3D攝像頭產業鏈解析｜半導體行業觀察

來源：內容來自「SIMIT戰略研究室」，作者 葉樹梅，謝謝。

通過對iPhone X的3D攝像頭產品進行拆解分析，3D攝像頭產業鏈可以被分為：

1. 上游：紅外感測器、紅外光源、光學組件、光學鏡頭以及CMOS圖像感測器；
2. 中游：感測器模組、攝像頭模組、光源代工、光源檢測以及圖像演算法；
3. 下游：終端廠商以及應用。

iPhone X「齊劉海」結構

iPhone X「齊劉海」所採用的3D成像模組X-Ray照

3D攝像頭在傳統攝像頭基礎上引入基於TOF或結構光的3D感知技術，這兩種3D感知技術均為主動感知，因此3D攝像頭產業鏈與傳統攝像頭產業鏈相比，關鍵部件在於：1、紅外感測器；2、紅外光源；3、光學組件。

紅外感測器

紅外感測器是距離感測器之高配版，紅外感測器目前主要分為AMS/Heptagon和ST兩大陣營，TI和Infineon也在這一領域有所布局。AMS從iPhone 4起為蘋果供應環境光感測器，旗下Heptagon一直致力於小型化TOF感測器開發，2016年被AMS收購。ST近年來開發數款集成紅外感測器、紅外激光發射器的3D攝像頭模塊，其中基於TOF技術的VL6180X方案被iPhone 7採用作為距離感測器使用。

紅外光源

3D攝像頭的紅外光源主要有紅外LED和激光器兩種。早期3D感測系統一般都使用LED作為紅外光源。在技術方面，由於LED不具有諧振器，導致光束更加發散，在耦合性方面也不如VCSEL。由於VCSEL在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面佔優的情況下，現在常見的3D攝像頭系統一般都採用VCSEL作為紅外光源。從紅外LED到VCSEL激光器，這就是3D攝像頭中紅外光源的前生今世。

LED與VCSEL光源性能對比

從上市的具有3D攝像頭的產品也能看到，紅外光源由LED向VCSEL轉變是必然趨勢！ 從2016年意法半導體及AMS旗下Heptagon發布的光學模塊新產品來看，均採用VCSEL作為紅外線光源，且早期的消費級產品聯想Phab 2 Pro AR手機與Intel RealSense SR300，到2017年發布的iPone 8/X以及今年的iPone XS、小米8探索版均採用了VCSEL作為紅外光源。

主流3D攝像頭及模組光源選擇（紅色為LED，綠色為VCSEL）

激光器按照發射方向可以分為邊發射激光器（EEL）和面發射激光器，其中邊發射激光器主要有FP（法布里-泊羅）和DFB（分散式反饋）兩種，面發射激光器目前主要指VCSEL（垂直腔面發射）。

三種典型半導體激光器結構

與傳統邊發射激光器相比，VCSEL在光束質量、與光纖耦合效率、腔面反射率上都具有較大優勢，且因為VCSEL發射光線垂直於襯底而邊發射激光器發射光線平行於襯底，因此VCSEL能夠實現二維陣列而邊發射激光器不行。所以在消費電子領域，VCSEL受到3D攝像頭的青睞。

VCSEL與EEL對比

紅外光源的市場前景

紅外光源市場份額（2016年 vs. 2022年）

2016年，紅外LED市場仍佔據整個紅外光源市場的65%，到2022年其市場份額將被VCSEL吞食20%，降至45%。雖然營收持續增長，但是不能不承認，隨著VCSEL技術的成熟，性能的絕對優勢必將獲得與紅外LED「平分天下」的地位。

VCSEL國外廠商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等，國內主要有江蘇華芯、武漢光迅，其他還有山東太平洋、深圳源國、國星光電、華工科技、三安光電、乾照光電、華燦光電以及睿熙科技等公司。可以看出，VCSEL最初應用在通訊領域，隨著蘋果iPhone 8的3D攝像頭採用VCSEL技術引起廣泛關注。一旦智能手機市場被撬動，VCSEL的需求量將迅速打開，這就是未來6年VCSEL強勁增長的巨大推動力。

光學組件

光學組件主要包括準直鏡頭、DOE衍射光學元件、濾光片三個部分。

3D攝像頭結構光方案TX發射部分結構圖

光學組件一：準直鏡頭

在3D攝像技術以及激光投影等消費電子應用領域，對激光器發出的光束進行整形更加具有必要性。在基於結構光技術的3D攝像中需要將光束進行勻光、分束均勻地分布投射至周圍環境中，形成多個散斑來進行捕捉、分析。同時若不進行勻束地話光束中心能量過大還可能對人眼造成傷害。採用準直鏡頭對 VCSEL 出射光束進行準直、形成散斑等整形處理。WLO（Wafer-level Optics）晶圓級光學器件，是指晶圓級鏡頭製造技術和工藝。與傳統光學器件的加工技術不同，WLO工藝在整片玻璃晶圓上，用半導體工藝批量複製加工鏡頭，多個鏡頭晶圓壓合在一起，然後切割成單顆鏡頭，具有尺寸小、高度低、一致性好等特點。

在WLO準直鏡頭方面，技術主要掌握在Heptagon（被AMS收購）、Aptina（被安森美收購）、Himax奇景光電、Visera采鈺以及設備廠EV Group手中。

Heptagon掌握了大部分專利，台灣奇景光電2018年初宣布從一家美國科技公司收購了某些先進的納米3D模具製造資產、知識產權及相關業務。這種先進的納米3D製造模具主要用於轉印複製工藝，製造衍射光學元件（DOE）、導光元件、準直鏡頭以及微透鏡陣列。采鈺科技2014年從台積電剝離，提供ITO工序。國內水晶光電參與一部分鍍膜工藝，福晶科技曾為JDSU、Finisar等光通信企業供給通信級準直鏡頭，有望拓展進軍消費級準直鏡頭領域。華天科技和晶方科技在WLO方面布局較早，主要提供WLO後段加工技術，特別是華天科技具備成熟的加工技術。

光學組件二：DOE衍射光學元件

DOE衍射光學元件（Diffractive Optical Elements）是基於光波的衍射原理，利用計算機輔助設計，並通過半導體晶元製造工藝，在基片上（或傳統光學器件表面）刻蝕產生台階型或連續浮雕結構，行成同軸再現，且具有高衍射效率的一類光學元件。

與傳統折射光學元件比較，DOE的光學處理功能非常靈活，可產生傳統光學難以實現的異形光場分布，具備設計自由度高、光學功能全面、器件體積小等優點，能集中多種光學功能於一體，使光學系統得以向輕型化、微型化和集成化發展。

DOE應用領域廣泛用於LED節能照明、激光照明、安防監控、智能識別、夜視照明、人機交互、VR/電視/手機、工業自動化、機器人、無人機、車載輔助等。

在3D攝像頭結構光方案中，DOE的作用就是利用光的衍射原理，將激光器的點光源轉換為散斑圖案（pattern）。首先根據特定衍射圖像的光學需求，設計並製作出三維母模，然後根據母模再製作出DOE光柵，光柵表面具有三維的微結構圖案，尺寸都在微米級別。激光器發射的線性激光通過DOE的時候發生衍射，衍射光的角度和數量是受DOE上pattern的控制，衍射出來的光斑具備lighting code信息。

DOE衍射光學元件的產業鏈結構主要為：DOE光學圖案設計、DOE製造與加工、光學元件模組封裝，此外還需要原材料（主要為特種石英玻璃、光敏玻璃等）與精密光學加工設備（如光刻機等）這兩大支持性輔助環節。

DOE衍射光學元件產業鏈結構

目前全球範圍內主要供應商有德國CDA、法國Silios、德國Holoeye、Himax奇景光電、台積電、精材科技、Visera采珏科技等。蘋果3D攝像頭結構光用DOE將由Primesense（2013年被蘋果收購）自行設計pattern圖案、台積電提供pattern微納加工、采鈺提供ITO材料、精材科技提供器件封裝。奇景光電透過收購獲得了納米3D模具製造工藝，包括製造衍射光學元件（DOE）、導光元件。高通研發的3D攝像頭結構光方案，在DOE和WLO方面，採用奇景光電的方案。福晶科技為微軟AR眼鏡HoloLens聯合研發DOE等相關元件，福晶科技主要從事各類功能晶體元器件、精密光學元器件和激光器件的研發、生產和銷售。國內初創公司馭光科技成立於2016年，但從2014年開始就在國內設計、生產DOE產品，目前已進入安卓手機3D感測核心器件供應商，在嘉興有全資子公司馭光光電大規模量產DOE器件。

光學組件三：濾光片

近紅外識別系統中所用到的窄帶濾光片及超薄高性能鍍膜也是基於結構光及TOF的3D攝像頭技術關鍵。3D攝像頭在接收反射光時要求只有特定波長的光線能夠穿過鏡頭，攔截頻率帶之外的光線，即隔離干擾光、通過信號光凸顯有用信息，因此需要濾光片在接收端過濾掉非工作波段的光波。

目前窄帶濾光片領域主要廠商有兩家，一家是由JDSU分拆出的美國的Viavi，一家則是國內廠商水晶光電，其他廠商還有布勒萊寶光學（Buhler）、美題隆精密光學（Materion）、波長科技（Wavelength）等。水晶光電將窄帶濾光片加入光學業務中，再次驗證水晶光電的窄帶濾光片鍍膜技術的成熟。

基於上述準直鏡頭、DOE衍射光學元件、濾光片這三種光學組件，不排除還有其他光學組件。光學組件在3D攝像頭整個市場中顯得小而雜但很專業，國外廠商、台灣廠商領先於國內，國內水晶光電、福晶科技佔主要位置。隨著3D攝像頭結構光或TOF方案市場的打開，未來光學組件也存在大幅爆發的機會。

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