新兴市场拉动VCSEL应用,3D Sensing市场发展迅猛

来源:华强电子网 作者:孙芳芳 时间:2018-08-22 09:48

3D SENSING VCSEL 手机

  VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser),即垂直腔面发射激光器,集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身,相比于LED和边发射激光器EEL,在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。随着VCSEL芯片技术的成熟,以其作为核心元件的3D Sensing走入应用,在活体检测,虹膜识别, AR/VR技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。近期,3DSensing的主要应用以手机为主,iPhone X 首次搭载3D结构光模组,引领3D Sensing消费市场。目前,全球3D Sensing供应链趋于完善,VCSEL设计厂商Lumentum、II-VI 、Finisar、AMS,VCSEL外延片供应商IQE、全新光电以及台湾晶圆代工厂稳懋、晶电等均纷纷布局3D Sensing领域。

  随着VCSEL技术的不断发展,以其作为核心元件的3D摄像头可以更快、更好的走入应用,产品进入市场。3D成像对比传统的2D成像技术有着更好的技术特性,全面的三维信息可以更好的应用在智能化设备中,如活体检测,虹膜识别,AR/VR技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域,随着时间演进,到2023年3D传感的市场空间达到180亿美金,2018年-2023年复合增速达到44%。

图表1:3D Sensing 市场规模快速增长($ M)资料来源:Yole


  据Trend Force统计,到2017年年底,全球3D Sensing市场规模仅为8.19亿美元。但受益于消费电子市场可预见的爆发式增长,全球3D Sensing市场规模将不断扩大。Trend Force预测,未来几年3D Sensing市场规模将呈几何式增长,到2020年,3D Sensing市场规模可达到108.49亿美元。其中,3D Sensing在智能手机市场上的渗透率不断提高,3D Sensing渗透率有望从2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。

图表2:全球3D sensing 市场规模预测及智能手机市场占比  资料来源:Trend Force


  据Deutsche Bank统计,2017年搭载3D Sensing模组的智能手机(仅有iPhone)数量为3800万台,在智能手机上搭载率仅为3%。2018年随着3D Sensing模组在Android手机上进行使用,智能手机市场3D Sensing模组需求扩大。

  据预测,2020年搭载3D Sensing模组的iPhone手机数量将达4.4亿台,搭载3D Sensing的Android手机数量将达4.65亿台,3D Sensing在智能手机上搭载率将达到38%。

图表3:智能手机市场3D Sensing 模组搭载情况预测资料来源:Deutsche Bank


  苹果iPhone X搭载3D结构光模组,推动消费升级

  3D成像就是在二维图像,包括颜色,亮度,细节的基础上增加了景深的信息,在拍照的同时,获取对象的景深数据,应用于人脸识别,虹膜识别,手势控制,机器视觉,计算摄影。3D摄像头模组:RGB摄像头+深度摄像头,并搭载核心3D Sensing算法一起来提供3D成像。其中深度摄像头在整个3D摄像头模组中起了非常关键的作用,可提供场景的深度图像,是图像由二维转换为三维的关键技术点。为了实现3D成像,目前需要解决的是深度摄像头的方案,目前已有的3D成像方案有:结构光法,飞行时间法(TOF)和双目测距法。

  在光学领域,苹果始终保持行业领先地位。当下热门的3D摄像头技术,苹果早在2010年便展开布局。如今,苹果已收购多家相关技术领域的公司。

  iPhone X采用的3D Sensing核心元件包括点阵投影器(Dot projector) 、接近传感器(TOF)和泛光照明(Flood illuminator)等。iPhone X 红外点阵投影器通过采用VCSEL二极管配合主动式衍射光学元件和折叠光学元件得以实现。

  其中,VCSEL芯片安装在氮化铝的DPC陶瓷基板上,氮化铝基板贴装于HTCC陶瓷基座底部。主动式光学元件的电极和陶瓷基板中的IC通过组件侧方的金属连接器相连。系统工作时,由VCSEL芯片发出红外光束,经过折叠光学元件引导至主动式衍射光学元件,再由主动式衍射光学元件将光束分成30000个点光束发射而出。这种非常独特的装配方案获得了最优化的热管理性能,并能为所有的光学元件提供更高的对准精度。

  iPhone X泛光照明器采用近红外VCSEL,通过发射辅助红外光确保系统在较暗环境下正常运行。TOF接近传感器可测得用户和手机距离,当用户在接听电话时,会自动关闭屏幕。

  苹果作为手机行业龙头,率先在智能手机上大规模采用3D Sensing技术,引领3D Sensing消费市场。最近,最新发布的安卓手机小米8探索版中也搭载了Mantis Vision编码结构光方案。OPPO的FIND X手机也采用3D结构光模组,通过向人脸投射15000个光点,建立毫米级精度的3D深度图,并快速与用户信息进行比对。同样,华为预计今年下半年相关机型也将会搭载3D Sensing设备。

  VCSEL供货商看好手机3D Sensing市场,供应链趋于完善

  自苹果手机iPhone X搭载3D Sensing摄像头引爆市场后,国内各手机品牌在新推出的智能手机上也纷纷搭载3D结构光组件。据估计,2018年全球手机镜头颗数总量可达约37亿颗,YoY达11.5%,2020年达45亿颗,摄像头总量增加高于智能手机增速。这主要由于双或多摄像头普及率越来越高,且每台手机搭载不同功能的镜头数量越来越多。

  三星和华为出产的手机预计有90%以上将搭载双或多摄像模块。预计2020年每台手机将搭载2.94颗,到2021年每台手机搭载颗数将超过3颗。3D Sensing产业的良好前景,已引起了国内厂商注意,晶电、三安等厂商积极进入该市场。

图表4:苹果3D sensing 零部件价值量详细拆分


  1. VCSEL设计环节:Lumentum、II-VI 、Finisar等积极布局

  专业光学厂商——Lumentum

  公司2015年从光通讯领域龙头、全球最大光纤零件供应商JDSU拆分出来,是一家专业光学厂商,产品主要应用于数据通信、电信网络、商用激光器以及消费电子领域的3D传感。Lumentum深耕VCSEL多年,在2005年、2007年通过收购Agility和Picolight两家公司获得短波VCSEL技术。目前,Lumentum凭借其先进的技术和丰富的制造经验,已成为VCSEL的全球领先供应商。

  公司于2017年成功进入苹果公司3D Sensing供应链,今年3月,Lumentum溢价27%收购Oclaro,预计将于今年下半年完成所有程序。Oclaro的加入可以增加Lumentum的产品种类、扩大其业务范围。同时,Oclaro将自身具有优势的磷化铟激光器、光子集成电路和相干器件模块研发制造等技术带入Lumentum,可更好地驱动创新、加速产品发展,使其有望成为VCSEL及3D Sensing行业的领先者。

  Lumentum已经开始为部分安卓客户提供VCSEL,但是部分安卓客户仍选择边缘发射器,目前VCSEL对于公司的营收贡献较小,但公司预计VCSEL将对2019财年增长及3D Sensing的增长做出巨大贡献。公司在3D Sensing上保持超过平均利润率的水平,并将于下半年的新品发布会上发布新产品。

  全球工程材料制造领导者——II-VI Incorporated

  II-VI Incorporated是全球领先的工业材料制造商,其业务范围涉及工业、军事、医疗雷达设备、光通讯产品、复合半导体衬底产品以及材料处理和加工元件的工程设计材料和光电感应部件。在半导体激光器应用上,II-VI Incorporated已和客户开发出DFB激光器(边缘发射器),并且也看到了光纤激光器的新性能所带来的收益。但II-VI Incorporated仍认为,VCSEL目前仍是搭载3D感应的首选激光平台,其激光部门已推出了多款VCSEL产品,且已被部分VR产品采用。公司预计到2020年,在AR/VR、3D sensing的推动下,仅VCSEL产品的市场规模就将达到20亿美金。

  在3D Sensing方面,随着市场的不断扩大,II-VI Incorporated增加了研发和生产投入。2017年8月,公司以8000万美金收购Kaiam的6寸晶圆厂,旨在扩产自己的VCSEL晶圆产线,用于制造砷化镓、碳化硅和磷化铟材料复合半导体器件。此次收购将强化公司在VCSEL方面竞争力,拓展在6英寸砷化镓、碳化硅和磷化铟器件方面制造能力。

  同此,也使得公司能够切入快速增长领域,如3D传感、5G、电动汽车以及数据中心通信等。

  II-VI Incorporated2018财年第3季度在半导体终端设备市场的销售额几乎翻了一番,但其新兴的3D Sensing市场出货量低于预期。但是II-VI Incorporated表示,对于未来3D Sensing市场仍然看好,并相信公司的战略基础是完整正确的。目前,公司正在加快建设技术层面和产品路线图,这能使公司可以建立并提升差异化能力。同时,公司将继续和3D Sensing客户合作,扩大市场渗透率并且组建更广泛的产品组合,实现包括汽车和工业市场在内的多元化销售终端市场。同时认为未来3D Sensing将在自动驾驶汽车和家庭自动化上大放异彩,预期将在2019年后期看到显著的成果。

  苹果3.9亿美元投资Finisar用于扩产VCSEL

  Finisar公司是全球最大、技术最先进的光通讯器件供应商,为电讯设备及服务商、光学显示、安全系统、医疗器械、环保设备、航空及防御体系提供光学组件、模块及子系统。在VCSEL技术及其产品应用方面,Finisar提供3大系列VCSEL器件,包括高能、单模、多模,产品种类近30种,并且器件耦合性好、发散性低,光束发散角度控制在12-15度,产品最高工作温度高达 60度。在VCSEL制造技术和生产能力方面,公司保持每年1.5亿件VCSEL出货量。

  2017年12月,Finisar成功打入苹果3D Sensing供应链。苹果公司通过旗下先进制造基金向Finisar授予3.9亿美元预付款,主要用于支持Finisar研发和批量生产VCSEL激光器。Finisar于2017年8月开始已经开始批量供应3D Sensing方面应用的VCSEL激光器芯片,并利用苹果的投资在德克萨斯州的Sherman市重新开设一家原已关闭的工厂。

  该厂房将专门用于开发和生产VCSEL6寸晶圆。该芯片可实现深度感知和接近感知,可应用于Face ID,Animoji和ARKit等功能,并预计于今年下半年该厂房可以开始批量供应。同时,Finisar开启在中国无锡制造基地厂房的三期工程。Finisar无锡制造基地的只要制造成品中包括可调合并行收发器、WSS模块、ROADM线路卡、无源器件以及VCSEL和探测器的高端光子系统等。

  在2018财年第4季度,公司的财务表现不佳,但2019财年的收入增长和毛利率已出现改善趋势,预计2019第2季度VCSEL激光阵列用于3D Sensing的需求会增加,因为有客户在此区间会推出新产品。公司除了在消费和汽车应用VCSEL外,也已开始开展其他领域的应用,在年底有望于获得使用6 英寸晶圆的认证,这可以显著提升公司的产量。目前,Finisar认为,近期的3D Sensing主要应用以手机为主,但是预计在2019年到2020年初,将会看到汽车等其他领域对3D Sensing的应用。

  AMS收购Princeton拓展VCSEL业务

  2017年7月,AMS宣布完成收购Princeton Optronics,Inc 100%股权的交易。Princeton Optronics公司致力于开发并供应高性能VCSEL,VCSEL能够为智能手机、消费类产品、汽车和工业应用带来差异化的高性能。在手机和消费类市场,Princeton Optronics公司树立了能效和光束发散精确控制的行业标杆,为其应用创造了优势。在汽车和工业市场,Princeton Optronics公司的技术可以实现高温运行,并能提供高功率脉冲激光器和激光器阵列,以支持未来的汽车和工业应用。VCSEL预计将在人机界面应用的光学传感器解决方案中获得大量应用。未来几年,智能手机应用中日益广泛采用的3D传感将加速VCSEL光源的市场增长。

  Princeton Optronics公司通过与台湾、美国以及英国的合作伙伴,打造了大规模外包供应链。AMS首席执行官Alexander Everke对此次收购评价道:“AMS本身能够提供包括滤波器在内的光学传感器,收购Heptagon公司(2016年10月)后获得了光路光学相关技术和产品组合,此次收购增加的光源技术及产品将进一步扩展AMS光学传感器解决方案的供应能力。凭借扩充的产品线,AMS将能够为移动3D传感和成像、汽车自动驾驶等未来增长市场,设计并制造最完整最差异化的光学解决方案。

图表5:VCSEL 设计厂商近期动态



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