结构光3D成像 四大部件难度各异

来源:华强电子网 作者:王聪 时间:2017-06-15 09:55

3D成像 手机 结构光

  1.四大部件组成结构光,难度各异

  结构光3D成像技术主要由4大部分组成:

  1)不可见光红外线(IR)发射模组:用于发射经过特殊调制的不可见红外光至拍摄物体。

  2)不可见光红外线(IR)接收模组:接收由被拍摄物体反射回来的不可见红外光,通过计算获取被拍摄物体的空间信息。

  3)镜头模组:采用普通镜头模组,用于2D彩色图片拍摄。

  4)图像处理芯片:将普通镜头模组拍摄的2D彩色图片和IR接收模组获取的3D信息集合,经算法处理得当具备3D信息的彩色图片。

  1.1 IR发射模组:核心部件高壁垒,影响成像效果

  IR发射模组的工作流程主要为:1)不可见红外光发射源(激光器或者LED)发射出不可见红外光;2)不可见红外光通过准直镜头(WLO)进行校准;3)校准后的不可见红外光通过光学衍射元件(DOE)进行散射,进而得到所需的散斑图案。因为散斑图案发射角度有限,所以需要光栅将散斑图案进行衍射“复制”后,扩大其投射角度。

  因此IR发射模组主要部件包括:不可见红外光发射源(激光器或者LED)、准直镜头(WLO)、光学衍射元件(DOE)。

  不可见红外光发射源:将以VCSEL为主流

  红外主要波长是700nm-2500nm。目前的摄像头对900nm以上的红外光感应差,需要更强的光才能感测到;而800nm以下的波长,太靠近可见光,极其容易受到太阳光的干扰,所以一般红外的波长在800nm-900nm。目前,可以提供800-900nm波段的光源主要有三种:红外LED、红外LD(激光二极管)和VCSEL(垂直腔面发射激光器)。

  VCSEL是以砷化镓半导体材料为基础研制,主要包含激光工作物质、崩浦源和光学谐振腔3大部分。相比较而言VCSEL光谱准确性更高、响应速度更快、使用寿命更长、投射距离更长,因此比LED光源具有明显优势,在智能设备中VCSEL将成为主流。

  VCSEL全名为垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL),简称面射型激光,是一种垂直表面出光的新型激光器,也是光纤通讯所采用的光源之一。VCSEL 的制造依赖于MBE(分子束外延)或MOCVD(金属有机物气相沉积)工艺,在GaAs(80%左右的份额)或InP(15%左右的份额)晶圆上生长多层反射层与发射层。由于VCSEL 主要采用三五族化合物半导体材料GaAs 或 InP(含有In、Al 等掺杂),因此移动端VCSEL产业链与化合物半导体产业链结构类似。

  目前, 全球范围内主要的设计者包括Finsar 、Lumentum、Princeton Optronics 、Heptagon、ⅡⅥ等公司,它们在移动端VCSEL处于前沿的研发角色。由IQE、全新、联亚光电等公司提供三五族化合物EPI 外延硅片, 然后由宏捷科( Princeton Optronics 合作方)、稳懋(Heptagon 合作方)等公司进行晶圆制造,再经过联钧、矽品等公司的封测,便变成了独立的VCSEL 器件。然后由设计公司提供给意法半导体、德州仪器、英飞凌等综合解决方案商,再提供给下游消费电子厂商。

  准直镜头:预计将以WLO工艺为主

  由VCSEL发出的红外光需要经过准直镜头的校准,准直镜头利用光的折射原理,将波瓣较宽的衍射图案校准汇聚为窄波瓣的近似平行光。准直镜头可以采用传统的光学镜头制造方法,也可以采用WLO(晶圆级镜头)。

  根据传统光学镜头和WLO的性能对比,WLO成本更低、生产效率更高、镜头一致性更好,更适合用于制造准直镜头。同时根据厂商信息,AMS旗下Heptagon是该市场领导者,公司表示将在2017年中看到明显的营收增长,我们相信这一预期主要来之苹果的订单。

  光学衍射元件(DOE)

  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)。由于DOE对于光束进行散射的角度(FOV)有限,所以需要光栅将散斑图案进行衍射“复制”后,扩大其投射角度。

  光学衍射元件DOE的制造门槛较高,预计将由台积电采购玻璃后进行pattern,精材科技将台积电pattern后的玻璃与VCSEL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。

  1.2 IR接收模组:窄带滤光片为国内厂商主要机会

  IR接收模组用于对被拍摄物体反射的红外光进行接受和处理,获取被拍摄物体的空间信息。IR接收模组主要由3部分组成:1)特制红外CMOS;2)窄带滤光片;3)镜头Lens;

  特制红外CMOS

  接收端CMOS的要求是其能接受被拍摄物体发射回来的红外散斑图案,不需要对其他波长的光线进行成像。相对普通RGB CMOS而言,红外CMOS是一个相对小众的市场,但是增速很快,目前主要厂商包括:意法半导体、奇景光电、三星电子、富士通等。

  窄带滤光片

  在IR发送端,VCSEL发射的是940nm波长的红外光,因此在接受端需要将940nm以外的环境光剔除,让接受端的特制红外CMOS只接收到940nm的红外光。为达到这一目的,需要用到窄带滤光片。所谓窄带滤光片,就是在特定的波段允许光信号通过,而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止,窄带滤光片的通带相对来说比较窄,一般为中心波长值的5%以下。窄带滤光片主要采用干涉原理,需要几十层光学镀膜构成,相比普通的RGB吸收型滤光片具有更高的技术难度和产品价格。目前业内主要厂商为VIAVI(JDSU拆分而来)和国内的水晶光电。

  接收端镜头(Lens)

  接收端镜头为普通镜头,业内方案成熟,大立光、玉晶光、Kantatsu等厂商都能提供。

  总体而言,接收端除窄带滤波片较特殊,制造难度较高外,特征红外CMOS和镜头都是成熟产品,不存在制造难度。

  1.3 镜头成像端:产业链成熟,非增量业务

  镜头成像端就是指目前智能手机的手机镜头模组,主要包含:音圈马达(Voice Coil Motor,VCM),镜头(Lens),红外截止滤光片(IR-Cut Filter,IRCF),图像传感器(CMOS Image Sensor)以及印刷线路板(Printed Circuit Board,PCB)。产业链成熟,供应商众多,在此不再赘述,同时3D成像的兴起对镜头成像端而言并无变革。

  1.4 3D图像处理芯片:难度高,突破难

  3D成像所需的图像处理芯片和一般的图像处理芯片有所区别,其通过复杂的算法将IR接收端采集的空间信息和镜头成像端采集的色彩信息相结合,生成具备空间信息的三维图像。该芯片设计壁垒高,目前供应商仅为几个芯片巨头,包括STM(意法半导体)、TI(德州仪器)、NXP(恩智浦)。

  2 产业链梳理 2017年为3D成像元年

  2.1 产业链梳理:外资为主,国内厂商有所卡位

  目前结构光产业链一流供应商皆已被苹果锁定,包括整体方案商PrimeSense(2013年以3.45亿美元收购),核心部件VCSEL、DOE、WLO、Fliter中的一流供应商皆在与苹果做试样。目前国内厂商在Fliter(水晶光电)、模组(欧菲光)方面具备较强实力,但在VCSEL、DOE、WLO、IR CIS、3D图像处理芯片方面能力欠缺,以下是我们对结构光产业链的完全梳理。

  2.2 2017年为3D成像元年,未来3年市场增长迅速

  在结构光中,镜头成像端就是原来的前置摄像头,因此采用结构光方案对前置摄像头模组无拉动效应,增量部分来自IR发射模组、IR接收模组、3D图像处理IC。

  2017年3D成像市场主要由iPhone新款手机贡献,预计iPhone手机2017年3D成像渗透率为21.3%。进入2018年我们预计iPhone手机将全面使用前置3D成像,后置3D成像开始逐步采用。预计苹果带来的3D成像市场规模从2017-2020年分别为5、18.6、30.1、32.3亿美元。非苹阵营3D成像的启动时间预计在2018年,虽起步晚,但出货量大,我们预计2018-2020年非苹阵营带来的3D成像市场需求分别为15.8、37.5、69.6亿美元。总计2017-2020年智能手机3D成像市场规模为5、34.4、67.6、102.3亿美元。

  智能手机是3D成像技术的主要应用市场,但不是唯一市场,预计PAD和NB未来也将搭载3D成像技术。如果考虑来自PAD和NB市场的3D成像需求,我们预测2017-2020年市场规模为5、34.6、68.5、107.2亿美元。



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