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在消費(fèi)和移動領(lǐng)域,3D傳感仍然是重要的收入來源。根據(jù)Yole Group發(fā)布的《2025年3D成像與傳感》報(bào)告,預(yù)計(jì)到2029年,該市場規(guī)模將超過75億美元。智能手機(jī)在2024年約占總銷量的84%,銷量超過5億部。蘋果公司持續(xù)引領(lǐng)著前置3D傳感系統(tǒng)的架構(gòu)發(fā)展。
與此同時(shí),多家公司正在開發(fā)基于超材料(metamaterials )的超表面(metasurfaces)技術(shù),并將其應(yīng)用于工作在單一近紅外(NIR)波長的3D傳感模塊中。因此,預(yù)計(jì)移動領(lǐng)域?qū)⒊蔀槭杖朐鲩L的主要驅(qū)動力,預(yù)計(jì)到2029年,移動領(lǐng)域的收入將達(dá)到4.43億美元,這主要得益于超表面技術(shù)在用于自動對焦輔助的dToF多區(qū)域陣列模塊和人臉識別模塊中的集成應(yīng)用。平板電腦領(lǐng)域預(yù)計(jì)也將帶來進(jìn)一步的增長,因?yàn)槠桨咫娔X采用的模塊架構(gòu)與智能手機(jī)類似。
人臉識別模塊的演變
多年來,蘋果面臨的主要挑戰(zhàn)之一就是縮小 iPhone 正面劉海的尺寸。
在 iPhone 13 中,蘋果將 Face ID 系統(tǒng)整合到一個(gè)模塊中,把點(diǎn)陣投影器和近紅外攝像頭合二為一。這一改進(jìn)顯著縮小了劉海尺寸,從 iPhone 12 的 35 毫米縮小到 27 毫米。
iPhone 14 延續(xù)了這一勢頭,減少了屏幕面積的損失:它消除了 RGB 攝像頭模塊和 Face ID 模塊之間的縫隙,將 Coherent 提供的接近傳感器移到了屏幕下方,并將劉海縮小到 21 毫米。
iPhone 15 在保持與 iPhone 14 相同劉海尺寸的同時(shí),將距離傳感器集成到了 Face ID 模塊中。LG Innotek 負(fù)責(zé) Face ID 和距離傳感器的封裝,首次將它們合二為一。蘋果似乎找到了最適合這款 3D 感應(yīng)模塊的組合方案,因?yàn)榇撕笤撛O(shè)計(jì)一直沿用至今。
在 iPhone 17 中,蘋果將 RGB 攝像頭與 Center Stage 功能相結(jié)合,采用了一顆 2400 萬像素的中心成像傳感器 (CIS)。這一策略性舉措讓用戶無需旋轉(zhuǎn)手機(jī)即可獲得更大的取景靈活性。此次升級使攝像頭模塊面積增加了 39%。為了彌補(bǔ)這一變化,蘋果進(jìn)一步縮小了 Face ID 模塊的體積,如下圖所示(Face ID 模塊橫截面圖),與 iPhone 16 Pro 相比,其尺寸有所縮小。這種更高的集成度得益于意法半導(dǎo)體 (STMicroelectronics) 提供的堆疊式近紅外 (NIR) CIS。
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衍射光學(xué)元件的演變
超表面技術(shù)正由蓬勃發(fā)展的初創(chuàng)企業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā),例如Metalenz和NILT Technology(Radiant Opto-Electronics)。作為主要的設(shè)計(jì)者和技術(shù)推動者,這些公司在市場教育和展示基于超表面的器件性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。他們的努力得到了晶圓級制造合作伙伴和半導(dǎo)體制造商(例如意法半導(dǎo)體)以及包括臺積電和聯(lián)電在內(nèi)的代工廠生態(tài)系統(tǒng)的支持。
在 Yole Group 的蘋果 iPhone 17 Face ID報(bào)告中,我們的分析師揭示了蘋果 3D 傳感路線圖的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn):iPhone 首次采用基于納米柱的衍射光學(xué)元件 (DOE)(如下圖所示)。這種新一代架構(gòu)利用一塊刻有數(shù)百萬個(gè)硅納米柱的單層玻璃基板。通過精確調(diào)節(jié)這些超原子的大小、形狀和位置,超表面能夠高效、精準(zhǔn)地控制 VCSEL 發(fā)射器的光線方向,從而將光學(xué)集成度和可制造性提升到一個(gè)新的水平。
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這種超表面衍射光學(xué)元件(DOE)與自iPhone 13以來采用的上一代技術(shù)截然不同,后者依賴于兩塊高純度熔融石英板。除了簡化光學(xué)堆疊結(jié)構(gòu)外,Yole Group估計(jì),這一轉(zhuǎn)變還能帶來高達(dá)約73%的成本降低,為高性價(jià)比、高性能的結(jié)構(gòu)光投影樹立了新的標(biāo)桿。
值得注意的是,這種新設(shè)計(jì)還在芯片上集成了一種創(chuàng)新的護(hù)眼機(jī)制:一個(gè)連接到引線框架的銅電阻,旨在防止在DOE損壞時(shí)VCSEL被激活,這體現(xiàn)了蘋果公司在不影響性能的前提下,持續(xù)關(guān)注安全性的理念。iPad Pro M4 DOE架構(gòu)中也采用了類似的護(hù)眼設(shè)計(jì)理念。
同樣,我們之前發(fā)布的報(bào)告分析了基于超表面的 DOE 技術(shù)。iPhone 17 的解決方案基于相同的底層技術(shù),其高度重復(fù)的圖案尤為突出,我們的團(tuán)隊(duì)對其進(jìn)行了測量和識別,從而為蘋果的設(shè)計(jì)選擇提供了新的見解。
近紅外CIS的演變
過去八年,F(xiàn)ace ID 模塊一直沿用相同的正面照相式 (FSI) 近紅外 CMOS 圖像傳感器,其良率約為 88%(相比之下,新型堆疊式 BSI CIS 的良率約為 80%)。在 iPhone 17 中,意法半導(dǎo)體 (STMicroelectronics) 通過采用堆疊式 CIS 架構(gòu)增強(qiáng)了紅外光采集能力。這種更新后的設(shè)計(jì)采用了背面深溝槽隔離 (B-DTI) 技術(shù)來提高像素效率,并結(jié)合金屬-絕緣體-金屬 (MIM) 電容器來提升電荷處理能力。
雖然堆疊式 BSI CIS 的芯片面積較小(從大約 21 平方毫米到 27 平方毫米),但其更先進(jìn)的工藝節(jié)點(diǎn)和更多的金屬層顯著增加了前端晶圓成本,使其比上一代 FSI 貴了約 55%。
下一步:這意味著什么?
蘋果首次將超表面光學(xué)元件集成到智能手機(jī)供應(yīng)鏈中,標(biāo)志著超光學(xué)技術(shù)在大規(guī)模智能手機(jī)供應(yīng)鏈中邁出了關(guān)鍵一步。隨著光學(xué)堆棧的簡化和制造生態(tài)系統(tǒng)的成熟,超表面技術(shù)有望超越結(jié)構(gòu)光投影,涵蓋更廣泛的功能。
蘋果公司持續(xù)改進(jìn)其3D成像模塊的性能和集成度。與此同時(shí),其他解決方案,例如Metalenz公司近期發(fā)布的Polar ID,預(yù)計(jì)將在消費(fèi)市場涌現(xiàn)。
(來源:編譯自yole)
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