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          光學攝像頭產業鏈匯總!

          作者:ITTBANK ittbank 瀏覽:352 發表時間:2020-03-01 10:38:15 來源:https://mp.weixin.qq.com/s/KyJPhntN7UXTusB_s3J0yA

          光學行業發展到今天出現了新的動向,3D Sensing 與三攝、潛望式成為未來創新的重點。


          3D Sensing 正逐步取代指紋識別成為手機標配。三攝像頭和潛望式則在雙攝的基礎上再次大幅提升拍照質量,有望在華為、OPPO 的帶動下成為下一階段的發展趨勢。


          光學新動向精彩紛呈

          光學始終是智能手機創新的主戰場


          光學創新因為能給用戶帶來非常直觀而明顯的體驗提升,成為各大手機廠商進行差異化競爭的焦點,也讓光學成為智能手機創新的主戰場之一。


          回顧歷史,我們發現圍繞著帶來更好的拍照體驗這個目標,光學經歷了像素升級、光學防抖、大光圈、長焦鏡頭、光學變焦、多透鏡設計、雙攝像頭等多種創新,其中以像素升級和雙攝像頭最為典型。


          iPhone 作為智能手機的開創者和標桿,其像素升級歷史最為典型。


          第一代 iPhone 的后置攝像頭像素只有 200 萬,隨后逐步升級到現在的 1200 萬;


          前置攝像頭則從 iPhone 4 的 30 萬像素,逐步升級到了現在的 700 萬像素。


          在蘋果的帶動之下,安卓手機廠商也積極升級手機攝像頭像素,并在2011-2015 年形成了“像素大戰”。


                                                    ▲iPhone 的攝像頭像素不斷升級

          雙攝像頭則是光學的另一重大升級。


          華為在 2016 年 4 月發布與德國徠卡合作的旗艦手機 P9,開創智能手機的雙攝浪潮。


          P9 配備雙 1200 萬像素后置攝像頭,兩顆攝像頭分別負責彩色和黑白功能。


          彩色攝像頭用來獲取物體的色彩,而黑白攝像頭用來獲取物體的細節,然后將兩個圖片融合為一張最終的圖片。


          蘋果則在 2016 年 9 月發布了配備雙攝像頭的 iPhone 7 Plus。iPhone 7 Plus 采用廣角+長焦鏡頭,通過左右攝像頭使用不同的 FOV(可視角),使兩個攝像頭取景不同。


          當拍近景時,使用廣角鏡頭,拍遠景時,使用長焦鏡頭,從而實現光學變焦功能。


          光學行業發展到今天出現了新的動向,三攝像頭、潛望式攝像頭與 3D Sensing 成為行業下一階段創新的重點。


          三攝像頭則在雙攝的基礎上再次大幅提升拍照質量,有望在華為的帶動下成為下一階段的發展趨勢;


          潛望式攝像頭由于可以實現遠距離光學變焦,有望在 2019 年迎來大發展;


          3D Sensing因為具備更高的安全性,并且可以帶來 VR/AR 等更大的創新潛力,正逐步取代指紋識別成為手機標配。


          三攝滲透率有望快速提高


          華為在 2018 年發布的 P 系列和 Mate 系列兩大旗艦機中均采用了三攝像頭設計。


          P20 Pro 與 Mate20 Pro 均配備一顆 4000 萬像素的主攝像頭、一顆 2000 萬像素的副攝像頭、一顆 800 萬像素的遠攝像頭,三顆攝像頭分別起到彩色廣角、黑白廣角、彩色長焦的功能。


          三攝的第一大優勢是暗光場景下的強大拍照能力,這個時候使用的是彩色+黑白兩顆攝像頭,彩色攝像頭用于成像,黑白攝像頭用于捕捉細節。




                                                    ▲像素 4 合 1 可以大幅提升感光能力


          三攝的第二大優勢是變焦能力。


          華為 P20 Pro 提供了 3 倍光學變焦和 5倍三攝變焦兩種變焦模式,其中 3 倍光學變焦用到長焦+黑白兩顆攝像頭,5倍三攝變焦則要分別用到彩色+黑白和廣角+黑白兩種模式。


          三攝像頭一方面可以大幅改善成像質量,提供更好的光學變焦功能,另外一方面是對雙攝的進一步升級,在硬件和算法的層面擁有更好的基礎,可以更快地完成滲透。


          我們預計在華為的引領下,2019 年將有包括蘋果、三星、OPPO、vivo、小米等眾多廠商開始使用三攝像頭。



          潛望式攝像頭有望在 2019 年快速滲透


          潛望式攝像頭是指將鏡頭與手機平面垂直放置的攝像頭。


          OPPO 是最早推出潛望式攝像頭的手機廠商,其在 2017 年的 MWC 上首次展示了潛望式攝像頭技術。


          區別于傳統雙攝鏡頭的并列排布,OPPO 將長焦鏡頭橫向排列,與廣角鏡頭形成垂直布局,由特殊的光學三棱鏡讓光線折射進入鏡頭組,實現成像。


                                                    ▲OPPO 的潛望式攝像頭設計

          潛望式攝像頭最大的優勢是可以實現高倍數的光學變焦。變焦就是改變焦距,從而得到不同寬窄的視場角、不同大小的影像和不同的景物范圍。


          變焦通常有數碼變焦和光學變焦兩種方式,其中數碼變焦是通過數碼相機內的處理器,把圖片內的每個像素面積增大,從而達到放大目的;


          光學變焦是依靠鏡頭中鏡片的移動(改變鏡片之間的距離),進而改變鏡頭的焦距,實現變焦。


                                                   ▲通過鏡頭的移動實現光學變焦


          由于智能手機需要保持輕薄,而使用伸縮式攝像頭會大幅增加手機的厚度,并且難以防水防塵,所以內變焦是手機實現光學變焦的主要方式。


          但由于手機厚度有限,水平放置的攝像頭只能有較小的焦距,光學變焦能力有限,所以通過采用潛望式攝像頭的設計,能大幅增加攝像頭的焦距,實現更好的光學變焦。


          3D Sensing 快速滲透,行業規模不斷增長


          3D Sensing 是指獲取周圍環境的三維信息來進行識別的功能,被廣泛應用于工業、醫療、交通、科研、國防等領域中,例如無人駕駛所使用的激光雷達就是 3D Sensing 的一個典型應用。


          隨著技術的進步,3D Sensing 逐步實現了小型化、低功耗,可以開始用于手機等消費級的電子產品中。


          當用于手機時,具有安全性高、使用簡便、適合全面屏設計等優點,可以完美取代手機中的指紋識別解鎖。


          蘋果在 2017年 9 月發布的 iPhone X 中首次配備 3D Sensing 功能,并命名為 Face ID,并在 2018 年 9 月發布的 iPhone XR、iPhone XS、iPhone XS Max 中全面配備 3D Sensing。


          蘋果在 2018 年 10 月 30 日發布的最新款 iPad Pro 中,同樣去掉了指紋識別模塊,轉而使用 3D Sensing 功能,我們認為這將成為蘋果在 iPad 產品系列中全面使用 3D Sensing 的開始,未來 3D Sensing 將成為 iPad 的標配。


          預計蘋果未來將在旗下產品中全線配備 3D Sensing 功能,由于蘋果產品的出貨量,未來 3D Sensing 將迎來廣闊的發展空間。


          三攝+潛望式:

          打開產業鏈成長新空間


          手機攝像頭主要由光學鏡頭(Lens)、音圈馬達(VCM)、紅外濾光片(IRCF)、圖像傳感器(Sensor)等組成。


          三攝相比單攝和雙攝分別增加兩顆和一顆攝像頭,潛望式則需要增加一組鏡片和折射鏡頭,將給整個攝像頭產業鏈帶來新的市場空間,產業鏈相關企業將迎來新的成長動力。


          從手機攝像頭產業鏈的價值量分布來看,CIS 圖像傳感器占據了 52%的價值量,是價值量最高的部件;


          光學鏡頭和模組的價值量占比分別達到了19%和 20%,兩者旗鼓相當,僅次于 CIS 圖像傳感器;


          音圈馬達和紅外截止濾光片的價值量占比分別達到 6%和 3%,價值量較少。


                                                                  ▲手機攝像頭的結構示意圖


                                                     ▲手機攝像頭的主要部件價值量占比


          1.光學鏡頭


          設計和制造難度大,經驗積累是關鍵。


          光學鏡頭的主要作用是利用光的折射和反射原理,搜集被拍攝物體的反射光并將其聚焦于圖像傳感器上。


          手機攝像頭使用的鏡頭主要有塑膠和玻璃兩種材質。塑膠鏡頭透光率不如玻璃鏡頭,但成型更為容易、良率較高、成本較低,通過不同形狀的塑膠鏡頭進行組合,也可以達到非常好的成像效果,所以手機攝像頭使用都是塑膠鏡頭。


                                                                                     ▲塑膠鏡頭的綜合實力優于玻璃鏡頭

          衡量鏡頭解析力的常用指標是 MTF(Modulation Transfer Function,調制轉換函數),它衡量的是鏡頭對對比度的還原情況。


          理想鏡頭的還原情況可以達到 100%,最差的鏡頭無法還原對比度,所以 MTF 的值位于 0—1 區間內。MTF 的值越大,表明鏡頭的解析力越好。


          在手機可見光攝像頭中,盡管玻璃材料的透光量要好于塑膠鏡頭,但塑膠易于成型,可以組成各種所需要的組合,對光線的控制也更優,所以塑膠鏡頭的 MTF 反而會大于玻璃鏡頭。


          基于此,塑膠鏡頭仍將是未來一段時間內手機可見光鏡頭的主流,但玻璃鏡頭或玻塑混合鏡頭大概率也將會占有一席之地。



                                                              ▲MTF 是鏡頭對對比度的還原情況的衡量


          光學鏡頭具有非常高的技術難度,目前能大批量穩定生產高品質鏡頭的廠商較為稀少。


          光學鏡頭的難點主要在于設計和制造環節。


          光學鏡頭的難點之一在于設計環節。設計環節需要的是多年的經驗積累,以及想象力的發揮,不僅僅是一門工程,更是一門藝術。


          每一個設計的光學鏡頭都可以專門申請專利,保護設計師的心血結晶。


          設計環節直接決定廠商能否生產某一規格的鏡頭,是進入這個行業的門票。


          光線在穿過鏡頭時,會發生非常復雜的折射過程才能到達圖像傳感器。


          這些復雜的折射過程會使圖像傳感器上的成像與根據高斯光學得到的理論結果產生差距,這就是像差。


          像差無法完全消除,所以這個世界不存在完美的鏡頭。


          光學設計就是通過組合不同形狀、不同數目的透鏡,實現對這些像差的控制,盡可能獲得盡可能完美的成像效果。


          但是因為像差實在太多,所以想實現完全的像差控制是不可能的,只能通過光學設計在眾多像差中取得平衡。


          光學設計不是工程,而是藝術,是對于美的理解,考驗的是光學設計師的經驗、天賦和靈感。


          萊卡和蔡司作為最優秀的光學廠商,引以為傲的正是其在光學設計上的深厚積累。


          華為與萊卡合作,主要的合作內容就是萊卡幫助華為改善光學設計。



                                                         ▲六種經典基礎光學設計方案


          光學鏡頭的難點之二在于制造環節。


          如果說設計解決的是鏡頭廠商能否生產的問題,那么制造環節就是決定生產良率和一致性的關鍵。


          在模具、成型、組裝等環節,對于生產精度都有非常高的要求,任何一個環節出現差錯都會對最后的成像效果產生非常大的影響。



                                                       ▲手機鏡頭的主要生產流程


          模具環節是塑膠鏡頭制造的最關鍵部分。


          模具的質量直接影響鏡片的成型,所以需要非常高精度的模具,不僅需要有經驗的設計人員來進行設計,還需要制造人員具有精密加工和檢測方面的基礎。


          在成型環節,材料發生了相變化、密度變化、溫度變化以及壓力變化,必須嚴格精確控制這些變量才能使透鏡擁有良好的光學特性,這對廠商的生產提出了極高的要求,不僅需要高精度的儀器,還需要有經驗的熟練工人才能完成操作,任何差錯都會影響最后的成像質量。


          組裝環節是按照順序逐一將加工完成的鏡片、隔片、壓圈等部件完成裝配,并實現光學性能的過程,目前主要通過自動化方式實現組裝。


          鏡頭組裝技術要點十分復雜,對部件加工精度、組裝精度具有極高的要求,整體公差一般不超過 3 微米,而大立光等企業甚至達到 2 微米。


                                                          ▲鏡頭組裝的基本流程


          光學鏡頭設計非常復雜,目前已知的像差就有數百種,仍有大量未知的像差不斷被發現,需要在設計中被考慮進去。


          光線的折射和反射路徑數不勝數,需要設計師去不斷計算和權衡。


          透鏡的形狀、位置、材料可以有無數種組合方式,讓設計師們有空間去不斷挖掘更好的設計。


          光學鏡頭行業永遠沒有進步的終點,永遠都有探索的空間。


          手機鏡頭的生產盡管不像相機鏡頭那么困難,但時間和經驗依然很重要。


          例如臺灣的大立光是最早開始研究塑膠鏡頭的廠商之一,成立至今已有接近 40 年的歷史。


          盡管塑膠鏡頭是在智能手機興起之后才開始蓬勃發展,但大立光在此之前已積累了接近 20 年,所以其他廠商始終難以企及大立光的鏡頭品質和生產良率,這也造就了大立光在手機鏡頭領域的霸主地位。


                                                    ▲2017 年各手機鏡頭廠商的市場份額


          2.音圈馬達


          總體技術難度不高,精度控制是關鍵。


          手機中控制鏡頭對焦的器件為音圈馬達(VCM)。


          單反相機的對焦是通過轉動鏡筒帶動鏡頭里某個鏡片或者某組鏡片前后移動,來修正光路,使成像落在感光元件上是最清晰的。


          普通的手機攝像頭無法做到像單反相機那樣移動某塊鏡片或者某組鏡片來對焦,因此手機攝像頭是通過鏡頭組整個前后移動實現自動對焦,驅動這一動作的就是 VCM。


          不同廠商的 VCM 結構略有不同,但總體上均包括外殼、支架、墊片、簧片、磁石、線圈、載體、底座等部件,內部結構較為復雜。


                                                                                  ▲音圈馬達內部擁有大量部件


          VCM 的技術并不復雜,但由于對靈敏度的要求較高,所以生產時的精度控制是關鍵,這涉及到設計、材料等各個環節的改進。


          正因為 VCM 技術難度并不高,所以全球參與 VCM 產業的廠商有上百家,總體上來看,這些廠家可以劃分為日本、韓國、中國三大陣營。



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                                                       ▲全球音圈馬達市場較為分散(2016 年)


          3.紅外截止濾光片,鍍膜工藝是關鍵


          紅外截止濾光片(IR-Cut filter) 是一種允許可見光透過而截止紅外光的光學濾光片。


          當光線進入鏡頭,折射后可見光和紅外光會在不同靶面成像,可見光成像為彩色,紅外光成像為黑白。


          當把可見光所成圖像調試好之后,紅外光會在此靶面形成虛像,影響圖像的顏色和質量。


          紅外截止濾光片又可細分為兩種,一種是反射式濾光片,另一種是吸收式濾光片。


          濾光片最關鍵的工藝是鍍膜,需要保證鍍膜的均勻性和一致性,鍍膜又可分為真空鍍膜和化學鍍膜兩種方式。


          鍍膜之后基本可以濾除 650nm以上波長的光,滿足基本的使用需求。


          以藍玻璃為基材鍍膜制成的 IRCF,是采用吸收的方式過濾紅外光,可過濾 630nm 以上波長的光,比較徹底;


          而以普通玻璃為基材鍍膜所制成的IRCF 是以反射的方式過濾掉紅外光,反射光容易造成干擾,效果差于藍玻璃 IRCF。

                                                   ▲反射式 IRCF 和吸收式 IRCF 的原理對比


                                                   ▲藍玻璃 IRCF 的效果好于普通玻璃 IRCF


          紅外截止濾光片的主要生產廠商有歐菲光、水晶光電、田中技研、哈威特(已被奧托侖收購),歐菲光早在 2002 年就研發生產 IRCF,此后進軍觸控屏及影像系統領域,IRCF 增長放緩。


          水晶光電作為后起之秀,目前是國內龍頭,同時也間接向蘋果供應紅外截止濾光片。




                                                ▲水晶光電是全球最主要的 IRCF 供應商


          4.CIS 傳感器


          技術創新與定制化是行業兩大特點。


          CMOS 圖像傳感器(CIS,CMOS Image Sensor)是實現將光信號轉換為電信號的模數轉換器。


          MOS 圖像傳感器由兩部分組成:感光區域和處理電路。


          感光區域由大量的感光二極管構成,每個感光二極管就是一個像素單元。


          光子在經過感光二極管之后,就會通過激發光電二極管中的材料放電,從而轉化為電子被釋放出來。


          電荷被儲存而形成電勢差,電勢差被測量出來,從而可以得到該像素單元的灰度值。


          處理電路是對感光區域獲得的數據進行處理的電路,例如自動對焦、光學防抖、曝光時間控制、自動增益控制、時序控制、同步信號、行起始信號、場起始信號等,在傳感器的工作過程中起著非常重要的作用。

                                              ▲CMOS 圖像傳感器的單個像素單元結構


                                                                  ▲CMOS 圖像傳感器由兩部分組成


          技術創新驅動與客戶定制化要求高是 CMOS 圖像傳感器行業的兩個重要特點。


          CMOS 圖像傳感器是個技術密集型的行業,只有不斷開創新技術的廠商才能立于不敗之地。


          CMOS 圖像傳感器的第一次重大創新是由前照式(FSI)轉變為背照式(BSI)。


          像素單元由片上透鏡、彩色濾光片、金屬線路、光電二極管構成。


          前照式結構中,當光線射入像素單元,經過了片上透鏡和彩色濾光片后,先通過金屬排線層,最后光線才被光電二極管接收。在這個過程中,金屬線路會遮擋和反射一部分光線,極為影響成像質量。


          索尼改變了這種制造像素單元的方式,采用背照式結構,將光電二極管放在金屬線路的前面。


          這一方法讓像素可以獲得更多的感光量,大幅提高了信噪比,而且可以采用更復雜、更大規模電路來提升傳感器讀取速度。


          這一進步大幅提高了手機的拍攝質量,直接促成了數碼相機的衰落,也讓索尼擊敗豪威科技拿到 iPhone 4S 的圖像傳感器訂單。


                                                            ▲前照式轉變為背照式


          CMOS 圖像傳感器的第二次重大創新是由非堆棧式轉變為堆棧式。


          非堆棧式是將感光區域和處理電路在同一片晶圓上制作,但這樣會面臨兩個問題。


          第一個問題是非堆棧式的兩個區域都只能采用相同的工藝,比如 65nm工藝。


          這樣的工藝對于感光區域的像素制作是足夠的,但是對于處理電路而言,更先進的工藝可以有更高的晶體管密度,其對于像素區域的管控能力也能得到提高,可以得到更好的畫質。


          第二個問題是為了提高像素集合光的效率,需要引入光波導管。


          光波導管的干刻過程中,硅晶圓和像素區域會有損傷,此時則要進行一個叫做“退火(annealing process)”的熱處理步驟,讓硅晶圓和像素區域從損傷中恢復回來,這時候需要將整塊 CMOS 加熱。


          這種加熱會對處理電路產生不必要的損傷,會對信號讀出產生影響。


          索尼創造性地提出堆棧式的方法,解決了上面兩個問題。首先利用晶圓和基板的熱傳導系數差異,通過加熱將兩者分離。


          然后使用 65nm 工藝制作感光區域,使用 40nm 工藝制作處理電路,然后堆疊在一起。


          這樣一來,感光區域的面積也可以增大,可以制作更多的像素,處理電路也得到了優化。


          這樣的攝像頭體積變得更小,但功能和性能反而增強。



                                                                ▲非堆棧式轉變為堆棧式

          CMOS 圖像傳感器行業的第二個重要特點是定制化要求非常高。


          由于各大手機廠商對拍照性能的要求不同、理解也不同,所以對 CMOS圖像傳感器的性能要求也不一樣,這就需要進行定制化生產。


          與公版感光元件固定化的參數相比,定制化的感光元件在參數選擇上更加靈活。


          定制化要求 CMOS 圖像傳感器供應商具有柔性生產和較強的響應客戶的能力,這也是在這個行業立足的核心競爭力之一。 


          技術創新與定制化這兩大特點使得 IDM 模式在 CMOS 圖像傳感器行業更有優勢。 


          IDM 模式即將設計與制造兩大環節垂直整合的模式,Fabless 模式即只專注設計而將制造環節外包的模式。


          根據前面的分析,CMOS 圖像傳感器其實有大量技術創新是在制造環節,那么 IDM 模式的廠商就可以更深刻地理解制造過程,從而實現技術上的改進,而代工的 Fabless 模式則因距離制造環節太遠而無法更好地創新;


          與此同時,IDM 模式讓廠商在生產環節有了更多的掌控力,可以更好地完成手機廠商所要求的定制化參數。


          根據 Yole 的統計,在 2017 年全球價值 139 億美元的 CMOS 圖像傳感器市場中,索尼占據了 42%的市場份額,是當之無愧的霸主。


          在索尼之后的是三星電子、豪威科技(Omnivision)、安森美(On Semi)等廠商。


          索尼、三星、佳能、尼康等廠商采用的是 IDM 模式,SK 海力士則通過收購 Siliconfile 而成為 IDM 廠商。


          其余廠商則采用 Fabless/Fablite 的模式,例如安森美(On Semi)交給 L-Foundry 代工,意法半導體交給臺聯電代工,豪威科技主要交給臺積電代工,格科微主要交給中芯國際代工。

                                       ▲索尼是 2017 年全球 CMOS 圖像傳感器市場的霸主

          5.模組

          技術壁壘不高,良率提升決定盈利能力。


          模組是把上述零組件整合到一起后的器件。手機攝像頭模組的主流工藝有 CSP、COB 和 FC 三種,其中 CSP 主要用于低端產品,COB 是最主流的工藝,FC 則僅有蘋果在使用。


          CSP(芯片級封裝)的優勢在于制造設備成本低、潔凈度要求低、良率較高,劣勢在于鏡頭透光率低、模組厚度較高。


          COB(板上封裝)的優勢在于設備成本較高但封裝成本低,劣勢在于潔凈度要求高、良率較低,制程時間相對較長。


          FC(倒裝芯片)的優勢在于封裝密度很高、封裝所得攝像頭模組厚度最薄、缺點在于成本較高、良率較低。


          與此同時,COB 封裝正向 MOB(Molding On Board)和 MOC(MoldingOn Chip)發展。


          MOB 與 COB 的區別在于底座與線路板一體化,將電路器件包覆于內部,而 MOC 比 MOB 更加先進的地方在于將連接線一起包覆于內部。


          隨著 MOB 和 MOC 的推出,COB 封裝的性能進一步向 FC 靠近,同時成本更低,未來有望取代 FC 封裝。


          攝像頭模組行業的技術壁壘并不高,這也導致國內手機攝像頭模組市場比較分散。


          根據旭日產研的數據,歐菲科技是 2017 年國內手機攝像頭模組市場的第一名,但其所占份額也僅為 11%。


          除了歐菲科技之外,還有舜宇、丘鈦、信利、光寶、合力泰等也可以供應攝像頭模組,但市場份額均只有個位數。


                                                ▲2017 年國內手機攝像頭模組市場份額

          3D Sensing:

          全新市場


          3D Sensing 的硬件可以分為發射端和接收端兩部分。


          發射端由 VCSEL激光源、準直鏡頭和 DOE 擴散片組成,接收端由窄帶濾光片、光學鏡頭和紅外 CIS 組成。


          在工作時,VCSEL 激光源首先會發射出數百束特定頻率的紅外光,這些紅外光經過準直鏡頭的校準之后,被傳導到 DOE 擴散片,擴散片會將紅外光束分散成 3 萬多個隨機的紅外光點,照射到人的面部;


          經過面部反射之后的紅外光被接收端接收,在經過窄帶濾光片的過濾之后,特定頻率的紅外光經過光學鏡頭的投射被紅外 CIS 所接收。


                                                 ▲3D Sensing 的硬件有發射端和接收端組成

                                                                  ▲iPhone X 的 3D Sensing 發射端拆解

          3D Sensing 是一個全新的增量市場,將給產業鏈帶來新的成長動力。


          發射端的元器件大部分是創造了新的產業,價值量較大,在 VCSEL 激光源、準直鏡頭、DOE 光學衍射元件、模組等領域給相關企業帶來了巨大的全新需求。


          發射端元器件的難度較高,需要較多的技術積累,所以目前主要是海外企業參與供應鏈,這也給未來大陸廠商的突破帶來了契機。


          接收端的元器件主要是在對存量產品應用領域的進一步的擴大,價值量相對發射端要小。


          大陸企業在窄帶濾光片、光學鏡頭、模組等領域已經具有較強的實力,完全可以參與進去。但在紅外 CIS 方面還是空白,需要未來的進一步突破。


                                               ▲3D Sensing 產業鏈供應商及單機價值量

          1.VCSEL 激光源


          技術難度大,海外廠商主導


          VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直共振腔表面射型激光)具有光束集中、精度高、小型化、低功耗、高可靠、轉換效率高、成本低等諸多優點,從而順理成章地擊敗紅外 LED 和 EEL 成為 3D Sensing的主流紅外光源,被蘋果等廠商所使用。


          在 VCSEL 中,發光層被稱為多量子阱(MQW),其中由銦鎵砷(InGaAs)和鋁鎵砷(AlGaAs)組成的 MQW 最為合適。


          銦(In)的比例可以決定最后發射激光的波長,當銦(In)的比例為 0 時,發射的是波長 850nm 的紅外激光,這時的外延工藝較為簡單,這也是 850nm 紅外激光被廣泛使用的原因;


          當銦(In)的比例為 20%時,發射的是 940nm 波長的紅外激光,這也是 iPhone X 所使用的紅外激光的波長。


          在 MQW 發光層的上下部分是 p-DBR 與 n-DBR,用于篩選出特定波長的“純凈”光。


          由于出射光的方向一般是頂部,所以在底部還需要一層襯底。


          陽光中的 940nm 紅外光會在長距離傳播中被空氣中的水分吸收掉,而iPhone X 所用的 940nm 紅外光則因距離面部近而不會被吸收,這樣可以避免陽光中的紅外光干擾產生“紅暴”現象,所以蘋果才選用這個波長的紅外光。


          850nm 紅外光則一般用于光通信中。

                                                          ▲VCSEL 激光器的內部結構示意圖

          VCSEL 產業由設計、外延片、晶圓代工、封測等四個環節組成,整個產業高度分工、專業化程度很高,擁有較高的技術門檻。


          大部分設計廠商都是從光通信領域切入消費電子領域,主要廠商包括Lumentum、Finsar、Princeton 等。


          Lumentum 為蘋果核心供應商,其一方面采用 IDM 模式自行制造 VCSEL,另外也與代工廠合作生產。


          除了Lumentum,蘋果正在積極扶持 Finsar,以降低供應鏈集中的風險。


          Princeton已在 2017 年被 AMS(艾邁斯)所收購,并已在新加坡建設新工廠,用于生產高功率 VCSEL,已成為小米 8 透明探索版的 VCSEL 供應商,未來可能是安卓廠商的首選。


          外延片領域,英國公司 IQE 是全球最大的獨立外延片供應商,市場份額大約為 80%,是蘋果核心供應商。


          其他的外延片供應商還包括臺灣地區的全新和聯亞光電。


          在代工領域,臺灣地區的穩懋為全球最大的化合物半導體代工廠,其在化合物半導體代工市場的市占率超過 50%,并與 Lumentum 緊密合作而成為蘋果核心供應商。


          而宏捷科則擁有 AMS(艾邁斯)入股,未來有望隨著AMS 而切入消費電子 3D Sensing 產業。


          在封測領域,主要廠商均來自臺灣地區,主要包括聯均、欣品和同欣等廠商。


          2.準直鏡頭


          技術難度高VCSEL 發出的光具有較寬的波瓣,不利于后續的衍射過程,需要將這些光匯聚校準為窄波瓣的近似平行光。


          這種將激光校準為平行光的器件就是準直鏡頭。


          由于準直鏡頭靠近 VCSEL 紅外激光源,VCSEL 產生的大量熱量會影響準直鏡頭的形狀、尺寸及折射率,所以耐熱性成為了準直鏡頭的關鍵。


          現在準直鏡頭的制造工藝有 WLO、WLG 和模造工藝三種。


          WLO(Wafer Level Opticals,晶圓級光學鏡頭)采用晶圓和特殊液體聚合物作為光學材料,被蘋果選為 iPhone X 的準直鏡頭方案。


          目前大部分 WLO 專利都在 Heptagon(已被 AMS 收購)手中,形成了非常高的壁壘,蘋果 iPhone X 所使用的 WLO 就是由 Heptagon 所提供。


          除了 WLO 方案,目前還有 WLG 工藝和模造工藝涌現,同樣可以解決耐熱性問題,可能在未來成為準直鏡頭的選擇。未來準直鏡頭的技術路徑存在較大的不確定性。


          WLG(Wafer Level Glass,晶圓級玻璃)采用半導體級工藝生產玻璃鏡頭,具有良好的耐熱性,可能在未來取代 WLO 成為準直鏡頭的首選方案。


          目前 WLG 方案進展最快的廠商是瑞聲科技,公司擁有來自丹麥的 WLG模具設計和制造團隊(Kaleido)、日韓光學設計團隊和高效的本土管理團隊。


          瑞聲除了可將 WLG 用作準直鏡頭,還可以用于手機前后置攝像頭等成像鏡頭,具有較大的想象空間。


          但目前 WLG 方案仍不成熟,產能、良率、成本等方面仍需要時間才能突破。

                                                         ▲WLG 的制造流程示意圖

          模造工藝即首先使用模造工藝生產玻璃透鏡和塑膠透鏡,然后將玻璃透鏡或塑膠透鏡組合到一起制成準直鏡頭。


          在具體材料組成方面,有全玻璃、玻塑混合、全塑膠三種組合。


          盡管塑膠的耐熱性不如玻璃,但臺灣的大立光通過在塑膠鏡頭中多增加一片透鏡,并增加音圈馬達,也可以具有較強的耐熱性。


          根據大立光最新的股東常會透露,其全塑膠方案已向客戶送樣。


          模造工藝是目前制造鏡頭的最成熟工藝,目前手機攝像頭所用的成像鏡頭都是使用模造工藝制成的,所以模造工藝在產能、良率、成本上都有較為明顯的優勢,大立光、舜宇光學、瑞聲科技等均可大規模制造模造鏡頭。


          如果模造工藝成為準直鏡頭的方案,將對這些傳統手機鏡頭供應商帶來較大的增量市場空間。


          3.光學衍射元件


          精度控制是關鍵經過準直鏡頭校準后的激光束并沒有特征信息,因此下一步需要對激光束進行調制,使其具備特征結構,光學衍射元件(DOE)就是用來完成這一任務的。


          VCSEL 射出的激光束經準直后,通過 DOE 進行散射,即可得到所需的散斑圖案(Pattern)。


          DOE 的基本原理是利用衍射原理在元件表面制備一定深度的臺階(光柵),光束通過時產生不同的光程差,滿足布拉格衍射條件。


          通過不同的設計來控制光束的發散角和形成光斑的形貌,實現光束形成特定圖案的功能。


          DOE 是一個單一光學元件,可將入射光束分散成無數個光束再射出。


          每一個分散之后再射出的光束,都與原先入射進來的光束擁有相同的光學特性,包括偏振性、相位等。


          DOE 可產生 1D(1xN)或 2D(MxN)的光束矩陣,視DOE 的表面微結構而定。


          DOE 的特點是能夠在保持較高衍射效率的同時對光強分布進行精確控制,因此 DOE 成為讓激光生成隨機散斑的理想元件。


                                                               ▲DOE 工作原理示意圖

          DOE 的制造門檻較高,蘋果是由其自行設計 pattern,然后交由臺積電采購玻璃后進行圖案化過程,精材科技將臺積電 pattern 后的玻璃進行堆疊、封裝和研磨,然后交采鈺進行 ITO 工序,最后由精材科技進行切割。


          臺灣地區的奇景光電也具有生產 DOE 的能力,目前正與高通合作。


          大陸地區還沒有具備 DOE 設計和加工能力的公司。


          4.接收端鏡頭


          使用普通手機鏡頭,產業鏈十分成熟傳統的手機鏡頭需要達到非常好的成像效果,所以需要非常復雜的光學設計和制造工藝。


          但接收端紅外攝像頭對光學鏡頭的要求遠不如可見光攝像頭那么高,對光線的通光量、畸變矯正等指標容忍度較高,所以目前 3D Sensing 接收端鏡頭主要使用已成熟的普通鏡頭。


          蘋果 iPhone X 接收端鏡頭為 4P 結構,供應商為臺灣地區的大立光和玉晶光。


          除了這兩大廠商,還有關東辰美、舜宇光學、瑞聲科技等均可提供接收端鏡頭。


          隨著大陸手機廠商開始普及 3D Sensing 功能,舜宇光學和瑞聲科技可能憑借本土供應鏈優勢而獲得較大的份額。


          5.窄帶濾光片


          所起作用十分重要,鍍膜工藝是關鍵


          窄帶濾光片是只允許特定波長的光通過而濾除其余波長的光的光學元件。


          3D Sensing 的發射端會發射 940nm 波長的紅外光,接收端需要濾除其余波長的光而僅僅接受 940nm 紅外光,所以需要使用窄帶濾光片。


          窄帶濾光片的通帶相對比較窄,一般要求在中心波長值的 5%以下。

                                                         ▲窄帶濾光片的原理示意圖

          窄帶濾光片的薄膜一般由低折射率和高折射率的兩種膜組成,疊加后層數達幾十層,每一層薄膜的參數漂移都可能影響最終性能;


          而且窄帶濾光片透過率對薄膜的損耗非常敏感,所以制備峰值透過率很高、半帶寬又很窄的濾光片非常困難。


          制備薄膜的方法有很多種,包括化學氣相沉積、熱氧化法、陽極氧化法、溶膠凝膠法、原子層沉積(ALD)、原子層外延(ALE)、磁控濺射等,而不同方法制備的薄膜性能差異很大。


          窄帶濾光片的難度和價值量都高于傳統攝像頭所用的濾光片,目前僅有VIAVI 和水晶光電的技術較為成熟,這兩家也是蘋果 iPhone X 的窄帶濾光片供應商。


          隨著國產手機廠商將在 2019 年開始快速普及 3D Sensing 功能,水晶光電作為本土的窄帶濾光片供應商,將有望占據更為重要的位置 。


          6.紅外 CIS


          技術較為成熟,定制化是行業主要特點


          紅外 CIS(CMOS Image Sensor)即紅外 CMOS 圖像傳感器,是用來將接收到的紅外光轉換為數字信號的器件,在技術上已經比較成熟。


          在原理上,紅外 CIS 與可見光 CIS 是一致的,但可見光 CIS 需要識別RGB 三種顏色,并且需要呈現非常清晰的圖像,所以對分辨率的要求很高。


          而紅外 CIS 只需要獲取結構光的深度信息,不需要產生清晰的成像,所以分辨率要求不高,通常2M 像素即可滿足要求。


          目前紅外 CIS 的供應商主要有意法半導體、奇景光電、三星電子、富士通、東芝等,其中意法半導體是 iPhone X 紅外 CIS 的供應商。


          由于各廠商使用的 3D Sensing 方案差異較大,各個廠商對紅外 CIS 的要求也有很大的差異,所以需要供應商提供定制化的紅外 CIS。


          例如 iPhoneX 所用的接收端紅外 CIS 使用了獨創的 SOI 襯底和深溝隔離(DTI)兩種技術,用于滿足蘋果的定制化要求。


          紅外 CIS 成像系統的有效范圍與其靈敏度直接相關,并由兩個關鍵性的測量參數所確定:量子效率(QE)和調制傳遞函數(MTF)。


          紅外 CIS 的QE 代表其捕獲光子與其轉換為電子的比率,QE 越高,NIR 照明所能達到的距離越遠,并且圖像亮度越高。


          MTF 所測量的是在特定的分辨率下圖像傳感器將成像物的對比度傳送到圖像中的能力,MTF 越高,圖像越清晰。


          7.模組


          行業門檻并不高,良率提升是盈利關鍵


          3D Sensing 模組環節就是把上述各元件組裝形成一個整體的過程。


          模組環節技術難度并不大,并且受益于攝像頭模組行業的發展,已經擁有眾多廠商可以生產 3DSensing 模組,所以行業門檻并不高。


          盡管行業進入門檻不高,但如何把產品良率維持在一個較高的水平是穩定盈利的關鍵。影響 3D Sensing 模組良率的環節主要體現在以下幾個方面


          1)發射端擁有準直鏡頭、衍射光學元件等非常精密的光學元件,在組裝時需要保證非常高的精度;


          2)發射端的 VCSEL 激光器需要進行光譜檢測和校準;


          3)發射端、接收端、泛光感應器件需要通力合作,三者在位置上的準確度和穩定性對于最終 3D Sensing 效果有非常重要的影響,需要高難度的匹配和校準。


          以上環節主要是對精度的要求,稍有不慎就會產生廢品降低良率,所以這是一個需要精密和準確的行業,而不是一個依靠技術創新的行業。

                                                     ▲iPhone X 3D Sensing 模組拆解

          目前,具備 3D Sensing 模組制造能力的廠商包括 LG Innotek、富士康、夏普、歐菲科技、舜宇光學等。


          其中 LG Innotek 是 iPhone 3D Sensing 發射端模組的獨家供應商,富士康和夏普是 iPhone 3D Sensing 接收端模組的供應商。


          歐菲科技、舜宇光學等大陸廠商在模組領域也具備很強的實力,已經可以大規模量產 3D Sensing 模組。


          隨著國內手機廠商在 3D Sensing 領域快速推進,歐菲科技、舜宇光學將有望深度受益。


          無論是三攝像頭、潛望式攝像頭還是 3D Sensing,都是智能手機的增量創新,都將帶來全新的增量市場空間。



          光學攝像頭產業鏈匯總!
          光學行業發展到今天出現了新的動向,3D Sensing 與三攝、潛望式成為未來創新的重點。...
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