圖文并茂：看懂屏下指紋與3D感測全產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)
發(fā)布者：高臻智能 時間：2019-12-06
圖文并茂：看懂屏下指紋與3D感測全產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)
全面屏?xí)r代：生物識別新革命
未來在智能手機(jī)識別領(lǐng)域，屏下指紋仍然會在較長的時間內(nèi)成為主流，且光學(xué)方案會在一定期間內(nèi)略優(yōu)于超聲方案，而 3D 方案未來應(yīng)用可能會向 VR/AR、人工智能和后置攝像等方向發(fā)展，在新的應(yīng)用領(lǐng)域打開局面。
“三段式”構(gòu)成，電容指紋“稱霸”手機(jī)市場
生物識別主要分為5種：指紋、虹膜、人臉、聲紋以及靜脈，特點(diǎn)、用途各不相同。進(jìn)入智能化時代以來，隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的大量使用和人們對于身份認(rèn)證、安全管理的安全性、便捷性要求的提升，生物識別逐漸受到關(guān)注。
生物識別主要分為 5 種，分別是指紋識別、虹膜識別、人臉識別、聲紋識別和靜脈識別。其中指紋識別具有體積小、解鎖迅速、成本低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)等領(lǐng)域；
靜脈識別和虹膜識別是安全性最高的兩種生物識別方式，誤識率僅為百萬分之一，因此市場主要布局于專用門禁、公安系統(tǒng)、保險柜等領(lǐng)域；人臉識別種類繁多，原理各不相同，應(yīng)用領(lǐng)域也較為廣闊，覆蓋門禁、消費(fèi)、簽到、手機(jī)應(yīng)用等多個領(lǐng)域；聲紋識別的優(yōu)勢在于可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識別，缺點(diǎn)是誤識率高、易受干擾，多應(yīng)用于人機(jī)交互領(lǐng)域。
“全面屏”時代，屏下指紋或成發(fā)展趨勢
“全面屏”時代，經(jīng)典設(shè)計遭遇挑戰(zhàn)，屏下指紋、3D 面部識別、背部指紋成為現(xiàn)階段3 種主要備選方案。盡管“三段式”公模曾一度成就了無數(shù)經(jīng)典，然而全面屏的到來，卻讓這種“公模”徹底瓦解。從小米 MIX 開始，三星 S8、iPhone X、vivo X20、OPPO R11、魅族 S6 以及華為 P20 等紛紛追求最大化屏占比，而在此目標(biāo)下，前置鏡頭、聽筒、光線傳感器、指紋鍵乃至品牌 logo 等元素都面臨縮小或者從手機(jī)正面移除的要求，其中首當(dāng)其沖的便是指紋識別模塊。為應(yīng)對全面屏需求，目前市場上主流的解決方案有三種，分別是以 vivo X20 Plus 為代表的光學(xué)式屏下指紋解鎖方案，以 iPhone X 為代表的 3D 結(jié)構(gòu)光方案和以三星、小米、OV 等為代表的后置指紋方案。
屏下指紋或成生物識別發(fā)展趨勢，3D 光學(xué)面向AR/VR、AI 新領(lǐng)域。
在屏下指紋、3D光學(xué)和背部指紋三種方案中，背部指紋方案由于在便捷性上不及正面指紋方案，且會破壞機(jī)身背部整體性，在美觀程度上也有所不足，因而我們認(rèn)為該方案未來主要將用于一些低端機(jī)型上，而就高端機(jī)型而言，該方案大概率作為一種過渡性的方案。
3D 光學(xué)方案自被 iPhone X 采用以來一直爭議不斷，該方案面臨的主要問題包括識別前需要喚醒屏幕，識別易受手機(jī)握持角度、距離、周圍環(huán)境的影響，從而導(dǎo)致使用不夠便捷等，但是生物識別只是 3D 方案的一個起點(diǎn)，與 AR/VR 以及人工智能的結(jié)合將是一個更廣闊的市場，現(xiàn)實(shí)中的 3D 信息直接輸入處理而非降維成 2D 信息，將促進(jìn)各行業(yè)智能化解決方案的發(fā)展。
目前 iPhone X 前置 3D Sensing 采用點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光方案，預(yù)計 2018 年下半年 A 客戶新機(jī)將采用后置 3D 方案，而國產(chǎn)安卓廠商方面也將進(jìn)一步在旗艦機(jī)中加入此類功能。與前面兩種方案相比，屏下指紋識別方案既滿足了全面屏?xí)r代對于取消手機(jī) Home 鍵的要求，同時也符合用戶傳統(tǒng)的操作習(xí)慣，此外，由于模組整體的價格預(yù)計未來將降低到 8 美元以內(nèi)，有望成為手機(jī)生物識別發(fā)展的新趨勢，我們預(yù)計 2018/2019/2020 年屏下指紋識別方案的滲透率將分別達(dá)到 1/8/15%， 2020 年市場規(guī)模有望接近 20 億美元。
屏下指紋識別：20 億美元市場，光學(xué)、超聲波方案領(lǐng)銜
技術(shù)路徑：光學(xué)、超聲波代表當(dāng)下主流，全屏幕識別展開積極探索
全面屏?xí)r代，電容方案受限，光學(xué)與超聲方案有望成為發(fā)展主流。目前市場上能夠是實(shí)現(xiàn)商用的指紋識別方案主要有三種，分別是電容方案、光學(xué)方案和超聲波方案。
三種方案中，電容方案成本最低，識別速度最快且技術(shù)最為成熟，因而在智能手機(jī)市場上一度處于壟斷地位。但是，由于電容式指紋方案的穿透深度僅為 0.3mm，而目前智能手機(jī)正面蓋板玻璃的厚度普遍超過 0.5mm，因此這一傳統(tǒng)方案不再適應(yīng)屏下指紋的要求。
為應(yīng)對電容式指紋面臨的困難，供應(yīng)鏈廠商主要提出三種不同的解決方案，第一種是以匯頂、新思為代表的光學(xué)方案；第二種是以高通為代表的超聲波指紋識別方案；最后一種是以韓國廠商 CrucialTec 等為代表的 DFS 全屏幕識別方案。
三種方案中，由于 DFS 方案對于屏幕和指紋識別模組的整合程度要求較高，可能帶來高成本等問題，目前方案仍處于試驗(yàn)階段，存在不確定性。與之相比，光學(xué)方案和超聲方案相對成熟，其中光學(xué)方案兼容 OLED 軟硬屏，相對適用于軟屏的超聲波方案應(yīng)用范圍更廣，成為目前屏下指紋方案的主流。
光學(xué)方案：解鎖穩(wěn)定、成本可控，OLED 助力方案滲透
光學(xué)方案技術(shù)由來已久，主要基于折反原理。在各類指紋識別方案中，光學(xué)方案其實(shí)是一種早已被廣泛應(yīng)用的技術(shù)，例如之前很多考勤機(jī)、門禁都采用該技術(shù)，傳統(tǒng)指紋識別方案主要由光源、三棱鏡和感光組件構(gòu)成——通過光源照亮指紋，然后利用三棱鏡將指紋投射到感光組件上進(jìn)行識別。不過在 2017 年以前，光學(xué)方案始終沒能應(yīng)用于智能手機(jī)，主要的原因是光學(xué)傳感器的體積過大，通常是電容式指紋設(shè)備的幾倍乃是 10 幾倍的大小，此外，光學(xué)式指紋識別系統(tǒng)無法對皮膚真皮層的識別，因而安全性相對較低，限制了其使用領(lǐng)域的拓展。
小型化、精準(zhǔn)化識別取得突破，光學(xué)舊方案煥發(fā)新活力。經(jīng)過不斷的探索，光學(xué)指紋識別方案逐步改良，實(shí)現(xiàn)小型化、精準(zhǔn)化、安全性等要求，隨著 2016 年以來新思、匯頂先后發(fā)布新一代的光學(xué)指紋識別方案，光學(xué)方案正式成為屏下指紋識別最重要的實(shí)現(xiàn)手段之一。新一代的光學(xué)指紋方案仍然是基于折反原理，另外疊加小孔成像和透鏡成像功能，以提高識別的精確度。
目前vivo、華為已率先采用了光學(xué)屏下指紋，市場反饋良好，行業(yè)拓展可期。隨著 vivo X20 Plus 屏幕指紋版的上市，vivo已成為第一個實(shí)現(xiàn)屏下指紋商用的手機(jī)制造商，此次指紋設(shè)備方案的提供商為美國新思（Synaptics），上市以來，包括 The Verge、Cnet、Digital Trends、Aandroid Central多家專業(yè)機(jī)構(gòu)對該款手機(jī)的指紋識別功能進(jìn)行了評測，其在便捷性、穩(wěn)定性上均有不俗的表現(xiàn)。隨后，vivo又推出了X21，這款手機(jī)在采用Synaptics方案的同時，又新引入了匯頂科技作為供應(yīng)商。
而繼 vivo 之后，國內(nèi)外多家廠商也在自家即將問世的新機(jī)上提出采用屏下指紋識別方案。 2018 年 3 月，華為發(fā)布了新款手機(jī) Mate RS 上又一次搭載了光學(xué)式屏下指紋方案，方案供應(yīng)商為國內(nèi)指紋識別大廠匯頂科技；此外，今年三星新機(jī)大概率也將搭載光學(xué)屏下指紋識別模組，可能會采用新思的屏下指紋方案。此外，盡管蘋果在其最新一代旗艦機(jī) iPhoneX 上用人臉識別取代了 3D touch，但其子公司 AuthenTec 依然在光學(xué)屏下指紋領(lǐng)域積極探索，此前蘋果公司也曾表示未來可能將會在新機(jī)型上同時搭載人臉識別和屏下指紋兩種方案。
超聲波方案：技術(shù)日漸成熟，高通公司領(lǐng)銜布局
超聲波方案利用回波強(qiáng)度識別指紋，防油防水、穿透性強(qiáng)。超聲波方案則是利用指紋模 組發(fā)出的特定頻率的超聲波掃描手指，由于超聲波到達(dá)不同材質(zhì)表面時被吸收、穿透和反射的程度不同，因而可以利用皮膚和空氣對于聲波阻抗的差異，對指紋的嵴與峪所在的位置進(jìn)行識別。超聲方案的優(yōu)點(diǎn)在于其穿透性更強(qiáng)，能夠進(jìn)行深層的皮下指紋識別且能夠辨別活體，因而方案的安全性更高；此外，從理論上來講，超聲波方案不易受到油漬和水漬以及強(qiáng)光的干擾，因而解鎖更加穩(wěn)定可靠，有望成為指紋之別方案發(fā)展的一個重要方向。
巨頭高通領(lǐng)銜布局，穿透深度逐步加強(qiáng)。目前，涉足超聲波指紋方案的廠商主要有美國高通、FPC、Sonavation 和 ADI 等，不過除高通以外，其他廠商在該領(lǐng)域的探索尚處于產(chǎn)品研發(fā)階段。在 2015 年世界通信大會（MWC）上，高通首次推出基于超聲波 3D 指紋識別技術(shù)的產(chǎn)品，不過彼時由于穿透深度有限，超聲指紋方案未能實(shí)現(xiàn)屏下識別，但隨著研發(fā)的不斷深入，高通目前已能穿透 0.8mm 的玻璃，0.65mm 的金屬以及 1.2mm 的 OLED 屏，從而實(shí)現(xiàn)屏下識別。
從屏上到屏下，超聲波方案市場逐步拓展。2015 年高通的超聲波指紋方案發(fā)布，而后分別被小米 5s 和樂視 Max Pro 所采用，盡管當(dāng)時由于超聲波方案的穿透距離有限，高通在小米 5s 和樂視手機(jī)上提供的并非屏下方案，而是類似于電容識別的 Home 鍵方案和背部指紋方案，但依然為超聲波指紋技術(shù)的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。2017 年，高通的屏下指紋方案曾經(jīng)提交 vivo 進(jìn)行測試，盡管最終并沒有被采納，但也顯示此方案正在逐步成熟。
全屏幕識別：小型化尚待提升，未來或成發(fā)展趨勢
全屏識別：目前尚無應(yīng)用，后續(xù)發(fā)展可期。盡管光學(xué)方案和超聲波方案都能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)屏下指紋識別，但是識別區(qū)域卻仍然受到限制。從發(fā)展趨勢來看，未來指紋識別可能會向半屏甚至全屏的方向發(fā)展。
在 2018 年 CITE 展會上，JDI展示了一種基于非硅基襯底的指紋識別技術(shù)——Pixel eyes 指紋識別技術(shù)。方案實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于將電容指紋傳感器集成到玻璃面板上，以實(shí)現(xiàn)傳感器的透明化，在 JDI 的方案中，透明傳感器被放置在顯示面板的上方，并利用硬度升級之后的偏光片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的玻璃蓋板，以保證傳感器上方蓋板的厚度保持在 0.2mm 左右因而解決了傳統(tǒng)電容方案穿透力不足的問題。除了 JDI 之外，在非硅基襯底方案（off-chip）方面展開研發(fā)的公司還有很多，比如韓國廠商 CrucialTec、挪威廠商 IDEX 以及國內(nèi)廠商上海蘿箕等。
JDI玻璃基透明指紋識別芯片
DFS方案示意圖（圖片來源：pconline）
精細(xì)化、小型化尚待提升，未來有望成為新趨勢。目前，off-chip 方案已經(jīng)在安防等領(lǐng)域使用，但在移動終端的應(yīng)用仍然面臨一些挑戰(zhàn)——例如，電容式 off-chip 方案要求蓋板厚度足夠小，這對手機(jī)偏振片的硬度提出了更高的要求，并且手機(jī)膜等配件甚至?xí)o法使用，第二，off-chip 模組所需要的放置空間依然較大，可能需要進(jìn)一步進(jìn)行小型化的處理，第三，玻璃基傳感器識別的精度可能不及硅基傳感器，由此導(dǎo)致識別質(zhì)量相對不足等。綜合來看，全屏幕識別是一種仍需不斷完善的技術(shù)，但從理論上來講，該技術(shù)能夠?yàn)橛脩魩砀玫捏w驗(yàn)，未來隨著技術(shù)的成熟，該方案有望成為指紋識別發(fā)展的新趨勢。
產(chǎn)業(yè)鏈：傳統(tǒng)龍頭主導(dǎo)方案，歐菲領(lǐng)跑封裝制造
光學(xué)方案傳統(tǒng)龍頭主導(dǎo)，國內(nèi)廠商全面布局。光學(xué)指紋識別方案的產(chǎn)業(yè)鏈主要分為算法及芯片、CMOS、Lens、濾光片以及產(chǎn)品封裝，國內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注匯頂、歐菲。算法芯片技術(shù)是核心，涉足該領(lǐng)域的主要是新思、匯頂?shù)葌鹘y(tǒng)龍頭。光學(xué)元件方面，主要分為光源、Lens、濾光片以及 CMOS 傳感器，光源主要采用 OLED 自發(fā)光，Lens 起聚焦反射光的作用，濾光片過濾雜散光， CMOS 轉(zhuǎn)換光電信號。 CMOS 光電傳感器方面，國際主要廠商包括索尼、三星、海力士和安森美等，國內(nèi)則主要有豪威科技和格科微。在下游封裝方面，歐菲科技目前是安卓系廠商光學(xué)指紋方案的獨(dú)家供應(yīng)商。綜合來看，我們認(rèn)為光學(xué)屏下指紋產(chǎn)業(yè)鏈中最值得關(guān)注的國內(nèi)廠商包括上游方案提供商匯頂科技和下游獨(dú)家封裝廠商歐菲科技。
算法芯片領(lǐng)域，匯頂、Synaptics 居首，短期內(nèi)或?qū)⒕质袌?。在光學(xué)指紋方案的算法芯片環(huán)節(jié)目前相對領(lǐng)先的是美國 Synaptics 和深圳匯頂，其中 Synaptics 是三星的供應(yīng)商之一，2016 年 12 月 13 日，Synaptics 宣布推出業(yè)內(nèi)首款面向智能手機(jī)和平板電腦的光學(xué)指紋傳感器 Natural ID，2018 年 1 月，該方案在 vivoX20Plus 上實(shí)現(xiàn)商用，成為首款正式面向市場的屏下指紋產(chǎn)品，未來 Synaptics 還將有望在小米、三星等廠商的產(chǎn)品上繼續(xù)得到使用；匯頂是國內(nèi)指紋傳感器的龍頭企業(yè)，同時也是全球指紋識別行業(yè)的前三甲，下游客戶覆蓋國內(nèi)安卓系的各大廠商，公司幾乎與 Synaptics 同時研發(fā)出光學(xué)屏下指紋方案，該方案能夠有效兼容 OLED 軟硬屏，并具有活體檢測功能。
目前方案已被 vivoX21、華為 MateRS 等手機(jī)采用。除上述傳統(tǒng)巨頭，敦泰也在積極部署光學(xué)屏下指紋方案，其獨(dú)有方案能夠檢測 3D 立體指紋圖像，并且兼容 LCD 和 OLED 屏，兼容性和安全性更強(qiáng)，目前方案暫未投入市場。總體來看，短期內(nèi)匯頂、新思或?qū)簳r瓜分光學(xué)屏下指紋市場，按照 2019 年光學(xué)方案與超聲方案市場占比 7:3，其中光學(xué)方案及芯片占總識別模組比 50%，模組單價 10 美元，有望為方案廠商帶來近 4 億美元收入規(guī)模。
Lens 采用微透鏡陣列，國內(nèi)關(guān)注舜宇、歐菲、水晶光電。光學(xué)屏下指紋方案所采用的Lens 主要是微透鏡陣列，用以將透過各個小孔的折返光聚焦，提高信噪比。生產(chǎn)廠商方面，境外廠商主要有大立光、玉晶光和關(guān)東辰美等，其中大立光是光學(xué)鏡片行業(yè)的傳統(tǒng)龍頭，關(guān)東辰美是蘋果產(chǎn)業(yè)鏈的重要供應(yīng)商，舜宇是近年來手機(jī)和車用攝像等設(shè)備領(lǐng)域成長最快的一家企業(yè)，同時也是光學(xué)鏡頭領(lǐng)域可以比擬大立光的企業(yè)。在濾光片方面，濾光片的選取取決于光源的選取，對于紅外光源（敦泰方案需外加紅外光源），濾光片需采用窄帶濾光片，主要供應(yīng)商由水晶光電等，而對于 OLED 光源，則僅需采用普通濾光片，在這方面歐菲、水晶光電等均有良好的技術(shù)積累。
CMOS 傳感器方面，國外廠商市場占比較大，國內(nèi)格科微發(fā)展迅速。CMOS 傳感器在指紋模組中主要用于將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，由于指紋模組只需要采集紋路信息，而無需采集色彩信息，因此對 CMOS 傳感器色彩識別的要求較低。供應(yīng)商方面，目前國際上主要的 CMOS 傳感器提供商有括索尼、三星、海力士、豪威（被中國企業(yè)收購）和安森美等。而在國內(nèi)，格科微近年來成長迅速，在與中芯國際的合作下，公司到 2017 年已經(jīng)成長為僅次于索尼的全球第二大 CMOS 芯片生產(chǎn)企業(yè)。
預(yù)計 2019 年封裝業(yè)務(wù)規(guī)模近 10 億美元，歐菲科技市占居首。模組封裝是指紋傳感器生產(chǎn)的另一個重要環(huán)節(jié)，結(jié)合傳統(tǒng)指紋傳感器的成本構(gòu)成經(jīng)驗(yàn)，通常模組封裝會占到模組成本整體的 15%左右。目前，國際上主要的指紋傳模組封裝企業(yè)有歐菲科技、丘鈦科技、比亞迪電子、三星、TDK 等。其中歐菲科技在屏下指紋方面的布局較為領(lǐng)先，目前基本是安卓系手機(jī)廠商屏下指紋模組封裝的獨(dú)家供應(yīng)商，并且在未來一段時間仍將占有較大的市場份額，我們預(yù)計 2019 年全球屏下指紋設(shè)備的出貨量將超過 1 億部，按照每套模組 10 美元，市場規(guī)模將近 10 億美元，其中假設(shè)歐菲科技市占 50%，則識別模組將公司帶來約 5 億美元營收。
超聲波方案國外廠商主導(dǎo)，國內(nèi)廠商涉足壓電材料、下游封裝領(lǐng)域
超聲波方案的產(chǎn)業(yè)鏈可以分為算法芯片、傳感器以及封裝三部分，而傳感器的上游主要是壓電材料。在算法和芯片方面，目前高通是該領(lǐng)域唯一一個已經(jīng)實(shí)現(xiàn)方案商用的企業(yè)，而除高通外，Sonovation、InvenSense 以及 FPC 等廠商也在探索相應(yīng)的解決方案。在壓電材料方面，目前高通使用 PVDF 有機(jī)聚合物材料，Sonovation 和 InvenSense 使用壓電陶瓷材料，壓電材料的主要生產(chǎn)廠商有新加坡 IME 和國內(nèi)的三環(huán)集團(tuán)等，而傳感器制造方面則主要
由 InvenSense、臺積電、意法半導(dǎo)體等境外企業(yè)生產(chǎn)。在封裝環(huán)節(jié)，目前高通的主要合作商為臺灣 GIS 和歐菲科技。
3D Sensing：應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，滲透率提升可期
技術(shù)路徑：前置結(jié)構(gòu)光方案占優(yōu)，后置 TOF 或成新選擇。
3D 攝像的技術(shù)路徑主要分為兩種，前置識別主要采用結(jié)構(gòu)光方案，TOF 方案更加適用動態(tài)場景。3D 攝像主要有兩種實(shí)現(xiàn)路徑，一種是結(jié)構(gòu)光方案，另一種是“飛行測距”（TOF）方案。其中結(jié)構(gòu)光方案的優(yōu)點(diǎn)在于功耗小，技術(shù)成熟，更適用于靜態(tài)場景，結(jié)構(gòu)光人臉識別技術(shù)已經(jīng)被蘋果、小米等廠商采用，我們認(rèn)為該方案未來仍將在面部識別領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位；而 TOF 方案的優(yōu)點(diǎn)在于遠(yuǎn)距離情境下噪聲較低，同時具有更高的 FPS，未來在后置 AR、 VR 領(lǐng)域或?qū)⒌玫礁鼜V泛的應(yīng)用。
結(jié)構(gòu)光方案：率先布局面部識別，滲透率有望持續(xù)提升
結(jié)構(gòu)光技術(shù)成熟，適用于面部識別、背景虛化等靜態(tài)場景。結(jié)構(gòu)光的基本原理是投射光學(xué)圖形到被觀測物體上，從而使激光在最終物體表面的落點(diǎn)產(chǎn)生位移。此時使用紅外攝像頭來檢測物體表面上的圖形，通過位移變化就能夠算出物體的位置和深度信息。結(jié)構(gòu)光的優(yōu)點(diǎn)在于一次成像就可以得到深度信息，能耗低，分辨率高。缺點(diǎn)在于對光源和光學(xué)器件有較高要求。結(jié)構(gòu)光因其不用多次成像，能耗較低，便于安裝和維護(hù)等特點(diǎn)，使得其在人臉識別的靜態(tài)應(yīng)用場景較為突出。雖然 TOF 方案的 FPS 更高，但手機(jī)面部識別主要針對靜態(tài)應(yīng)用場景，不需要高刷新頻率。結(jié)構(gòu)光的功耗較小有利于節(jié)省電量，同時算法較為簡單。綜合來看結(jié)構(gòu)光是當(dāng)前面部識別，背景虛化等靜態(tài)場景的首選。
結(jié)構(gòu)分為發(fā)射端和接收端，發(fā)射端產(chǎn)生特定光學(xué)圖案，接收端檢測光斑位移。
結(jié)構(gòu)光的光路分為發(fā)射端和接收端，發(fā)射端的主要構(gòu)成包括點(diǎn)光源、準(zhǔn)直鏡頭、光柵元件和 Lens，其中點(diǎn)光源+準(zhǔn)直鏡頭充當(dāng)整個光路的光源，產(chǎn)生擴(kuò)束平行光，光柵元件分為兩種，一種是蘋果采用的普通 DOE，另一種則是 Mantis Vision Ltd（MV 公司）所采用的“Pattern”型光柵，無論哪種方案，光柵的作用都是產(chǎn)生衍射圖案，而光柵之后的 Lens 的作用則是將衍射光重新進(jìn)行準(zhǔn)直化處理，以保證光束的密集度。接收端主要是一個紅外接收鏡頭，由光學(xué)鏡片、紅外濾光片和 CMOS 傳感器組成，其作用為通過對反射光斑的探測還原深度信息。
蘋果率先采用結(jié)構(gòu)光方案，預(yù)計未來有望持續(xù)滲透，19 年市場空間將接近 40 億美元。
TOF 方案：后置 3D 新選擇，更適用于動態(tài)場景
TOF 技術(shù)通過計算發(fā)射光的反射時間差來換算物體距離。TOF（TimeofFlight）技術(shù)的原理是發(fā)射紅外光遇物體反射后計算發(fā)射光的反射時間差，來換算物體的距離。TOF 方案的優(yōu)點(diǎn)在于相應(yīng)速度更快，具有較高的 FPS，且探測誤差與距離呈線性關(guān)系，在對遠(yuǎn)距離物體的探測方面優(yōu)于結(jié)構(gòu)光（后者的探測誤差與距離呈現(xiàn)二次型關(guān)系）。因而更加適用于動態(tài)場景和 3D 攝像。缺點(diǎn)是功率相對較大，且對于近距離物體識別的精度不夠高。目前主流 TOF技術(shù)使用 SPAD（single-photon avalanche diode）陣列來檢測反射光的時間空間信息。SPAD是具有較高靈敏度的半導(dǎo)體光電檢測器，能對弱光信號進(jìn)行較為精確的識別。
主要組件為 3 顆紅外激光二極管、1 顆紅外圖像傳感器以及紅外濾光片。TOF 技術(shù)路線的代表為微軟的 Kinect2。Kinect2 是微軟針對 PC 和 Xbox 推出的 3D 感應(yīng)攝像機(jī)。根據(jù) Chipworks 對 Kinect2 的拆解，其主要核心部件為 3 顆紅外激光二極管、1 顆紅外光圖像傳感器、1 顆可見光圖像傳感器和 1 顆圖像處理主芯片。主要工作原理為：紅外激光二極管發(fā)射近紅外激光，光碰到環(huán)境中的物體發(fā)生反射，紅外光圖像傳感器采集反射光，計算反射信號與發(fā)射信號的時間差，從而得知位置距離信息，采用 3 顆紅外激光二極管的原因在于提供空間自由度更大的探測，可見光相機(jī)的作用是獲取環(huán)境實(shí)時的 XY 平面物體信息。
AR 帶動后置 3D 需求，TOF 有望大顯身手。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）是一種實(shí)時地計算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像、視頻、3D 模型的技術(shù)，這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動。在升級 iOS 11 系統(tǒng)后，蘋果手機(jī)可下載 AR 應(yīng)用，目前應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)方式主要為通過前置結(jié)構(gòu)光攝像頭探測人臉與手機(jī)的距離，按照距離的遠(yuǎn)近調(diào)整畫面和聲音效果，給用戶帶來 3D 感官上的體驗(yàn)，但這種方案的缺陷在于用戶活動范圍和視角范圍有限，難以帶來沉浸式的感受。
目前，有消息稱蘋果等公司正在開發(fā)后置 3D 傳感系統(tǒng)，與頭戴式眼鏡想配合，通過 3D 傳感系統(tǒng)檢測深度信息，構(gòu)建三維地圖，并將經(jīng)過系統(tǒng)虛擬加工的環(huán)境信息借助手機(jī)屏幕輸出給用戶，能夠帶來沉浸式的 3D 體驗(yàn)。由于 TOF 具有較高的 FPS，在動態(tài)識別領(lǐng)域更具優(yōu)勢，并且隨著技術(shù)的發(fā)展，目前微軟等公司開發(fā)的 TOF 產(chǎn)品對深度的探測誤差已經(jīng)能夠維持在 0.5%以內(nèi)，并且視角也較以前有大幅提升，目前基本滿足 3D 拍攝和渲染的要求，并且隨著功耗的不斷降低，TOF 方案已基本能夠搭載于移動設(shè)備上，未來該方案或?qū)⒃?AR 領(lǐng)域大顯身手。
產(chǎn)業(yè)鏈：硬件國產(chǎn)化在即，算法領(lǐng)域有望進(jìn)一步突破
結(jié)構(gòu)光：接收端硬件國產(chǎn)化替代程度較高
結(jié)構(gòu)光發(fā)射端國外為主，接收端國產(chǎn)化替代程度較大。目前結(jié)構(gòu)光方案設(shè)備成本約為 20美金，其中算法芯片 4-6 美金，接收端 5-6 美金，發(fā)射端 10 美金左右。發(fā)射端的激光器和光學(xué)元件行業(yè)壁壘較高，目前國內(nèi)廠商較少涉及該領(lǐng)域。而接收端的濾光片，鏡頭和模組業(yè)務(wù)壁壘相對較低，國內(nèi)水晶光電、舜宇光學(xué)、歐菲光、丘鈦科技等廠商已切入該領(lǐng)域并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
算法芯片方面，主要廠商有 Primesense、Mantis Vision和英特爾，國內(nèi)奧比中光擁有自主產(chǎn)權(quán)。另外芯智訊了解，華捷艾米也準(zhǔn)備推出針對智能手機(jī)的小型化的3D結(jié)構(gòu)光方案，算法似乎也是自主的。
在幾家公司中，Primesense 是蘋果的全資子公司，方案芯片專供蘋果，目前已經(jīng)在 iPhoneX 上得到使用；Mantis Vision 的方案在 DOE 的加工上獨(dú)具特點(diǎn)，通過獨(dú)特的 Pattern 設(shè)計， MV 的方案能夠建立起不同光斑之間的信息聯(lián)系，因此目前在識別精度方面要超過蘋果的第一代 DOE 方案。國內(nèi)方面，目前奧比中光在 3D 方案方面相對領(lǐng)先，公司是國內(nèi)唯一一家擁有全自主產(chǎn)權(quán)的、能夠量產(chǎn)消費(fèi)級 3D 傳感器公司，2016 年公司曾獲得全球第二大芯片方案商聯(lián)發(fā)科的戰(zhàn)略投資，并在此后實(shí)現(xiàn)電視操作系統(tǒng)中 3D 傳感器的量產(chǎn)，此外奧比還自行設(shè)計了基于結(jié)構(gòu)光的 ASIC 芯片，目前已確定被 OPPO 所采用。
聯(lián)美控股于 2018 年 1 月投資 3600 萬美元于以色列高科技 3D Sensing 公司 Mantis Vision，持股 17.36%，成為其最大股東，MV 主營為基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)的 3D 模組，其獨(dú)有的編碼結(jié)構(gòu)光技術(shù)在 3D 傳感和成像方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢，近日發(fā)布的小米8透明探索版就是使用了 MV 的 3D結(jié)構(gòu)光方案，由國內(nèi)的歐菲科技提供模組方案。
小米8透明探索版3D機(jī)構(gòu)光模組結(jié)構(gòu)
發(fā)射端構(gòu)成主要為擴(kuò)束激光器、衍射光學(xué)元件、Lens 等部分組成，供應(yīng)鏈以國外廠商為主導(dǎo)。具體而言，VCSEL 紅外光源方面，目前 Lumentum 是蘋果的主要供應(yīng)商，而國外廠商在該領(lǐng)域具備競爭力的還有 Finsar，Heptagon、II-VI以及ams 等，由于 VCSEL 技術(shù)壁壘較高，器件功耗、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性都存在很高的設(shè)計難度，因此，目前全球范圍內(nèi)具有 VCSEL 設(shè)計能力的公司主要為歐美光通信器件巨頭。
國內(nèi)方面光迅科技、華芯半導(dǎo)體具備中低端 VCSEL 的設(shè)計能力，但整體而言與海外巨頭差距較大。DOE 光柵方面，各家的光柵通常有方案提供商（Primesense、MV）設(shè)計，封裝廠商代工，主要封裝制造企業(yè)有臺積電、歐菲、舜宇等；光學(xué)透鏡方面，主要生產(chǎn)廠商目前主要有 Heptagon、臺灣奇景光電等，大陸華天科技和晶方科技在 WLO 晶圓級光學(xué)透鏡方面也有所布局，其中華天具備較為成熟的加工能力。
接收端技術(shù)壁壘相對較低，國產(chǎn)替代有望達(dá)到較高水平。結(jié)構(gòu)光方案的接收端主要由紅外 CMOS 芯片、濾光片、光學(xué)鏡頭幾部分構(gòu)成。紅外 CMOS 傳感器供應(yīng)商主要有意法半導(dǎo)體，三星電子，OV，Aptina，索尼，蘋果 3D 結(jié)構(gòu)光的 CMOS 芯片主要由意法半導(dǎo)體供應(yīng)，國內(nèi)在該領(lǐng)域布局的公司不多，相對而言思比科較為成熟。濾光片方面，通常采用窄帶干涉濾光片，產(chǎn)品具有相對較高的技術(shù)難度，目前蘋果的主要供貨商為 VIAVI，其他國際廠商還有 Materion、Buhler 等，國內(nèi)方面，水晶光電具有較強(qiáng)的競爭力，是全球范圍內(nèi)最重要的窄帶濾光片供應(yīng)商之一。
TOF 方案：發(fā)射端無需 DOE 與準(zhǔn)直鏡頭
TOF 方案不需要 DOE 和準(zhǔn)直鏡頭，算法芯片供應(yīng)商主要為微軟、TI、三星等。
TOF產(chǎn)業(yè)鏈主要包括紅外光源、紅外傳感器、紅外濾光片，以及傳統(tǒng)的光學(xué)組件和鏡頭。相較結(jié)構(gòu)光方案而言，TOF 方案在發(fā)射端不需要 DOE 和準(zhǔn)直鏡頭，而僅僅只需要 VCSEL 光源即可。而在接收端，TOF 方案與結(jié)構(gòu)光方案的供應(yīng)廠商類似，國內(nèi)廠商在接收端能夠?qū)崿F(xiàn)較大程度的國產(chǎn)替代。另外，TOF 方案與結(jié)構(gòu)光產(chǎn)業(yè)鏈的另一個主要區(qū)別是算法芯片公司不同。結(jié)構(gòu)光的方案提供商主要有 Primesense、MV、奧比等廠商，而 TOF 方案則以Microsoft、TI、三星、松下為主，國內(nèi)廠商目前較少涉及 TOF 的方案提供和芯片設(shè)計領(lǐng)域。
推薦設(shè)備：稱重掃碼測體、滾筒轉(zhuǎn)彎機(jī)、伸縮滾筒輸送機(jī)
