盤點∣2017年智能手機的感測器創新應用
匆匆一年，農曆「機」年即將過去，這一年各大智能手機廠商在感測器的創新應用亮點頗多，讓人腦洞大開。繼上一篇《盤點 2017年中國MEMS領域的重要投融資事件》後，麥姆斯諮詢奉上第二波：對2017年智能手機的感測器創新應用的盤點。隨著2018年CES上vivo首爆屏下指紋識別手機即將成真，不得不感嘆這個行業的創新能力可謂是2017年生「機」勃勃，2018年更加「旺旺旺」！
感測器創新應用亮點：嵌入SCiO分子感測器，掃一掃化學成分盡收眼底
手機發布時間：2017年1月
長虹發布的首款旗艦級智能手機H2
美國時間2017年1月6日，在拉斯維加斯CES 2017展會現場，長虹公司發布了全球首款分子識別手機——長虹H2。通過分子識別手機，用戶能快速檢測果蔬糖分、水分、藥品真偽，以及皮膚年齡和酒水類等物質。
長虹H2分子識別手機的核心功能
長虹H2集成了Consumer Physics公司SCiO分子感測器。Consumer Physics公司的SCiO分子感測器是一款攜帶型光譜儀，只需對著物品輕輕一掃，就能馬上提供化學成分等有用信息。同時，Consumer Physics公司和亞德諾半導體（Analog Devices）共同合作開發從感測器到雲端的平台，將這項技術嵌入到智能手機、可穿戴設備、工業和醫療等領域，允許用戶快速、可靠地檢測出化學成分，類似於質量控制，可以檢測很多化學成分，如卡路里、脂肪、糖分、蛋白質；水果和蔬菜中的含糖量；飲料酒精含量；燃料和石油的化學成分……
一款SCiO分子感測器（攜帶型光譜儀）拆解分析
來源：《Consumer Physics公司SCiO分子感測器：攜帶型光譜儀》
SCiO分子感測器背後的科學依據是近紅外光譜技術（NIR）。近紅外光譜技術原理基於每一種獨特的分子振動，與光相互作用形成獨一無二的信號，這個信號需要通過使用光學感測器和信號調理器件來識別，使用高級演算法更新資料庫來分析光譜，並實時傳遞樣品分析信息。SCiO開發包（SCiO Developer Kit）可以幫助感興趣的開發人員開發自定義應用程序。
感測器創新應用亮點：AR/VR通吃，顛覆使用體驗
手機發布時間：2017年1月
華碩智能手機ZenFone AR
2017年國際消費性電子展（CES）上，華碩發布了ASUS ZenFone AR ，這是全球首款同時支持 Tango 技術和 Daydream 技術的智能手機，不僅可透過運動追蹤（motion tracking）、深度感知（depth perception）和區域學習（area learning）體驗增強現實（AR），還可與 Google 平台相容，實現高品質的移動虛擬現實（VR）。
Tango源自於Google Advanced Technology and Projects group（ATAP），是谷歌為實現移動設備位置感知而研發的一系列產品與技術的集合。其核心技術主要包括三部分：（1）運動追蹤（Motion Tracking）：通過移動設備自帶的多種感測器，在不通過外界信號的情況下（如GPS、WiFi、藍牙Beacon等），實時獲取設備的姿態與位置，追蹤設備在三維空間中的運動軌跡。（2）環境學習（Area Learning）：利用視覺信息記錄與索引外界環境，自動矯正環境構建與運動追蹤中積累的誤差，識別重複環境。（3）深度感知（Depth Perception）：利用自帶的景深感測器掃描外界三維環境，構築三維模型，再配合運動追蹤，即可告訴設備在空間中的位置，與四周障礙物的距離。第一代的Tango原型平板採用了結構光（Structured Light）技術，而第二代的Tango原型手機以及Phab 2 Pro則採用了飛行時間（Time of Flight）技術。
Tango核心技術示意圖
Daydream（意為「白日夢」）是一個虛擬現實（VR）平台，由Google為第七代Android移動操作系統——Android Nougat開發。最初於2016年5月舉行的Google I/O開發者大會上宣布。與Google的第一代VR平台Google Cardboard不同，Daydream自Android 7.1 Nougat起便集成在Android操作系統中。Daydream平台規範包括軟體和硬體兩方面，與之兼容的手機標識為「Daydream-ready」。
感測器創新應用亮點：三層堆疊式CMOS圖像感測器，提升高速動作的捕捉能力
手機發布時間：2017年2月
索尼智能手機Xperia XZ Premium
索尼率先將自家研發的業內首款面向智能手機的三層堆疊式CMOS圖像感測器IMX400（名為「Motion Eye」）配置在2017年款的Xperia旗艦機型中。採用F2.0光圈，感測器尺寸為1/2.3英寸，不過由於像素數相比上代有所降低至1900萬有效像素，所以單位像素尺寸提升為1.22μm，更大的感測器尺寸和光圈可以在低照度條件下拍攝出更加出色的畫面。
索尼CMOS圖像感測器晶元IMX400的三層堆疊結構
全新的三層堆疊式CMOS圖像感測器在傳統的背照式CMOS圖像感測器層和邏輯處理技術層上添加了一個DRAM層。此外還具有960fps畫面更新率。DRAM層在整個CMOS圖像感測器中充當緩存，用於存儲像素層獲取到的圖像數據，因此大幅提升了CMOS圖像感測器處理數據的速度，允許用戶以最小的失真來拍攝快速移動物體的靜態照，此外還支持每秒1000幀拍攝1080P超慢速動作電影，是索尼IMX318晶元的8倍。該晶元還支持每秒60幀的4K視頻錄製。全新的三層晶元能夠在1/120秒內讀取1930萬像素圖片，是IMX318晶元的4倍。這減少了讀取每個像素行的時間間隔。這對於缺乏機械快門來控制曝光的智能手機尤其重要。
感測器創新應用亮點：硬體級虛化，四攝拍照更美
手機發布時間：2017年5月
金立智能手機S10聚焦年輕人群，由薛之謙代言
為了獲得更清晰的畫面，金立S10搭載前置2000萬+800萬雙攝，後置1600萬+800萬雙攝。其中1600萬像素的主攝像頭搭載6P鏡頭模組和高達F1.8的最大光圈，讓金立S10得以輕鬆應對各種暗光環境拍攝，噪點更小，自拍時更顯自然。
金立S10虛化開啟前後拍照效果對比
在背景虛化方面，金立S10前後都配備了兩個可同時工作的攝像頭，通過成像的差異，計算不同物體的景深，從而把主體識別出來。主體數據和景深數據通過ISP處理，並在ISP的Hardware Engine（硬體引擎）內獨立運算併合成，做到主體突出、背景虛化。金立S10不僅擁有前置雙攝，還自帶一顆柔光燈，是一款不折不扣的自拍神器。
感測器創新應用亮點：人臉識別，安全可靠的新解鎖方式
手機發布時間：2017年9月
蘋果十周年版iPhone X攜3D攝像頭，重新定義下一代智能手機
iPhone X採用結構光原理的3D攝像頭系統，主要由近紅外攝像頭、ToF測距感測器+紅外泛光照明器、RGB攝像頭、點陣式投影器和彩色/環境光感測器五個子模塊組成。連接到ToF測距感測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。然後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路訓練識別手機用戶並開啟手機。
蘋果iPhone X近紅外3D攝像頭拆解和圖像感測器逆向分析
3D攝像頭實現Face ID功能，實現了人機最自然的交互方式——看一眼就實現開機、付款等功能。這是一套強大、安全的驗證系統，用起來甚至比Touch ID還要便捷、快速。注視感知功能的加入使得Face ID非常安全，用戶可以放心將它用於Apple Pay。
感測器創新應用亮點：改善環境光感測能力，真實還原色彩
手機發布時間：2017年9月
ams為iPhone X定製開發的多光譜感測器
來源：《蘋果iPhone X中的ams多光譜感測器》
蘋果與ams（艾邁斯）合作，為智能手機iPhone X定製開發了一款多光譜感測器，以達到改善環境光感測能力的目的。該款多光譜感測器位於iPhone X手機正面，主揚聲器上方。其架構使得其能感應很寬的光譜，結合擴散片（diffuser），6通道感測器晶元能感測紫外光、紅光、綠光、藍光、近紅外1（NIR1）和近紅外2（NIR2）。這使得iPhone X可利用該感測器感知環境的相關色溫（CCT）水平，進而調整顯示顏色和亮度。
以往屏幕色彩管理大都採用RGB顏色感測器， RGB並不是從人眼真實的色彩感覺出發，而是通過紅綠藍三色調和出的各種顏色，來「欺騙」人眼和大腦，對真實色彩的還原度誤差在10~15%之間。XYZ是人眼標準反應曲線的模型，同時也展現了視網膜的長、中、短感光錐細胞對於光的光譜功率分布反應。雖然紅、綠、藍被視為可視光譜的代表，但它與實際的RGB顏色分布並不符合。
XYZ感測技術可實現如同人眼般的色彩感知
ams為iPhone X定製的這款多光譜感測器則是創新地採用XYZ感測技術。XYZ感測技術根據環境的相關色溫（CCT）和亮度調節顯示屏的色溫（變暖或變冷）和亮度，使顯示屏的顯示效果看起來像紙張；通過高質量的校準提升顯示器的白平衡和圖像逼真度；相機可得到更逼真的、幾乎零顏色失真的圖像，白平衡性能可與專業級攝影設備媲美。
感測器創新應用亮點：單手握持式操作，更符合人體工學
手機發布時間：2017年10月
Google Pixel 2
Google Pixel 2上炫酷的功能，源自於HTC的邊緣觸控（Edge Sence）。通過用力按壓手機的兩側邊框，Google Pixel 2可以快速打開智能語音助手Google Assistant。
邊緣觸控功能可快速打開智能語音助手
智能手機邊緣觸控並非新鮮功能，但以前的手機都是採用電容式壓力感應技術。Google Pixel 2的邊緣觸控（Active Edge0的功能而是由一對柔性薄膜壓力感測器實現。壓力感測器通過在電路板基材上印刷了一種特殊的高靈敏度壓阻式柔性材料。在受力產生拉伸或壓縮時，電阻值會發生顯著變化，因而可以用作壓力感測器。而這款柔性薄膜壓力感測器則來自深圳紐迪瑞的NDT邊緣觸控解決方案。
深圳紐迪瑞的NDT邊緣觸控解決方案已得到Google的認可
這款NDT微壓力應變器的應變係數為傳統應變片的5倍，最小激發力50g，壓力解析度15g（1mm玻璃面板），靈敏度更高。從原理上，對比電容式壓力感測器的雙層極板結構，微壓力應變器技術可以直接檢測發生在觸控面板的微小形變，無需與系統內其他結構部件產生關聯，實現獨立模組化。這種單層結構的壓力感應解決方案極大降低了手機堆疊設計的難度，同時在可量產性和產品可靠性上也可以實現大幅提升，實現壓力感測器的即貼即用。在成本方面，NDT微壓力應變器不存在電容感測器具有的生產過程一致性難以保證、跌落或者扭曲會改變參數需要重新校準、返修複雜等問題，工程難度更低，穩定性更高，壽命周期更長，因而具有綜合成本優勢。
感測器創新應用亮點：安卓陣營的人臉識別領跑者
手機發布時間：2017年11月
華為榮耀V10發布會現場
與iPhone X直接將3D深度攝像系統集成到了手機頂部不同，榮耀V10的3D人臉識別功能需要搭配額外的手機配件——全球首款「激光散斑結構光」手機配件Jupiter X（供應商舜宇光學的內部料號），華為稱之為「點雲深度攝像頭」的輔助。單純從外形看，Jupiter X只是一個獨立於手機系統之外的配件，但不可否認的是，這款配件是當下除了蘋果 TrueDepth 攝像頭之外唯一應用在手機上的 3D 人臉識別配件產品，可以說華為已經是安卓陣營的領跑者了。
華為榮耀V10 「激光散斑結構光」配件Jupiter X的外觀
華為榮耀V10 「激光散斑結構光」配件Jupiter的內部結構剖析
3D深度攝像系統有通過雙攝像頭的雙目視差原理通過三角測量法，或者通過結構光來獲得空間編碼，通過三角測量法來獲得深度信息，抑或是飛行時間法（ToF）。不過，華為這款配件採用了一種激光散斑結構光來獲得深度信息。那麼它的原理呢？當激光通過粗糙透明表面（如毛玻璃）並投射在物體表面時，在物體表面可以觀察到無規則分布的明暗斑點，即激光散斑。這種激光散斑的產生是當激光照射在粗糙表面上時，表面上每一點都要散射光，而空間個點都接收這些相干散射光的照射就形成了激光散斑，散斑場按光路分為兩種，一種散斑場是在自由空間中傳播而形成的（也稱作客觀散斑），另一種是由透鏡成像形成的（也稱作主觀散斑）。而對於空間各點形成的激光散斑，其中包含了空間每點的深度信息，通過紅外攝像頭來捕獲所形成的散斑，通過特徵的提取，分類器的訓練，最終可以獲得關於空間每點所形成的散斑中所包含的深度信息。
感測器創新應用亮點：三重識別，安全保障升級
手機發布時間：2017年12月
國美U7具備虹膜、人臉、指紋三重生物認證
國美U7是國內唯一一款搭載三重生物識別的全面屏手機，可謂在安全和隱私保護方面下足了本錢。除了常見的指紋認證以外，基於面部識別的Face-Me 2.0技術實現了應用鎖、鎖定查看、通訊隱身等功能，更強保護用戶隱私，化解社交尷尬。例如在圖庫和微信下，可以單圖、多圖限定啟動「鎖定查看」功能，這樣在借閱手機時，別人就只能查看限定內容，而機主則可經人臉識別後，自由翻閱。而當有來電和新消息時，只有預先錄入人臉識別的機主才能看到詳情。
虹膜里隱藏的「密碼」
基於虹膜識別的鑰匙串技術則充當了用戶各類密碼的「萬能鑰匙」。能夠幫助用戶存儲各類APP的用戶名和密碼，還能自動填寫。用戶只要接受虹膜掃描就相當於完成密碼輸入的動作，解決了忘記密碼、密碼太多、輸入麻煩等不便，更不用擔心因為自動記憶密碼導致的隱私外泄問題。
關於麥姆斯諮詢
中國首家MEMS諮詢服務公司——麥姆斯諮詢（MEMS Consulting）成立於2012年9月，在上海、無錫和蘇州設有辦公室，致力於推動物聯網產業發展，打造全方位MEMS服務平台，成為全球知名行業調研機構。麥姆斯諮詢通過建設核心資料庫，開拓國際產業合作，把握MEMS發展趨勢，為客戶提供科技報告、市場服務、行業會議、培訓課程、知識產權服務、金融服務等，業務遍及全球，客戶來自中國、台灣、加拿大、美國、埃及、德國、法國和瑞士等國家。
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