無論是像素升級(jí)、光學(xué)防抖，還是大光圈、雙攝像頭，光學(xué)一直是消費(fèi)電子的創(chuàng)新主戰(zhàn)場(chǎng)之一。光學(xué)行業(yè)發(fā)展到今天出現(xiàn)了新的動(dòng)向，3D Sensing 與三攝、潛望式成為未來創(chuàng)新的重點(diǎn)。

3D Sensing 正逐步取代指紋識(shí)別成為手機(jī)標(biāo)配。三攝像頭和潛望式則在雙攝的基礎(chǔ)上再次大幅提升拍照質(zhì)量，有望在華為、OPPO 的帶動(dòng)下成為下一階段的發(fā)展趨勢(shì)。

一、光學(xué)新動(dòng)向精彩紛呈

1、光學(xué)始終是智能手機(jī)創(chuàng)新的主戰(zhàn)場(chǎng)

光學(xué)創(chuàng)新因?yàn)槟芙o用戶帶來非常直觀而明顯的體驗(yàn)提升，成為各大手機(jī)廠商進(jìn)行差異化競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，也讓光學(xué)成為智能手機(jī)創(chuàng)新的主戰(zhàn)場(chǎng)之一。

回顧歷史，我們發(fā)現(xiàn)圍繞著帶來更好的拍照體驗(yàn)這個(gè)目標(biāo)，光學(xué)經(jīng)歷了像素升級(jí)、光學(xué)防抖、大光圈、長焦鏡頭、光學(xué)變焦、多透鏡設(shè)計(jì)、雙攝像頭等多種創(chuàng)新，其中以像素升級(jí)和雙攝像頭最為典型。iPhone 作為智能手機(jī)的開創(chuàng)者和標(biāo)桿，其像素升級(jí)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(jí)到現(xiàn)在的1200萬；前置攝像頭則從 iPhone 4 的30萬像素，逐步升級(jí)到了現(xiàn)在的 700 萬像素。在蘋果的帶動(dòng)之下，安卓手機(jī)廠商也積極升級(jí)手機(jī)攝像頭像素，并在2011-2015年形成了“像素大戰(zhàn)”。

▲iPhone X 的 3D Sensing 發(fā)射端拆解

3D Sensing 是一個(gè)全新的增量市場(chǎng)，將給產(chǎn)業(yè)鏈帶來新的成長動(dòng)力。

發(fā)射端的元器件大部分是創(chuàng)造了新的產(chǎn)業(yè)，價(jià)值量較大，在 VCSEL 激光源、準(zhǔn)直鏡頭、DOE 光學(xué)衍射元件、模組等領(lǐng)域給相關(guān)企業(yè)帶來了巨大的全新需求。

但發(fā)射端元器件的難度較高，需要較多的技術(shù)積累，所以目前主要是海外企業(yè)參與供應(yīng)鏈，這也給未來大陸廠商的突破帶來了契機(jī)。

接收端的元器件主要是在對(duì)存量產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步的擴(kuò)大，價(jià)值量相對(duì)發(fā)射端要小。

大陸企業(yè)在窄帶濾光片、光學(xué)鏡頭、模組等領(lǐng)域已經(jīng)具有較強(qiáng)的實(shí)力，完全可以參與進(jìn)去。但在紅外 CIS 方面還是空白，需要未來的進(jìn)一步突破。

▲3D Sensing 產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)商及單機(jī)價(jià)值量

1、VCSEL 激光源

技術(shù)難度大，海外廠商主導(dǎo)

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(zhuǎn)換效率高、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，從而順理成章地?fù)魯〖t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(fā)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(fā)射激光的波長，當(dāng)銦（In）的比例為 0 時(shí)，發(fā)射的是波長 850nm 的紅外激光，這時(shí)的外延工藝較為簡(jiǎn)單，這也是 850nm 紅外激光被廣泛使用的原因；

當(dāng)銦（In）的比例為 20%時(shí)，發(fā)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(fā)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(huì)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(huì)被吸收，這樣可以避免陽光中的紅外光干擾產(chǎn)生“紅暴”現(xiàn)象，所以蘋果才選用這個(gè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

VCSEL 產(chǎn)業(yè)由設(shè)計(jì)、外延片、晶圓代工、封測(cè)等四個(gè)環(huán)節(jié)組成，整個(gè)產(chǎn)業(yè)高度分工、專業(yè)化程度很高，擁有較高的技術(shù)門檻。

大部分設(shè)計(jì)廠商都是從光通信領(lǐng)域切入消費(fèi)電子領(lǐng)域，主要廠商包括Lumentum、Finsar、Princeton 等。

Lumentum 為蘋果核心供應(yīng)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(chǎn)。

除了Lumentum，蘋果正在積極扶持 Finsar，以降低供應(yīng)鏈集中的風(fēng)險(xiǎn)。

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

外延片領(lǐng)域，英國公司IQE是全球最大的獨(dú)立外延片供應(yīng)商，市場(chǎng)份額大約為 80%，是蘋果核心供應(yīng)商。

其他的外延片供應(yīng)商還包括臺(tái)灣地區(qū)的全新和聯(lián)亞光電。

在代工領(lǐng)域，臺(tái)灣地區(qū)的穩(wěn)懋為全球最大的化合物半導(dǎo)體代工廠，其在化合物半導(dǎo)體代工市場(chǎng)的市占率超過 50%，并與 Lumentum 緊密合作而成為蘋果核心供應(yīng)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(fèi)電子 3D Sensing 產(chǎn)業(yè)。

在封測(cè)領(lǐng)域，主要廠商均來自臺(tái)灣地區(qū)，主要包括聯(lián)均、欣品和同欣等廠商。

2、準(zhǔn)直鏡頭

技術(shù)難度高VCSEL 發(fā)出的光具有較寬的波瓣，不利于后續(xù)的衍射過程，需要將這些光匯聚校準(zhǔn)為窄波瓣的近似平行光。

這種將激光校準(zhǔn)為平行光的器件就是準(zhǔn)直鏡頭。

由于準(zhǔn)直鏡頭靠近 VCSEL 紅外激光源，VCSEL 產(chǎn)生的大量熱量會(huì)影響準(zhǔn)直鏡頭的形狀、尺寸及折射率，所以耐熱性成為了準(zhǔn)直鏡頭的關(guān)鍵。

現(xiàn)在準(zhǔn)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(jí)光學(xué)鏡頭）采用晶圓和特殊液體聚合物作為光學(xué)材料，被蘋果選為 iPhone X 的準(zhǔn)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(xiàn)，同樣可以解決耐熱性問題，可能在未來成為準(zhǔn)直鏡頭的選擇。未來準(zhǔn)直鏡頭的技術(shù)路徑存在較大的不確定性。

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

目前 WLG 方案進(jìn)展最快的廠商是瑞聲科技，公司擁有來自丹麥的 WLG模具設(shè)計(jì)和制造團(tuán)隊(duì)（Kaleido）、日韓光學(xué)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和高效的本土管理團(tuán)隊(duì)。

瑞聲除了可將 WLG 用作準(zhǔn)直鏡頭，還可以用于手機(jī)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(chǎn)能、良率、成本等方面仍需要時(shí)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(chǎn)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(zhǔn)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(tái)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(dá)，也可以具有較強(qiáng)的耐熱性。

根據(jù)大立光最新的股東常會(huì)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(jī)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(chǎn)能、良率、成本上都有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，大立光、舜宇光學(xué)、瑞聲科技等均可大規(guī)模制造模造鏡頭。

如果模造工藝成為準(zhǔn)直鏡頭的方案，將對(duì)這些傳統(tǒng)手機(jī)鏡頭供應(yīng)商帶來較大的增量市場(chǎng)空間。

3、光學(xué)衍射元件

精度控制是關(guān)鍵經(jīng)過準(zhǔn)直鏡頭校準(zhǔn)后的激光束并沒有特征信息，因此下一步需要對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)制，使其具備特征結(jié)構(gòu)，光學(xué)衍射元件（DOE）就是用來完成這一任務(wù)的。

VCSEL 射出的激光束經(jīng)準(zhǔn)直后，通過 DOE 進(jìn)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(tái)階（光柵），光束通過時(shí)產(chǎn)生不同的光程差，滿足布拉格衍射條件。

通過不同的設(shè)計(jì)來控制光束的發(fā)散角和形成光斑的形貌，實(shí)現(xiàn)光束形成特定圖案的功能。

DOE 是一個(gè)單一光學(xué)元件，可將入射光束分散成無數(shù)個(gè)光束再射出。

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

DOE 可產(chǎn)生 1D（1xN）或 2D（MxN）的光束矩陣，視DOE 的表面微結(jié)構(gòu)而定。

DOE的特點(diǎn)是能夠在保持較高衍射效率的同時(shí)對(duì)光強(qiáng)分布進(jìn)行精確控制，因此 DOE 成為讓激光生成隨機(jī)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(shè)計(jì) pattern，然后交由臺(tái)積電采購玻璃后進(jìn)行圖案化過程，精材科技將臺(tái)積電 pattern 后的玻璃進(jìn)行堆疊、封裝和研磨，然后交采鈺進(jìn)行 ITO 工序，最后由精材科技進(jìn)行切割。

臺(tái)灣地區(qū)的奇景光電也具有生產(chǎn) DOE 的能力，目前正與高通合作。

大陸地區(qū)還沒有具備 DOE 設(shè)計(jì)和加工能力的公司。

4、接收端鏡頭

使用普通手機(jī)鏡頭，產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)殖墒靷鹘y(tǒng)的手機(jī)鏡頭需要達(dá)到非常好的成像效果，所以需要非常復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)和制造工藝。

但接收端紅外攝像頭對(duì)光學(xué)鏡頭的要求遠(yuǎn)不如可見光攝像頭那么高，對(duì)光線的通光量、畸變矯正等指標(biāo)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(jié)構(gòu)，供應(yīng)商為臺(tái)灣地區(qū)的大立光和玉晶光。

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

隨著大陸手機(jī)廠商開始普及 3D Sensing 功能，舜宇光學(xué)和瑞聲科技可能憑借本土供應(yīng)鏈優(yōu)勢(shì)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(guān)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(xué)元件。

3D Sensing 的發(fā)射端會(huì)發(fā)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(duì)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(shù)達(dá)幾十層，每一層薄膜的參數(shù)漂移都可能影響最終性能；

而且窄帶濾光片透過率對(duì)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(xué)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(jià)值量都高于傳統(tǒng)攝像頭所用的濾光片，目前僅有VIAVI 和水晶光電的技術(shù)較為成熟，這兩家也是蘋果 iPhone X 的窄帶濾光片供應(yīng)商。

隨著國產(chǎn)手機(jī)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(yīng)商，將有望占據(jù)更為重要的位置 。

6、紅外 CIS

技術(shù)較為成熟，定制化是行業(yè)主要特點(diǎn)

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(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的器件，在技術(shù)上已經(jīng)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(shí)別RGB 三種顏色，并且需要呈現(xiàn)非常清晰的圖像，所以對(duì)分辨率的要求很高。

而紅外 CIS 只需要獲取結(jié)構(gòu)光的深度信息，不需要產(chǎn)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(yīng)商主要有意法半導(dǎo)體、奇景光電、三星電子、富士通、東芝等，其中意法半導(dǎo)體是 iPhone X 紅外 CIS 的供應(yīng)商。

由于各廠商使用的 3D Sensing 方案差異較大，各個(gè)廠商對(duì)紅外 CIS 的要求也有很大的差異，所以需要供應(yīng)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(dú)創(chuàng)的 SOI 襯底和深溝隔離（DTI）兩種技術(shù)，用于滿足蘋果的定制化要求。

紅外 CIS 成像系統(tǒng)的有效范圍與其靈敏度直接相關(guān)，并由兩個(gè)關(guān)鍵性的測(cè)量參數(shù)所確定：量子效率（QE）和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）。

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

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

7、模組

行業(yè)門檻并不高，良率提升是盈利關(guān)鍵

3D Sensing 模組環(huán)節(jié)就是把上述各元件組裝形成一個(gè)整體的過程。

模組環(huán)節(jié)技術(shù)難度并不大，并且受益于攝像頭模組行業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)擁有眾多廠商可以生產(chǎn) 3DSensing 模組，所以行業(yè)門檻并不高。

盡管行業(yè)進(jìn)入門檻不高，但如何把產(chǎn)品良率維持在一個(gè)較高的水平是穩(wěn)定盈利的關(guān)鍵。影響 3D Sensing 模組良率的環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）發(fā)射端擁有準(zhǔn)直鏡頭、衍射光學(xué)元件等非常精密的光學(xué)元件，在組裝時(shí)需要保證非常高的精度；

2）發(fā)射端的 VCSEL 激光器需要進(jìn)行光譜檢測(cè)和校準(zhǔn)；

3）發(fā)射端、接收端、泛光感應(yīng)器件需要通力合作，三者在位置上的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性對(duì)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(zhǔn)。

以上環(huán)節(jié)主要是對(duì)精度的要求，稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生廢品降低良率，所以這是一個(gè)需要精密和準(zhǔn)確的行業(yè)，而不是一個(gè)依靠技術(shù)創(chuàng)新的行業(yè)。

▲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(xué)等。

其中 LG Innotek 是 iPhone 3D Sensing 發(fā)射端模組的獨(dú)家供應(yīng)商，富士康和夏普是 iPhone 3D Sensing 接收端模組的供應(yīng)商。

歐菲科技、舜宇光學(xué)等大陸廠商在模組領(lǐng)域也具備很強(qiáng)的實(shí)力，已經(jīng)可以大規(guī)模量產(chǎn) 3D Sensing 模組。

隨著國內(nèi)手機(jī)廠商在 3D Sensing 領(lǐng)域快速推進(jìn)，歐菲科技、舜宇光學(xué)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(jī)的增量創(chuàng)新，都將帶來全新的增量市場(chǎng)空間。