蘋果Face ID，巨變

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在消費(fèi)和移動(dòng)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(chǎng)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(zhǎng)的3D傳感模塊中。因此，預(yù)計(jì)移動(dòng)領(lǐng)域?qū)⒊蔀槭杖朐鲩L(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力，預(yù)計(jì)到2029年，移動(dòng)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(dòng)對(duì)焦輔助的dToF多區(qū)域陣列模塊和人臉識(shí)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(zhǎng)，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(shí)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(shì)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(jí)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。

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(dòng)者，這些公司在市場(chǎng)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(jí)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(tái)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。

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(jiǎn)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(duì)其進(jìn)行了測(cè)量和識(shí)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(jiǎn)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(chǎng)涌現(xiàn)。

（來源：編譯自yole）

*免責(zé)聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內(nèi)容系作者個(gè)人觀點(diǎn)，半導(dǎo)體行業(yè)觀察轉(zhuǎn)載僅為了傳達(dá)一種不同的觀點(diǎn)，不代表半導(dǎo)體行業(yè)觀察對(duì)該觀點(diǎn)贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導(dǎo)體行業(yè)觀察。

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