光学领域新技术（光学行业深度研究报告）

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1、光学创新永不眠，新动向精彩纷呈

1.1、光学始终是智能手机创新的主战场之一

光学创新因为能给用户带来非常直观而明显的体验提升，成为各大手机厂商进行差异化竞争的焦点，也让光学成为智能手机创新的主战场之一。回顾历史，我们发现围绕着带来更好的拍照体验这个目标，光学经历了像素升级、光学防抖、大光圈、长焦镜头、光学变焦、多透镜设计、双摄像头等多种创新，其中以像素升级和双摄像头最为典型。

iPhone作为智能手机的开创者和标杆，其像素升级历史最为典型。第一代iPhone的后置摄像头像素只有200万，随后逐步升级到现在的1200万；前置摄像头则从iPhone4的30万像素，逐步升级到了现在的700万像素。在苹果的带动之下，安卓手机厂商也积极升级手机摄像头像素，并在2011-2015年形成了“像素大战”。

双摄像头则是光学的另一重大升级。华为在2016年4月发布与德国徕卡合作的旗舰手机P9，开创智能手机的双摄浪潮。P9配备双1200万像素后置摄像头，两颗摄像头分别负责彩色和黑白功能。彩色摄像头用来获取物体的色彩，而黑白摄像头用来获取物体的细节，然后将两个图片融合为一张最终的图片。P9的双摄大幅提升照片质量，受到了消费者的热烈欢迎，并且是华为第一次成功引领产品创新，是华为手机品牌美誉度得以提升的重大功臣。

苹果则在2016年9月发布了配备双摄像头的iPhone7plus。iPhone7Plus采用广角 长焦镜头，通过左右摄像头使用不同的FOV（可视角），使两个摄像头取景不同。当拍近景时，使用广角镜头，拍远景时，使用长焦镜头，从而实现光学变焦功能。iPhone7plus的双摄受到了消费者的热烈欢迎，并由于苹果在智能手机行业的标杆地位，迅速被众多安卓手机厂商所学习。

光学行业发展到今天出现了新的动向，三摄像头、潜望式摄像头与3DSensing成为行业下一阶段创新的重点。三摄像头则在双摄的基础上再次大幅提升拍照质量，有望在华为的带动下成为下一阶段的发展趋势；潜望式摄像头由于可以实现远距离光学变焦，有望在2019年迎来大发展；3DSensing因为具备更高的安全性，并且可以带来VR/AR等更大的创新潜力，正逐步取代指纹识别成为手机标配。

1.2、华为引领三摄浪潮，渗透率有望快速提高

华为在2018年发布的P系列和Mate系列两大旗舰机中均采用了三摄像头设计。P20Pro与Mate20Pro均配备一颗4000万像素的主摄像头、一颗2000万像素的副摄像头、一颗800万像素的远摄像头，三颗摄像头分别起到彩色广角、黑白广角、彩色长焦的功能。

具体在进行拍摄时，通常是两颗摄像头在工作，要么是彩色 黑白，要么是长焦 黑白，三颗摄像头通常不会一起工作。

三摄的第一大优势是暗光场景下的强大拍照能力，这个时候使用的是彩色 黑白两颗摄像头，彩色摄像头用于成像，黑白摄像头用于捕捉细节。彩色主摄像头的传感器尺寸较大，可以获取更多的进光量，再加上黑白摄像头带来的细节捕捉，可以在暗光下获得更好的成像。

尽管彩色主摄像头采用4000万像素，但华为P20Pro在自动模式下并非直接输出4000万像素的照片，而是采用4合1的方式，靠4000万像素感光元件输出一张1000万像素的照片，以有效提升暗光场景的拍照能力。如果需要输出4000万像素的照片，需要单独进行设置。

三摄的第二大优势是变焦能力。华为P20Pro提供了3倍光学变焦和5倍三摄变焦两种变焦模式，其中3倍光学变焦用到长焦 黑白两颗摄像头，5倍三摄变焦则要分别用到彩色 黑白和广角 黑白两种模式。

由于长焦摄像头的80mm焦距刚好是主摄像头27mm焦距的三倍，所以当需要变焦拍摄远处的景象时，可以从主摄像头切换到长焦摄像头，从而实现模拟3倍光学变焦，这一点与iPhone的光学变焦原理是相同的。这种变焦实际上是“突然”发生的，但通过算法的调校，可以让这个过程平滑化，让拍摄者不会感到突兀。

由于只有两种焦距的摄像头，所以实际上只能实现3倍光学变焦，5倍三摄变焦实际上是对照片进行裁剪优化得到的。由于4000万像素彩色主摄像头的成像效果非常好，所以在需要实现5倍三摄变焦时，会把这颗摄像头的图像和长焦摄像头的图像进行裁剪优化，再加上黑白摄像头的细节能力，从而呈现出5倍变焦的效果。

三摄像头在大幅提升成像效果的同时，也大幅增加了制造难点，这些难点可以概括为硬件和算法两方面。

在硬件方面，难点在于摄像头的一致性要求。这三颗摄像头均可以实现成熟的单独量产，但组合起来就会出现一致性的问题。每颗摄像头的加工过程和安装位置都会产生细微差别，对于摄像头这种高精度的装置，1mm的偏差就足以毁掉整张照片。为此，华为在每条产线上引入了高精密的调校系统，通过光学检测和人工智能来进行分析和校准，保证对焦和成像的准确性。

在算法方面，难点在于解决变焦时的转换流畅度。由于三颗摄像头是两两组合来使用的，在变焦时要实现摄像头的切换，这个时候需要完美解决视差问题，即无论变焦到多少，切换到哪个摄像头，都不能感觉到明显的差异。为了实现像素级的精确，最终生成的图像都需要上万个点的对齐测试，这种算法的调校才是三摄的难点。

三摄像头一方面可以大幅改善成像质量，提供更好的光学变焦功能，另外一方面是对双摄的进一步升级，在硬件和算法的层面拥有更好的基础，可以更快地完成渗透。我们预计在华为的引领下，2019年将有包括苹果、三星、OPPO、vivo、小米等众多厂商开始使用三摄像头。

1.3、潜望式摄像头有望在2019年快速渗透

潜望式摄像头是指将镜头与手机平面垂直放置的摄像头。OPPO是最早推出潜望式摄像头的手机厂商，其在2017年的MWC上首次展示了潜望式摄像头技术。区别于传统双摄镜头的并列排布，OPPO将长焦镜头横向排列，与广角镜头形成垂直布局，由特殊的光学三棱镜让光线折射进入镜头组，实现成像。

潜望式摄像头最大的优势是可以实现高倍数的光学变焦。变焦就是改变焦距，从而得到不同宽窄的视场角、不同大小的影像和不同的景物范围。变焦通常有数码变焦和光学变焦两种方式，其中数码变焦是通过数码相机内的处理器，把图片内的每个像素面积增大，从而达到放大目的；光学变焦是依靠镜头中镜片的移动（改变镜片之间的距离），进而改变镜头的焦距，实现变焦。

光学变焦可以分为内变焦和外变焦两类方案。内变焦指前后镜片之间的距离不变，由之间的镜片组前后移动变焦，简单理解就是变焦在机身内完成，摄像头外观没有变化；而外变焦则是通过前镜片组和后镜片组移动变焦，类似于我们平常见到的伸缩式镜头。

由于智能手机需要保持轻薄，而使用伸缩式摄像头会大幅增加手机的厚度，并且难以防水防尘，所以内变焦是手机实现光学变焦的主要方式。但由于手机厚度有限，水平放置的摄像头只能有较小的焦距，光学变焦能力有限，所以通过采用潜望式摄像头的设计，能大幅增加摄像头的焦距，实现更好的光学变焦。

OPPO已在1月17日正式发布了其最新的潜望式摄像头技术，支持十倍光学变焦。该技术采用“接棒式”三摄配置方案，其中长焦摄像头采用潜望式结构，等效焦距为159mm，另外超广角镜头的等效焦距为15.9mm，再加上超清主摄，这样就构成了等效焦距15.9mm—159mm的三摄镜头组。OPPO的这款产品也赢得了MWC2019的优秀技术奖。

在手机行业进入存量竞争之后，任何能吸引消费者的功能都成为手机厂商创新的重点。在OPPO的带领下，我们预计华为、小米等手机厂商也将很快推出配备潜望式摄像头功能的手机，潜望式摄像头行业正引来快速发展的新阶段。

1.4、3DSensing快速渗透，行业规模不断增长

3DSensing是指获取周围环境的三维信息来进行识别的功能，被广泛应用于工业、医疗、交通、科研、国防等领域中，例如无人驾驶所使用的激光雷达就是3DSensing的一个典型应用。

随着技术的进步，3DSensing逐步实现了小型化、低功耗，可以开始用于手机等消费级的电子产品中。当用于手机时，具有安全性高、使用简便、适合全面屏设计等优点，可以完美取代手机中的指纹识别解锁。苹果在2017年9月发布的iPhoneX中首次配备3DSensing功能，并命名为FaceID，并在2018年9月发布的iPhoneXR、iPhoneXS、iPhoneXSMax中全面配备3DSensing。

苹果在2018年10月30日发布的最新款iPadPro中，同样去掉了指纹识别模块，转而使用3DSensing功能，我们认为这将成为苹果在iPad产品系列中全面使用3DSensing的开始，未来3DSensing将成为iPad的标配。

我们预计苹果未来将在旗下产品中全线配备3DSensing功能，由于苹果产品的出货量，未来3DSensing将迎来广阔的发展空间。

2、三摄 潜望式：打开产业链成长新空间

手机摄像头主要由光学镜头（Lens）、音圈马达（VCM）、红外滤光片（IRCF）、图像传感器（Sensor）等组成。三摄相比单摄和双摄分别增加两颗和一颗摄像头，潜望式则需要增加一组镜片和折射镜头，将给整个摄像头产业链带来新的市场空间，产业链相关企业将迎来新的成长动力。

从手机摄像头产业链的价值量分布来看，CIS图像传感器占据了52%的价值量，是价值量最高的部件；光学镜头和模组的价值量占比分别达到了19%和20%，两者旗鼓相当，仅次于CIS图像传感器；音圈马达和红外截止滤光片的价值量占比分别达到6%和3%，价值量较少。

2.1、光学镜头：设计和制造难度大，经验积累是关键

光学镜头的主要作用是利用光的折射和反射原理，搜集被拍摄物体的反射光并将其聚焦于图像传感器上。

手机摄像头使用的镜头主要有塑胶和玻璃两种材质。塑胶镜头透光率不如玻璃镜头，但成型更为容易、良率较高、成本较低，通过不同形状的塑胶镜头进行组合，也可以达到非常好的成像效果，所以手机摄像头使用都是塑胶镜头。

衡量镜头解析力的常用指标是MTF（ModulationTransferFunction，调制转换函数），它衡量的是镜头对对比度的还原情况。理想镜头的还原情况可以达到100%，最差的镜头无法还原对比度，所以MTF的值位于0—1区间内。MTF的值越大，表明镜头的解析力越好。

例如在下图中，黑白条的对比度原本是100%，但经过镜头的处理之后，黑白条的中间地带会由于光线的串扰而呈现灰色，这就是无法完全还原对比度的情况。在这个例子中，这个镜头的MTF值为90%，表示可以还原90%的对比度。

在手机可见光摄像头中，尽管玻璃材料的透光量要好于塑胶镜头，但塑胶易于成型，可以组成各种所需要的组合，对光线的控制也更优，所以塑胶镜头的MTF反而会大于玻璃镜头。基于此，我们认为塑胶镜头仍将是未来一段时间内手机可见光镜头的主流，但玻璃镜头或玻塑混合镜头大概率也将会占有一席之地。

光学镜头具有非常高的技术难度，目前能大批量稳定生产高品质镜头的厂商较为稀少。光学镜头的难点主要在于设计和制造环节。

光学镜头的难点之一在于设计环节。设计环节需要的是多年的经验积累，以及想象力的发挥，不仅仅是一门工程，更是一门艺术。每一个设计的光学镜头都可以专门申请专利，保护设计师的心血结晶。设计环节直接决定厂商能否生产某一规格的镜头，是进入这个行业的门票。

光线在穿过镜头时，会发生非常复杂的折射过程才能到达图像传感器。这些复杂的折射过程会使图像传感器上的成像与根据高斯光学得到的理论结果产生差距，这就是像差。

像差主要由三种原因产生：1）通光介质的折射率随波长变化而变化；2）透镜表面通常为球面；3）光具有波粒二象性。由第一种原因产生的成像偏差称为色差，第二种产生的成像偏差称为球差，第三种产生的成像偏差称为衍射效应。目前已知的像差已经有几百种，比如轴向色差、球差、横向色差、慧差、场曲、像散和畸变等。

像差无法完全消除，所以这个世界不存在完美的镜头。光学设计就是通过组合不同形状、不同数目的透镜，实现对这些像差的控制，尽可能获得尽可能完美的成像效果。但是因为像差实在太多，所以想实现完全的像差控制是不可能的，只能通过光学设计在众多像差中取得平衡。光学设计不是工程，而是艺术，是对于美的理解，考验的是光学设计师的经验、天赋和灵感。莱卡和蔡司作为最优秀的光学厂商，引以为傲的正是其在光学设计上的深厚积累。华为与莱卡合作，主要的合作内容就是莱卡帮助华为改善光学设计。

2.2、音圈马达：总体技术难度不高，精度控制是关键

手机中控制镜头对焦的器件为音圈马达（VCM）。单反相机的对焦是通过转动镜筒带动镜头里某个镜片或者某组镜片前后移动，来修正光路，使成像落在感光元件上是最清晰的。普通的手机摄像头无法做到像单反相机那样移动某块镜片或者某组镜片来对焦，因此手机摄像头是通过镜头组整个前后移动实现自动对焦，驱动这一动作的就是VCM。

不同厂商的VCM结构略有不同，但总体上均包括外壳、支架、垫片、簧片、磁石、线圈、载体、底座等部件，内部结构较为复杂。

音圈电机（VCM）基于安培定理工作，即当线圈导电，其中的电流产生的作用力推动固定在载体上的镜头移动，从而改变对焦距离。可以看到，音圈电机（VCM）器件对于对焦距离的控制实际上是通过对线圈中电流的控制来实现的。

手机摄像头的VCM需要DriverIC配合完成对焦，通过DriverIC控制VCM供电电流的大小，来确定VCM搭载的镜头移动的距离，从而调节到适当的位置拍摄清晰图像。

正因为VCM技术难度并不高，所以全球参与VCM产业的厂商有上百家，总体上来看，这些厂家可以划分为日本、韩国、中国三大阵营。

2016年日本的音圈马达占据全球超过四成的市场份额，并掌握着全球音圈马达先进技术和制造能力，代表企业主要包括阿尔卑斯、三美、TDK等，其中阿尔卑斯和三美向苹果供应音圈马达。

韩国厂商占据全球VCM市场的超过两成份额，主要包括三星电机、磁化、Hysonic和LG-Innotek等。

2016年国产音圈马达在全球市场占据了三成以上的份额，企业数量在50家以上，主要包括新思考、比路电子、中蓝等，其中比路电子和新思考在国际市场表现较为出色。

2.3、红外截止滤光片：镀膜工艺是关键，水晶光电实力强劲

红外截止滤光片(IR-Cutfilter)是一种允许可见光透过而截止红外光的光学滤光片。当光线进入镜头，折射后可见光和红外光会在不同靶面成像，可见光成像为彩色，红外光成像为黑白。当把可见光所成图像调试好之后，红外光会在此靶面形成虚像，影响图像的颜色和质量。

红外截止滤光片又可细分为两种，一种是反射式滤光片，另一种是吸收式滤光片。滤光片最关键的工艺是镀膜，需要保证镀膜的均匀性和一致性，镀膜又可分为真空镀膜和化学镀膜两种方式。镀膜之后基本可以滤除650nm以上波长的光，满足基本的使用需求。

以蓝玻璃为基材镀膜制成的IRCF，是采用吸收的方式过滤红外光，可过滤630nm以上波长的光，比较彻底；而以普通玻璃为基材镀膜所制成的IRCF是以反射的方式过滤掉红外光，反射光容易造成干扰，效果差于蓝玻璃IRCF。

红外截止滤光片的主要生产厂商有欧菲光、水晶光电、田中技研、哈威特（已被奥托仑收购），欧菲光早在2002年就研发生产IRCF，此后进军触控屏及影像系统领域，IRCF增长放缓。水晶光电作为后起之秀，目前是国内龙头，同时也间接向苹果供应红外截止滤光片。

2.4、CIS传感器：技术创新与定制化是行业两大特点，IDM模式更有优势

CMOS图像传感器（CIS，CMOSImageSensor）是实现将光信号转换为电信号的模数转换器。

CMOS图像传感器由两部分组成：感光区域和处理电路。

感光区域由大量的感光二极管构成，每个感光二极管就是一个像素单元。光子在经过感光二极管之后，就会通过激发光电二极管中的材料放电，从而转化为电子被释放出来。电荷被储存而形成电势差，电势差被测量出来，从而可以得到该像素单元的灰度值。

处理电路是对感光区域获得的数据进行处理的电路，例如自动对焦、光学防抖、曝光时间控制、自动增益控制、时序控制、同步信号、行起始信号、场起始信号等，在传感器的工作过程中起着非常重要的作用。

技术创新驱动与客户定制化要求高是CMOS图像传感器行业的两个重要特点。

CMOS图像传感器是个技术密集型的行业，只有不断开创新技术的厂商才能立于不败之地。CMOS图像传感器的第一次重大创新是由前照式（FSI）转变为背照式（BSI）。

像素单元由片上透镜、彩色滤光片、金属线路、光电二极管构成。前照式结构中，当光线射入像素单元，经过了片上透镜和彩色滤光片后，先通过金属排线层，最后光线才被光电二极管接收。在这个过程中，金属线路会遮挡和反射一部分光线，极为影响成像质量。

索尼改变了这种制造像素单元的方式，采用背照式结构，将光电二极管放在金属线路的前面。这一方法让像素可以获得更多的感光量，大幅提高了信噪比，而且可以采用更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。这一进步大幅提高了手机的拍摄质量，直接促成了数码相机的衰落，也让索尼击败豪威科技拿到iPhone4S的图像传感器订单。

CMOS图像传感器的第二次重大创新是由非堆栈式转变为堆栈式。

非堆栈式是将感光区域和处理电路在同一片晶圆上制作，但这样会面临两个问题。

第一个问题是非堆栈式的两个区域都只能采用相同的工艺，比如65nm工艺。这样的工艺对于感光区域的像素制作是足够的，但是对于处理电路而言，更先进的工艺可以有更高的晶体管密度，其对于像素区域的管控能力也能得到提高，可以得到更好的画质。

第二个问题是为了提高像素集合光的效率，需要引入光波导管。光波导管的干刻过程中，硅晶圆和像素区域会有损伤，此时则要进行一个叫做“退火（annealingprocess）”的热处理步骤，让硅晶圆和像素区域从损伤中恢复回来，这时候需要将整块CMOS加热。这种加热会对处理电路产生不必要的损伤，会对信号读出产生影响。

索尼创造性地提出堆栈式的方法，解决了上面两个问题。首先利用晶圆和基板的热传导系数差异，通过加热将两者分离。然后使用65nm工艺制作感光区域，使用40nm工艺制作处理电路，然后堆叠在一起。这样一来，感光区域的面积也可以增大，可以制作更多的像素，处理电路也得到了优化。这样的摄像头体积变得更小，但功能和性能反而增强。

索尼在堆栈式结构的基础上再接再厉，在2017年2月推出了业界首款配备DRAM的三层堆栈式CMOS图像传感器IMX400。据索尼在ISSCC2017的论文中介绍，这个新型CIS的像素数组位于裸晶的顶层，DRAM数组和列驱动器位于中间，其余的区块则位于底部的ISP裸晶。加入了DRAM能够大大提升数据的读取速度，满足高质量照片的拍摄需求。

CMOS图像传感器行业的第二个重要特点是定制化要求非常高。

由于各大手机厂商对拍照性能的要求不同、理解也不同，所以对CMOS图像传感器的性能要求也不一样，这就需要进行定制化生产。

与公版感光元件固定化的参数相比，定制化的感光元件在参数选择上更加灵活。以华为P9为例，在确定了双摄像头理念后，找到索尼定制RGB/Monochrome架构的CMOS能够让双摄像头的实力得到更大发挥。另外如果在画质上有很高的追求，则可以找索尼定制一款低像素、大面积 大像素尺寸这种综合实力很强的CMOS（诸如IMX260）。

定制化要求CMOS图像传感器供应商具有柔性生产和较强的响应客户的能力，这也是在这个行业立足的核心竞争力之一。

技术创新与定制化这两大特点使得IDM模式在CMOS图像传感器行业更有优势。

IDM模式即将设计与制造两大环节垂直整合的模式，Fabless模式即只专注设计而将制造环节外包的模式。根据前面的分析，CMOS图像传感器其实有大量技术创新是在制造环节，那么IDM模式的厂商就可以更深刻地理解制造过程，从而实现技术上的改进，而代工的Fabless模式则因距离制造环节太远而无法更好地创新；与此同时，IDM模式让厂商在生产环节有了更多的掌控力，可以更好地完成手机厂商所要求的定制化参数。

根据Yole的统计，在2017年全球价值139亿美元的CMOS图像传感器市场中，索尼占据了42%的市场份额，是当之无愧的霸主。在索尼之后的是三星电子、豪威科技（Omnivision）、安森美（OnSemi）等厂商。

索尼、三星、佳能、尼康等厂商采用的是IDM模式，SK海力士则通过收购Siliconfile而成为IDM厂商。其余厂商则采用Fabless/Fablite的模式，例如安森美（OnSemi）交给L-Foundry代工，意法半导体交给台联电代工，豪威科技主要交给台积电代工，格科微主要交给中芯国际代工。

2.5、模组：技术壁垒不高，良率提升决定盈利能力

模组是把上述零组件整合到一起后的器件。手机摄像头模组的主流工艺有CSP、COB和FC三种，其中CSP主要用于低端产品，COB是最主流的工艺，FC则仅有苹果在使用。

在技术壁垒不高的情况，良率提升就成为决定盈利能力的关键。由于技术壁垒不高，所以很多厂商可以进入这个市场，但每家厂商在设备自动化水平、产线布局、控制算法开发、生产经验等方面存在差异，这导致各家厂商在生产同规格产品时的良率会出现很大不同。所以尽管进入这个行业的门槛不高，但拥有较高的良率水平才是盈利的关键。

苹果作为目前唯一使用FC封装的手机厂商，其摄像头模组供应具有很强的封闭性，只有具备大量FC封装产能的模组厂才可能进入苹果供应链。目前全球拥有FC封装产能的模组厂包括LG-Innotek、夏普、索尼、欧菲科技（收购索尼广州厂）和高伟电子，所以苹果的前后置摄像头模组都有这几家负责。目前LG-Innotek和夏普是苹果后置双摄的模组供应商，而欧菲科技和高伟电子则是苹果前置单摄的模组供应商。由于拥有FC技术的模组厂并不多，所以苹果的摄像头模组供应较为稳定。

舜宇和欧菲则主要依靠国产手机厂商，例如华为、OPPO、vivo、小米等。这两大模组厂在模组小型化探索上领先国内其他厂商，已基于COB技术开发出了新型封装技术，尺寸进一步缩小。两大模组厂的产品定位较为高端，主要供应各大手机厂商的旗舰机型。伴随着国产手机厂商的快速崛起，以及华为、OPPO、vivo、小米四大厂商的份额快速提升，舜宇和欧菲的摄像头模组业务也实现了快速成长。

3、3DSensing：全新市场，技术难度大，供应链要求高

3DSensing的硬件可以分为发射端和接收端两部分。发射端由VCSEL激光源、准直镜头和DOE扩散片组成，接收端由窄带滤光片、光学镜头和红外CIS组成。

在工作时，VCSEL激光源首先会发射出数百束特定频率的红外光，这些红外光经过准直镜头的校准之后，被传导到DOE扩散片，扩散片会将红外光束分散成3万多个随机的红外光点，照射到人的面部；经过面部反射之后的红外光被接收端接收，在经过窄带滤光片的过滤之后，特定频率的红外光经过光学镜头的投射被红外CIS所接收。

3DSensing是一个全新的增量市场，将给产业链带来新的成长动力。发射端的元器件大部分是创造了新的产业，价值量较大，在VCSEL激光源、准直镜头、DOE光学衍射元件、模组等领域给相关企业带来了巨大的全新需求。但发射端元器件的难度较高，需要较多的技术积累，所以目前主要是海外企业参与供应链，这也给未来大陆厂商的突破带来了契机。

接收端的元器件主要是在对存量产品应用领域的进一步的扩大，价值量相对发射端要小。大陆企业在窄带滤光片、光学镜头、模组等领域已经具有较强的实力，完全可以参与进去。但在红外CIS方面还是空白，需要未来的进一步突破。

3.1、VCSEL激光源：技术难度大，海外厂商主导

VCSEL（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，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、转换效率高、成本低等诸多优点，从而顺理成章地击败红外LED和EEL成为3DSensing的主流红外光源，被苹果等厂商所使用。

VCSEL的原理较为复杂，在介绍其工作原理前，我们首先介绍激光二极管的电激发光原理。

以砷化镓激光二极管为例，首先需要在砷化镓激光二极管芯片的上下各蒸镀一层金属电极，对着芯片施加电压，当芯片吸收电能时，会发出某种波长的光。发射的光在左右两个反射镜（DBR1、DBR2）间来回反射，产生谐振放大。由于右侧的反射镜被设计成可以透过一部分光（DBR2的层数较少），所以特定波长的高能量光束就会从右方穿出。

在上述过程中，DBR（DistributedBraggReflector，分布布拉格反光镜）起到了选取特定波长的光的重要作用。DBR由一系列不同折射率的介质层组成，每一介质层的厚度为波长的四分之一。当光遇到折射率大的介质时，光的速度变慢；遇到折射率小的介质时，光的速度变快。由于光在不同折射率介质的接口都会发生折射和反射，所以经过复杂的光学设计之后，DBR可以选择特定波长的光通过。

由于激光激发过程会产生波长很广的不“纯净”的光，所以在经过DBR的选择之后，可以产生波长范围很小的“纯净”的光，从而保证后续的使用。

在VCSEL中，发光层被称为多量子阱（MQW），其中由铟镓砷（InGaAs）和铝镓砷（AlGaAs）组成的MQW最为合适。铟（In）的比例可以决定最后发射激光的波长，当铟（In）的比例为0时，发射的是波长850nm的红外激光，这时的外延工艺较为简单，这也是850nm红外激光被广泛使用的原因；当铟（In）的比例为20%时，发射的是940nm波长的红外激光，这也是iPhoneX所使用的红外激光的波长。

在MQW发光层的上下部分是p-DBR与n-DBR，用于筛选出特定波长的“纯净”光。由于出射光的方向一般是顶部，所以在底部还需要一层衬底。

阳光中的940nm红外光会在长距离传播中被空气中的水分吸收掉，而iPhoneX所用的940nm红外光则因距离面部近而不会被吸收，这样可以避免阳光中的红外光干扰产生“红暴”现象，所以苹果才选用这个波长的红外光。850nm红外光则一般用于光通信中。

VCSEL的生产过程可以分为外延工艺和芯片工艺两部分，前者用于生产处外延片，后者是对外延片进一步的加工。

外延工艺的目的是在衬底上生成多量子阱谐振腔（MQW）和反射镜（DBR）等外延层，使用的工艺是MOCVD（金属有机物化学气相沉积），与传统化合物半导体的外延工艺很相近。

外延的基本过程是，将前驱物和掺杂物由反应气体送入一个已加热的高温反应腔体，砷、镓等三五族原子受热产生化学反应，并且在晶格成长最后形成原子排列整齐的薄膜，这种薄膜的沉积就被称为外延。

外延工艺的难点在于精准控制每层外延层的厚度、均匀度，以及控制缺陷密度。由于每层外延层只有几纳米至几十纳米厚度，所以对于工艺精细度的要求非常高。

芯片工艺包括多次清洗、光刻、干法刻蚀、金属化工艺以及一次湿法氧化工艺，与传统的芯片制造工艺较为类似。

湿法氧化工艺是VCSEL芯片制造中最关键的工艺，外延结构中高铝组分氧化层通过湿法氧化工艺后变成低折射率、高绝缘性的Al2O3形成有效的光场和电场限制。氧化孔径的大小和形状影响着VCSEL器件的很多性能参数，如VCSEL的阈值电流大小、光功率大小、串联电阻大小等。湿法氧化工艺时，通过控制氮气气体流量、腔室内加热温度来控制氧化速率，保证氧化速率的稳定性，从而达到用时间精准控制氧化孔径大小的目的，同时还使用红外光源的CCD用于实时观察氧化情况，保证氧化工艺的成功率。

VCSEL产业由设计、外延片、晶圆代工、封测等四个环节组成，整个产业高度分工、专业化程度很高，拥有较高的技术门槛。

大部分设计厂商都是从光通信领域切入消费电子领域，主要厂商包括Lumentum、Finsar、Princeton等。Lumentum为苹果核心供应商，其一方面采用IDM模式自行制造VCSEL，另外也与代工厂合作生产。除了Lumentum，苹果正在积极扶持Finsar，以降低供应链集中的风险。Princeton已在2017年被AMS（艾迈斯）所收购，并已在新加坡建设新工厂，用于生产高功率VCSEL，已成为小米8透明探索版的VCSEL供应商，未来可能是安卓厂商的首选。

在外延片领域，英国公司IQE是全球最大的独立外延片供应商，市场份额大约为80%，是苹果核心供应商。其他的外延片供应商还包括台湾地区的全新和联亚光电。

在代工领域，台湾地区的稳懋为全球最大的化合物半导体代工厂，其在化合物半导体代工市场的市占率超过50%，并与Lumentum紧密合作而成为苹果核心供应商。而宏捷科则拥有AMS（艾迈斯）入股，未来有望随着AMS而切入消费电子3DSensing产业。

在封测领域，主要厂商均来自台湾地区，主要包括联均、欣品和同欣等厂商。

3.2、准直镜头：技术难度高，Heptagon垄断专利

VCSEL发出的光具有较宽的波瓣，不利于后续的衍射过程，需要将这些光汇聚校准为窄波瓣的近似平行光。这种将激光校准为平行光的器件就是准直镜头。

由于准直镜头靠近VCSEL红外激光源，VCSEL产生的大量热量会影响准直镜头的形状、尺寸及折射率，所以耐热性成为了准直镜头的关键。现在准直镜头的制造工艺有WLO、WLG和模造工艺三种

WLO（WaferLevelOpticals，晶圆级光学镜头）采用晶圆和特殊液体聚合物作为光学材料，被苹果选为iPhoneX的准直镜头方案。WLO的生产过程主要包括以下六个步骤：

1）将特定液态聚合物的微小液滴准确分布到硅晶圆表面；

2）使用特定的精细模具压印聚合物，使用紫外光固化晶圆上的聚合物，使其硬化；

3）将晶圆从模组中分离出来；

4）在晶圆的另一面重复上述过程；

5）使用小间隔物堆叠按上述过程生产的晶圆；

6）将堆叠而成的硅晶圆切割成单独的微光学结构，每个晶圆可以产生上千个微光学结构。

在上述过程中，紫外光对聚合物的缩水补偿是工艺的关键。

目前大部分WLO专利都在Heptagon（已被AMS收购）手中，形成了非常高的壁垒，苹果iPhoneX所使用的WLO就是由Heptagon所提供。

WLO采用半导体级工艺，具有尺寸小、高度低、一致性好、生产灵活等特点，采用半导体工艺在大规模量产之后具有成本优势。但目前WLO工艺仍处于生产的初级阶段，积累的生产经验不多，导致良率不高。同时WLO工艺目前最高像素只能做到3M，只适合做非成像镜头（如准直镜头），限制了其适用范围。而在至关重要的耐热性方面，由于WLO是聚合物和玻璃混合在一起，聚合物的耐热性较差，导致WLO的整体耐热性受到限制。正因为WLO的耐热性较差，所以业内正在寻找各种替代方案。

模造工艺即首先使用模造工艺生产玻璃透镜和塑胶透镜，然后将玻璃透镜或塑胶透镜组合到一起制成准直镜头。在具体材料组成方面，有全玻璃、玻塑混合、全塑胶三种组合。尽管塑胶的耐热性不如玻璃，但台湾的大立光通过在塑胶镜头中多增加一片透镜，并增加音圈马达，也可以具有较强的耐热性。根据大立光最新的股东常会透露，其全塑胶方案已向客户送样。

模造工艺生产流程主要包括玻璃初胚的制作、加热成型、退火处理、量测、芯取、镀膜、切边、涂墨等工序，制造过程中需要掌握大量know-how才能控制好质量和良率，对工艺的精细度要求非常高。

模造工艺是目前制造镜头的最成熟工艺，目前手机摄像头所用的成像镜头都是使用模造工艺制成的，所以模造工艺在产能、良率、成本上都有较为明显的优势，大立光、舜宇光学、瑞声科技等均可大规模制造模造镜头。如果模造工艺成为准直镜头的方案，将对这些传统手机镜头供应商带来较大的增量市场空间。

3.3、光学衍射元件：精度控制是关键，台湾地区厂商掌握主导权

经过准直镜头校准后的激光束并没有特征信息，因此下一步需要对激光束进行调制，使其具备特征结构，光学衍射元件（DOE）就是用来完成这一任务的。VCSEL射出的激光束经准直后，通过DOE进行散射，即可得到所需的散斑图案（Pattern）。

DOE的基本原理是利用衍射原理在元件表面制备一定深度的台阶（光栅），光束通过时产生不同的光程差，满足布拉格衍射条件。通过不同的设计来控制光束的发散角和形成光斑的形貌，实现光束形成特定图案的功能。DOE是一个单一光学元件，可将入射光束分散成无数个光束再射出。每一个分散之后再射出的光束，都与原先入射进来的光束拥有相同的光学特性，包括偏振性、相位等。DOE可产生1D（1xN）或2D（MxN）的光束矩阵，视DOE的表面微结构而定。

DOE的特点是能够在保持较高衍射效率的同时对光强分布进行精确控制，因此DOE成为让激光生成随机散斑的理想元件。

DOE的表面是大量的台阶式光栅，需要保证纳米级别的精细度，所以一般是用半导体生产中的光刻、刻蚀等工艺来制造。

DOE的制造门槛较高，苹果是由其自行设计pattern，然后交由台积电采购玻璃后进行图案化过程，精材科技将台积电pattern后的玻璃进行堆叠、封装和研磨，然后交采钰进行ITO工序，最后由精材科技进行切割。台湾地区的奇景光电也具有生产DOE的能力，目前正与高通合作。大陆地区还没有具备DOE设计和加工能力的公司。

3.4、接收端镜头：使用普通手机镜头，产业链十分成熟

传统的手机镜头需要达到非常好的成像效果，所以需要非常复杂的光学设计和制造工艺。（关于手机镜头的工艺难点和行业特性，请参见本报告的2.1节）但接收端红外摄像头对光学镜头的要求远不如可见光摄像头那么高，对光线的通光量、畸变矫正等指标容忍度较高，所以目前3DSensing接收端镜头主要使用已成熟的普通镜头。

苹果iPhoneX接收端镜头为4P结构，供应商为台湾地区的大立光和玉晶光。除了这两大厂商，还有关东辰美、舜宇光学、瑞声科技等均可提供接收端镜头。随着大陆手机厂商开始普及3DSensing功能，舜宇光学和瑞声科技可能凭借本土供应链优势而获得较大的份额。

3.5、窄带滤光片：所起作用十分重要，镀膜工艺是关键

窄带滤光片是只允许特定波长的光通过而滤除其余波长的光的光学元件。3DSensing的发射端会发射940nm波长的红外光，接收端需要滤除其余波长的光而仅仅接受940nm红外光，所以需要使用窄带滤光片。窄带滤光片的通带相对比较窄，一般要求在中心波长值的5%以下。

窄带滤光片的薄膜一般由低折射率和高折射率的两种膜组成，叠加后层数达几十层，每一层薄膜的参数漂移都可能影响最终性能；而且窄带滤光片透过率对薄膜的损耗非常敏感，所以制备峰值透过率很高、半带宽又很窄的滤光片非常困难。制备薄膜的方法有很多种，包括化学气相沉积、热氧化法、阳极氧化法、溶胶凝胶法、原子层沉积（ALD）、原子层外延（ALE）、磁控溅射等，而不同方法制备的薄膜性能差异很大。

窄带滤光片的难度和价值量都高于传统摄像头所用的滤光片，目前仅有VIAVI和水晶光电的技术较为成熟，这两家也是苹果iPhoneX的窄带滤光片供应商。

随着国产手机厂商将在2019年开始快速普及3DSensing功能，水晶光电作为本土的窄带滤光片供应商，将有望占据更为重要的位置。

3.6、红外CIS：技术较为成熟，定制化是行业主要特点

红外CIS（CMOSImageSensor）即红外CMOS图像传感器，是用来将接收到的红外光转换为数字信号的器件，在技术上已经比较成熟。

在原理上，红外CIS与可见光CIS是一致的，但可见光CIS需要识别RGB三种颜色，并且需要呈现非常清晰的图像，所以对分辨率的要求很高（关于RGBCIS的详细分析，请参见本报告的2.4节）。而红外CIS只需要获取结构光的深度信息，不需要产生清晰的成像，所以分辨率要求不高，通常2M像素即可满足要求。目前红外CIS的供应商主要有意法半导体、奇景光电、三星电子、富士通、东芝等，其中意法半导体是iPhoneX红外CIS的供应商。

由于各厂商使用的3DSensing方案差异较大，各个厂商对红外CIS的要求也有很大的差异，所以需要供应商提供定制化的红外CIS。例如iPhoneX所用的接收端红外CIS使用了独创的SOI衬底和深沟隔离（DTI）两种技术，用于满足苹果的定制化要求。

红外CIS成像系统的有效范围与其灵敏度直接相关，并由两个关键性的测量参数所确定：量子效率（QE）和调制传递函数（MTF）。红外CIS的QE代表其捕获光子与其转换为电子的比率，QE越高，NIR照明所能达到的距离越远，并且图像亮度越高。MTF所测量的是在特定的分辨率下图像传感器将成像物的对比度传送到图像中的能力，MTF越高，图像越清晰。

SOI衬底是使用二氧化硅绝缘物作为衬底的一种新型硅片。在传统硅片里，使用单晶硅作为衬底，由于硅衬底可以导电，所以源极和漏极其实是相连的，衬底中会有存在漏电，增大功耗，同时产生巨大的寄生电容。SOI衬底由于使用绝缘物作为衬底，就会大幅减少漏电，也大大减少了寄生电容，这样可以提高量子效率。

由于像素与像素之间会产生光线与电流的串扰问题，这种串扰会降低成像的锐度，影响图像的还原，形成噪点。深沟隔离技术可以理解为一堵墙，可以避免像素间的干扰，增强光线利用率。

3.7、模组：行业门槛并不高，良率提升是盈利关键

3DSensing模组环节就是把上述各元件组装形成一个整体的过程。模组环节技术难度并不大，并且受益于摄像头模组行业的发展（关于摄像头模组行业的讨论，请参考本报告的2.5节），已经拥有众多厂商可以生产3DSensing模组，所以行业门槛并不高。

尽管行业进入门槛不高，但如何把产品良率维持在一个较高的水平是稳定盈利的关键。影响3DSensing模组良率的环节主要体现在以下几个方面：

1）发射端拥有准直镜头、衍射光学元件等非常精密的光学元件，在组装时需要保证非常高的精度；

2）发射端的VCSEL激光器需要进行光谱检测和校准；

3）发射端、接收端、泛光感应器件需要通力合作，三者在位置上的准确度和稳定性对于最终3DSensing效果有非常重要的影响，需要高难度的匹配和校准。

以上环节主要是对精度的要求，稍有不慎就会产生废品降低良率，所以这是一个需要精密和准确的行业，而不是一个依靠技术创新的行业。

目前，具备3DSensing模组制造能力的厂商包括LGInnotek、富士康、夏普、欧菲科技、舜宇光学等。其中LGInnotek是iPhone3DSensing发射端模组的独家供应商，富士康和夏普是iPhone3DSensing接收端模组的供应商。欧菲科技、舜宇光学等大陆厂商在模组领域也具备很强的实力，已经可以大规模量产3DSensing模组。随着国内手机厂商在3DSensing领域快速推进，欧菲科技、舜宇光学将有望深度受益。

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