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新兴市场拉动VCSEL应用 3D Sensing市场发展迅猛

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%。

新兴市场拉动VCSEL应用 3D Sensing市场发展迅猛

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%。

新兴市场拉动VCSEL应用 3D Sensing市场发展迅猛

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%。

新兴市场拉动VCSEL应用 3D Sensing市场发展迅猛

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。

新兴市场拉动VCSEL应用 3D Sensing市场发展迅猛

图表4:苹果3D sensing 零部件价值量详细拆分


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