手机像素大战时代落幕!光学镜头大战开启一文

原创 2020-06-02 16:14  阅读

  无论是像素升级、光学防抖,还是大光圈、双摄像头,光学一直是消费电子的创新主战场之一。光学行业发展到今天出现了新的动向,3D Sensing 与三摄、潜望式成为未来创新的重点。3D Sensing 正逐步取代指纹识别成为手机标配;三摄像头和潜望式则在双摄的基础上再次大幅提升拍照质量,有望在华为、OPPO 的带动下成为下一阶段的发展趋势。

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  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iPhone 4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。

  苹果则在2016年9月发布了配备双摄像头的iPhone 7 Plus。iPhone 7 Plus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。

  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3D Sensing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;3D Sensing因为具备更高的安全性,并且可以带来VRAR等更大的创新潜力,正逐步取代指纹识别成为手机标配。

  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。P20 Pro与Mate20 Pro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。

  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。

  三摄的第二大优势是变焦能力。华为P20 Pro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。

  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。

  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。

  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。

  3D Sensing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3D Sensing的一个典型应用。

  随着技术的进步,3D Sensing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iPhone X中首次配备3D Sensing功能,并命名为Face ID,并在2018年9月发布的iPhone XR、iPhone XS、iPhone XS Max中全面配备3D Sensing。

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

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

  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。

  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(Modulation Transfer Function,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。

  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,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。

  光学镜头的难点之二在于制造环节。如果说设计解决的是镜头厂商能否生产的问题,那么制造环节就是决定生产良率和一致性的关键。在模具、成型、组装等环节,对于生产精度都有非常高的要求,任何一个环节出现差错都会对最后的成像效果产生非常大的影响。

  模具环节是塑胶镜头制造的最关键部分。模具的质量直接影响镜片的成型,所以需要非常高精度的模具,不仅需要有经验的设计人员来进行设计,还需要制造人员具有精密加工和检测方面的基础。

  在成型环节,材料发生了相变化、密度变化、温度变化以及压力变化,必须严格精确控制这些变量才能使透镜拥有良好的光学特性,这对厂商的生产提出了极高的要求,不仅需要高精度的仪器,还需要有经验的熟练工人才能完成操作,任何差错都会影响最后的成像质量。

  组装环节是按照顺序逐一将加工完成的镜片、隔片、压圈等部件完成装配,并实现光学性能的过程,目前主要通过自动化方式实现组装。镜头组装技术要点十分复杂,对部件加工精度、组装精度具有极高的要求,整体公差一般不超过3微米,而大立光等企业甚至达到2微米。

  光学镜头设计非常复杂,目前已知的像差就有数百种,仍有大量未知的像差不断被发现,需要在设计中被考虑进去。光线的折射和反射路径数不胜数,需要设计师去不断计算和权衡。透镜的形状、位置、材料可以有无数种组合方式,让设计师们有空间去不断挖掘更好的设计。光学镜头行业永远没有进步的终点,永远都有探索的空间。

  手机镜头的生产尽管不像相机镜头那么困难,但时间和经验依然很重要。例如台湾的大立光是最早开始研究塑胶镜头的厂商之一,成立至今已有接近 40 年的历史。尽管塑胶镜头是在智能手机兴起之后才开始蓬勃发展,但大立光在此之前已积累了接近 20 年,所以其他厂商始终难以企及大立光的镜头品质和生产良率,这也造就了大立光在手机镜头领域的霸主地位。

  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。

  VCM 的技术并不复杂,但由于对灵敏度的要求较高,所以生产时的精度控制是关键,这涉及到设计、材料等各个环节的改进。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。

  红外截止滤光片(IR-Cut filter) 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。

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

  MOS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。

  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 iPhone 4S 的图像传感器订单。

  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(annealing process)”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。

  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。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(On Semi)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(On Semi)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。

  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。

  CSP(芯片级封装)的优势在于制造设备成本低、洁净度要求低、良率较高,劣势在于镜头透光率低、模组厚度较高。

  COB(板上封装)的优势在于设备成本较高但封装成本低,劣势在于洁净度要求高、良率较低,制程时间相对较长。

  FC(倒装芯片)的优势在于封装密度很高、封装所得摄像头模组厚度最薄、缺点在于成本较高、良率较低。

  与此同时,COB封装正向MOB(Molding On Board)和MOC(MoldingOn Chip)发展。MOB与COB的区别在于底座与线路板一体化,将电路器件包覆于内部,而MOC比MOB更加先进的地方在于将连接线一起包覆于内部。随着MOB和MOC的推出,COB封装的性能进一步向FC靠近,同时成本更低,未来有望取代FC封装。

  摄像头模组行业的技术壁垒并不高,这也导致国内手机摄像头模组市场比较分散。根据旭日产研的数据,欧菲科技是 2017 年国内手机摄像头模组市场的第一名,但其所占份额也仅为 11%。除了欧菲科技之外,还有舜宇、丘钛、信利、光宝、合力泰等也可以供应摄像头模组,但市场份额均只有个位数。

  3D Sensing 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。

  3D Sensing 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。

  VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,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 3D Sensing的主流红外光源,被苹果等厂商所使用。

  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 iPhone X 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iPhone X 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 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。

  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 3D Sensing 产业。

  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(Wafer Level Opticals,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 iPhone X 的准直镜头方案。

  除了WLO方案,目前还有WLG工艺和模造工艺涌现,同样可以解决耐热性问题,可能在未来成为准直镜头的选择。未来准直镜头的技术路径存在较大的不确定性。

  WLG(Wafer Level Glass,晶圆级玻璃)采用半导体级工艺生产玻璃镜头,具有良好的耐热性,可能在未来取代WLO成为准直镜头的首选方案。

  目前WLG方案进展最快的厂商是瑞声科技,公司拥有来自丹麦的WLG模具设计和制造团队(Kaleido)、日韩光学设计团队和高效的本土管理团队。瑞声除了可将WLG用作准直镜头,还可以用于手机前后置摄像头等成像镜头,具有较大的想象空间。但目前 WLG 方案仍不成熟,产能、良率、成本等方面仍需要时间才能突破。

  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。

  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。

  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。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 3D Sensing 接收端镜头主要使用已成熟的普通镜头。

  苹果 iPhone X 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 3D Sensing 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。

  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。3D Sensing 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iPhone X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3D Sensing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。

  红外CIS(CMOS Image Sensor)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。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iPhone X红外CIS的供应商。

  由于各厂商使用的3D Sensing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。

  3D Sensing 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,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3D Sensing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;

  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3D Sensing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 3D Sensing 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 LG Innotek 是 iPhone 3D Sensing 发射端模组的独家供应商,富士康和夏普是 iPhone 3D Sensing 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 3D Sensing 模组。随着国内手机厂商在 3D Sensing 领域快速推进,欧菲科技、舜宇光学将有望深度受益。

  智东西认为,无论是三摄像头、潜望式摄像头还是3D Sensing,都是智能手机的增量创新,都将带来全新的增量市场空间。当创新得到应用时,只要是成功进入创新供应链的企业,都将充分受益于创新带来的红利。所以投资者可以关注成功进入三摄像头、潜望式摄像头还有3D Sensing创新供应链的企业。

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