结构光3D成像 四大部件难度各异

　　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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