利的，因為絕緣層的功能就像一面鏡子。他指出：“紅外光穿透深度較大，并且會反射回活性層。”

Cambou指出，從電氣角度來說，SOI提高了近紅外的靈敏度，主要是因為它能很好地減少像素內的泄漏。改進的靈敏度提供了良好的圖像對比。

Cambou說明，對比是重要的，因為“結構化的光線操作容易受到陽光的干擾”。

當然，常規的CMOS圖像傳感器或近紅外傳感器“很高興能有額外的光線，如果目標是要有更好的圖像，”Cambou說。但是，當用戶試圖在明亮的陽光下解鎖iPhone X時，光線是一個問題。

Cambou說：“問題在于近紅外光投射點與太陽或任何其他光源的環境光的對比。但太陽通常是最大的問題。” 因此，蘋果通過采用SOI晶圓來提高近紅外的對比度是至關重要的。

當被問及意法半導體的近紅外圖像傳感器是否使用FD-SOI或SOI晶圓時，Cambou表示，研究公司目前還無法判斷。

Apple iPhone X 3D攝像頭（TrueDepth）中的近紅外圖像傳感器

至于近紅外圖像傳感器，我們是否已知蘋果是使用850納米還是940納米波長的近紅外？

Cambou指出，“我們無法確定哪一個。”然而，他推測，“蘋果最有可能像其他人（例如英特爾的RealSense、Facebook、宏達電等）一樣使用850納米，但意法半導體以開發940納米SPAD光子探測器聞名，所以他們打算在未來轉向這個波長是可能的。”

當被問及拆解的意外發現時，Cambou舉出意法半導體的近紅外圖像傳感器的尺寸。它的尺寸為25mm^2，由于2.8μm的大型像素尺寸，僅有140萬像素。 Cambou指出：“盡管如此，在這個類別中，與通常使用3.0μm到5μm的競爭者相比，這個像素被認為是‘小的’。”

新時代的開始

Yole將iPhone X定位為3D成像新時代的開始。

Cambou同時還認為，蘋果正在為近紅外圖像傳感器打造未來。顛出上周宣布收購InVisage Technologies公司的動態，他表示：“我認為，蘋果希望InVisage提供近紅外圖像傳感器功能，盡管可能好幾種方式可以來解釋這一收購。”

Cambou不相信InVisage能夠在性能方面與意法半導體的產品相匹配，但它可以為小型化提供解決方案。他提到：”因此，人臉識別技術可以縮小到其它產品，如增強現實（AR）頭戴式設備。”

商業影響

一方面，蘋果的iPhone X正為如Soitec等SOI晶圓制造商創造巨大的商機。同樣重要的是，它已經觸發意法半導體別具意義的復出。 Cambou相信意法半導體將成為新興的ToF攝像頭市場的一員。

當然，半導體業務往往受到短暫的繁榮和蕭條循環的影響。但是，在移動電話市場上失去諾基亞之后，業務急劇萎縮的意法半導體“已經完成了一個非常優雅的過渡”，Cambou觀察。

意法半導體創造了不同類型的圖像傳感器應用：從CMOS圖像傳感器轉向未來的近紅外圖像傳感器和SPAD傳感器，同時利用其資產和內部發展的基礎技術。