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3D摄像头产业链解析

2018-10-28
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来源:内容来自「SIMIT战略研究室」,作者 叶树梅,谢谢。


通过对iPhone X的3D摄像头产品进行拆解分析,3D摄像头产业链可以被分为: 

  1. 上游:红外传感器、红外光源、光学组件、光学镜头以及CMOS图像传感器; 

  2. 中游:传感器模组、摄像头模组、光源代工、光源检测以及图像算法; 

  3. 下游:终端厂商以及应用。

 

iPhone X“齐刘海”结构


 iPhone X“齐刘海”所采用的3D成像模组X-Ray照


3D摄像头在传统摄像头基础上引入基于TOF或结构光的3D感知技术,这两种3D感知技术均为主动感知,因此3D摄像头产业链与传统摄像头产业链相比,关键部件在于:1、红外传感器;2、红外光源;3、光学组件。


红外传感器


红外传感器是距离传感器之高配版,红外传感器目前主要分为AMS/Heptagon和ST两大阵营,TI和Infineon也在这一领域有所布局。AMS从iPhone 4起为苹果供应环境光传感器,旗下Heptagon一直致力于小型化TOF传感器开发,2016年被AMS收购。ST近年来开发数款集成红外传感器、红外激光发射器的3D摄像头模块,其中基于TOF技术的VL6180X方案被iPhone 7采用作为距离传感器使用。


红外光源


3D摄像头的红外光源主要有红外LED和激光器两种。早期3D传感系统一般都使用LED作为红外光源。在技术方面,由于LED不具有谐振器,导致光束更加发散,在耦合性方面也不如VCSEL。由于VCSEL在精确度、小型化、低功耗、可靠性全方面占优的情况下,现在常见的3D摄像头系统一般都采用VCSEL作为红外光源。从红外LED到VCSEL激光器,这就是3D摄像头中红外光源的前生今世。


LED与VCSEL光源性能对比


从上市的具有3D摄像头的产品也能看到,红外光源由LED向VCSEL转变是必然趋势! 从2016年意法半导体及AMS旗下Heptagon发布的光学模块新产品来看,均采用VCSEL作为红外线光源,且早期的消费级产品联想Phab 2 Pro AR手机与Intel RealSense SR300,到2017年发布的iPone 8/X以及今年的iPone XS、小米8探索版均采用了VCSEL作为红外光源。

 

主流3D摄像头及模组光源选择(红色为LED,绿色为VCSEL)


激光器按照发射方向可以分为边发射激光器(EEL)和面发射激光器,其中边发射激光器主要有FP(法布里-泊罗)和DFB(分布式反馈)两种,面发射激光器目前主要指VCSEL(垂直腔面发射)。

 

三种典型半导体激光器结构


与传统边发射激光器相比,VCSEL在光束质量、与光纤耦合效率、腔面反射率上都具有较大优势,且因为VCSEL发射光线垂直于衬底而边发射激光器发射光线平行于衬底,因此VCSEL能够实现二维阵列而边发射激光器不行。所以在消费电子领域,VCSEL受到3D摄像头的青睐。


VCSEL与EEL对比


红外光源的市场前景

 

红外光源市场份额(2016年 vs. 2022年)


2016年,红外LED市场仍占据整个红外光源市场的65%,到2022年其市场份额将被VCSEL吞食20%,降至45%。虽然营收持续增长,但是不能不承认,随着VCSEL技术的成熟,性能的绝对优势必将获得与红外LED“平分天下”的地位。


VCSEL国外厂商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等,国内主要有江苏华芯、武汉光迅,其他还有山东太平洋、深圳源国、国星光电、华工科技、三安光电、乾照光电、华灿光电以及睿熙科技等公司。可以看出,VCSEL最初应用在通讯领域,随着苹果iPhone 8的3D摄像头采用VCSEL技术引起广泛关注。一旦智能手机市场被撬动,VCSEL的需求量将迅速打开,这就是未来6年VCSEL强劲增长的巨大推动力。


光学组件


光学组件主要包括准直镜头、DOE衍射光学元件、滤光片三个部分。

 

3D摄像头结构光方案TX发射部分结构图


光学组件一:准直镜头


在3D摄像技术以及激光投影等消费电子应用领域,对激光器发出的光束进行整形更加具有必要性。在基于结构光技术的3D摄像中需要将光束进行匀光、分束均匀地分布投射至周围环境中,形成多个散斑来进行捕捉、分析。同时若不进行匀束地话光束中心能量过大还可能对人眼造成伤害。采用准直镜头对 VCSEL 出射光束进行准直、形成散斑等整形处理。WLO(Wafer-level Optics)晶圆级光学器件,是指晶圆级镜头制造技术和工艺。与传统光学器件的加工技术不同,WLO工艺在整片玻璃晶圆上,用半导体工艺批量复制加工镜头,多个镜头晶圆压合在一起,然后切割成单颗镜头,具有尺寸小、高度低、一致性好等特点。


在WLO准直镜头方面,技术主要掌握在Heptagon(被AMS收购)、Aptina(被安森美收购)、Himax奇景光电、Visera采钰以及设备厂EV Group手中。


Heptagon掌握了大部分专利,台湾奇景光电2018年初宣布从一家美国科技公司收购了某些先进的纳米3D模具制造资产、知识产权及相关业务。这种先进的纳米3D制造模具主要用于转印复制工艺,制造衍射光学元件(DOE)、导光元件、准直镜头以及微透镜阵列。采钰科技2014年从台积电剥离,提供ITO工序。国内水晶光电参与一部分镀膜工艺,福晶科技曾为JDSU、Finisar等光通信企业供给通信级准直镜头,有望拓展进军消费级准直镜头领域。华天科技和晶方科技在WLO方面布局较早,主要提供WLO后段加工技术,特别是华天科技具备成熟的加工技术。


光学组件二:DOE衍射光学元件


DOE衍射光学元件(Diffractive Optical Elements)是基于光波的衍射原理,利用计算机辅助设计,并通过半导体芯片制造工艺,在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构,行成同轴再现,且具有高衍射效率的一类光学元件。


与传统折射光学元件比较,DOE的光学处理功能非常灵活,可产生传统光学难以实现的异形光场分布,具备设计自由度高、光学功能全面、器件体积小等优点,能集中多种光学功能于一体,使光学系统得以向轻型化、微型化和集成化发展。


DOE应用领域广泛用于LED节能照明、激光照明、安防监控、智能识别、夜视照明、人机交互、VR/电视/手机、工业自动化、机器人、无人机、车载辅助等。


 在3D摄像头结构光方案中,DOE的作用就是利用光的衍射原理,将激光器的点光源转换为散斑图案(pattern)。首先根据特定衍射图像的光学需求,设计并制作出三维母模,然后根据母模再制作出DOE光栅,光栅表面具有三维的微结构图案,尺寸都在微米级别。激光器发射的线性激光通过DOE的时候发生衍射,衍射光的角度和数量是受DOE上pattern的控制,衍射出来的光斑具备lighting code信息。


DOE衍射光学元件的产业链结构主要为:DOE光学图案设计、DOE制造与加工、光学元件模组封装,此外还需要原材料(主要为特种石英玻璃、光敏玻璃等)与精密光学加工设备(如光刻机等)这两大支持性辅助环节。

 

DOE衍射光学元件产业链结构


目前全球范围内主要供应商有德国CDA、法国Silios、德国Holoeye、Himax奇景光电、台积电、精材科技、Visera采珏科技等。苹果3D摄像头结构光用DOE将由Primesense(2013年被苹果收购)自行设计pattern图案、台积电提供pattern微纳加工、采钰提供ITO材料、精材科技提供器件封装。奇景光电透过收购获得了纳米3D模具制造工艺,包括制造衍射光学元件(DOE)、导光元件。高通研发的3D摄像头结构光方案,在DOE和WLO方面,采用奇景光电的方案。福晶科技为微软AR眼镜HoloLens联合研发DOE等相关元件,福晶科技主要从事各类功能晶体元器件、精密光学元器件和激光器件的研发、生产和销售。国内初创公司驭光科技成立于2016年,但从2014年开始就在国内设计、生产DOE产品,目前已进入安卓手机3D传感核心器件供应商,在嘉兴有全资子公司驭光光电大规模量产DOE器件。


光学组件三:滤光片


近红外识别系统中所用到的窄带滤光片及超薄高性能镀膜也是基于结构光及TOF的3D摄像头技术关键。3D摄像头在接收反射光时要求只有特定波长的光线能够穿过镜头,拦截频率带之外的光线,即隔离干扰光、通过信号光凸显有用信息,因此需要滤光片在接收端过滤掉非工作波段的光波。


目前窄带滤光片领域主要厂商有两家,一家是由JDSU分拆出的美国的Viavi,一家则是国内厂商水晶光电,其他厂商还有布勒莱宝光学(Buhler)、美题隆精密光学(Materion)、波长科技(Wavelength)等。水晶光电将窄带滤光片加入光学业务中,再次验证水晶光电的窄带滤光片镀膜技术的成熟。


基于上述准直镜头、DOE衍射光学元件、滤光片这三种光学组件,不排除还有其他光学组件。光学组件在3D摄像头整个市场中显得小而杂但很专业,国外厂商、台湾厂商领先于国内,国内水晶光电、福晶科技占主要位置。随着3D摄像头结构光或TOF方案市场的打开,未来光学组件也存在大幅爆发的机会。


今天是《半导体行业观察》为您分享的第1749期内容,欢迎关注。


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