蘋果Face ID，巨變

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在消費和移動領域，3D傳感仍然是重要的收入來源。根據Yole Group發布的《2025年3D成像與傳感》報告，預計到2029年，該市場規模將超過75億美元。智能手機在2024年約占總銷量的84%，銷量超過5億部。蘋果公司持續引領著前置3D傳感系統的架構發展。

與此同時，多家公司正在開發基于超材料（metamaterials ）的超表面（metasurfaces）技術，并將其應用于工作在單一近紅外（NIR）波長的3D傳感模塊中。因此，預計移動領域將成為收入增長的主要驅動力，預計到2029年，移動領域的收入將達到4.43億美元，這主要得益于超表面技術在用于自動對焦輔助的dToF多區域陣列模塊和人臉識別模塊中的集成應用。平板電腦領域預計也將帶來進一步的增長，因為平板電腦采用的模塊架構與智能手機類似。

人臉識別模塊的演變

多年來，蘋果面臨的主要挑戰之一就是縮小 iPhone 正面劉海的尺寸。

在 iPhone 13 中，蘋果將 Face ID 系統整合到一個模塊中，把點陣投影器和近紅外攝像頭合二為一。這一改進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，將距離傳感器集成到了 Face ID 模塊中。LG Innotek 負責 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 感應模塊的組合方案，因為此后該設計一直沿用至今。

在 iPhone 17 中，蘋果將 RGB 攝像頭與 Center Stage 功能相結合，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手機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%。為了彌補這一變化，蘋果進一步縮小了 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體 (STMicroelectronics) 提供的堆疊式近紅外 (NIR) CIS。

衍射光學元件的演變

超表面技術正由蓬勃發展的初創企業生態系統進行開發，例如Metalenz和NILT Technology（Radiant Opto-Electronics）。作為主要的設計者和技術推動者，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揮著關鍵作用。他們的努力得到了晶圓級制造合作伙伴和半導體制造商（例如意法半導體）以及包括臺積電和聯電在內的代工廠生態系統的支持。

在 Yole Group 的蘋果 iPhone 17 Face ID報告中，我們的分析師揭示了蘋果 3D 傳感路線圖的一個重要轉折點：iPhone 首次采用基于納米柱的衍射光學元件 (DOE)（如下圖所示）。這種新一代架構利用一塊刻有數百萬個硅納米柱的單層玻璃基板。通過精確調節這些超原子的大小、形狀和位置，超表面能夠高效、精準地控制 VCSEL 發射器的光線方向，從而將光學集成度和可制造性提升到一個新的水平。

這種超表面衍射光學元件（DOE）與自iPhone 13以來采用的上一代技術截然不同，后者依賴于兩塊高純度熔融石英板。除了簡化光學堆疊結構外，Yole Group估計，這一轉變還能帶來高達約73%的成本降低，為高性價比、高性能的結構光投影樹立了新的標桿。

值得注意的是，這種新設計還在芯片上集成了一種創新的護眼機制：一個連接到引線框架的銅電阻，旨在防止在DOE損壞時VCSEL被激活，這體現了蘋果公司在不影響性能的前提下，持續關注安全性的理念。iPad Pro M4 DOE架構中也采用了類似的護眼設計理念。

同樣，我們之前發布的報告分析了基于超表面的 DOE 技術。iPhone 17 的解決方案基于相同的底層技術，其高度重復的圖案尤為突出，我們的團隊對其進行了測量和識別，從而為蘋果的設計選擇提供了新的見解。

近紅外CIS的演變

過去八年，Face 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，意法半導體 (STMicroelectronics) 通過采用堆疊式 CIS 架構增強了紅外光采集能力。這種更新后的設計采用了背面深溝槽隔離 (B-DTI) 技術來提高像素效率，并結合金屬-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），但其更先進的工藝節點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元件集成到智能手機供應鏈中，標志著超光學技術在大規模智能手機供應鏈中邁出了關鍵一步。隨著光學堆棧的簡化和制造生態系統的成熟，超表面技術有望超越結構光投影，涵蓋更廣泛的功能。

蘋果公司持續改進其3D成像模塊的性能和集成度。與此同時，其他解決方案，例如Metalenz公司近期發布的Polar ID，預計將在消費市場涌現。

（來源：編譯自yole）

*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯系半導體行業觀察。

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