結(jié)構(gòu)光3D成像技術(shù)主要由4大部分組成：
1)不可見(jiàn)光紅外線(xiàn)(IR)發(fā)射模組：用于發(fā)射經(jīng)過(guò)特殊調(diào)制的不可見(jiàn)紅外光至拍攝物體。
2)不可見(jiàn)光紅外線(xiàn)(IR)接收模組：接收由被拍攝物體反射回來(lái)的不可見(jiàn)紅外光，通過(guò)計(jì)算獲取被拍攝物體的空間信息。
3)鏡頭模組：采用普通鏡頭模組，用于2D彩色圖片拍攝。
4)圖像處理芯片：將普通鏡頭模組拍攝的2D彩色圖片和IR接收模組獲取的3D信息集合，經(jīng)算法處理得當(dāng)具備3D信息的彩色圖片。
一、IR發(fā)射模組：核心部件高壁壘，影響成像效果
IR發(fā)射模組的工作流程主要為：1)不可見(jiàn)紅外光發(fā)射源(激光器或者LED)發(fā)射出不可見(jiàn)紅外光;2)不可見(jiàn)紅外光通過(guò)準(zhǔn)直鏡頭(WLO)進(jìn)行校準(zhǔn);3)校準(zhǔn)后的不可見(jiàn)紅外光通過(guò)光學(xué)衍射元件(DOE)進(jìn)行散射，進(jìn)而得到所需的散斑圖案。因?yàn)樯邎D案發(fā)射角度有限，所以需要光柵將散斑圖案進(jìn)行衍射“復(fù)制”后，擴(kuò)大其投射角度。
因此IR發(fā)射模組主要部件包括：不可見(jiàn)紅外光發(fā)射源(激光器或者LED)、準(zhǔn)直鏡頭(WLO)、光學(xué)衍射元件(DOE)。
1.1不可見(jiàn)紅外光發(fā)射源：將以VCSEL為主流
紅外主要波長(zhǎng)是700nm-2500nm。目前的攝像頭對(duì)900nm以上的紅外光感應(yīng)差，需要更強(qiáng)的光才能感測(cè)到;而800nm以下的波長(zhǎng)，太靠近可見(jiàn)光，極其容易受到太陽(yáng)光的干擾，所以一般紅外的波長(zhǎng)在800nm-900nm。目前，可以提供800-900nm波段的光源主要有三種：紅外LED、紅外LD(激光二極管)和VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)。
VCSEL是以砷化鎵半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)研制，主要包含激光工作物質(zhì)、崩浦源和光學(xué)諧振腔3大部分。相比較而言VCSEL光譜準(zhǔn)確性更高、響應(yīng)速度更快、使用壽命更長(zhǎng)、投射距離更長(zhǎng)，因此比LED光源具有明顯優(yōu)勢(shì)，在智能設(shè)備中VCSEL將成為主流。
VCSEL全名為垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)，簡(jiǎn)稱(chēng)面射型激光，是一種垂直表面出光的新型激光器，也是光纖通訊所采用的光源之一。VCSEL 的制造依賴(lài)于MBE(分子束外延)或MOCVD(金屬有機(jī)物氣相沉積)工藝，在GaAs(80%左右的份額)或InP(15%左右的份額)晶圓上生長(zhǎng)多層反射層與發(fā)射層。由于VCSEL 主要采用三五族化合物半導(dǎo)體材料GaAs 或 InP(含有In、Al 等摻雜)，因此移動(dòng)端VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈與化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)類(lèi)似。
目前， 全球范圍內(nèi)主要的設(shè)計(jì)者包括Finsar 、Lumentum、Princeton Optronics 、Heptagon、ⅡⅥ等公司，它們?cè)谝苿?dòng)端VCSEL處于前沿的研發(fā)角色。由IQE、全新、聯(lián)亞光電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)、穩(wěn)懋(Heptagon 合作方)等公司進(jìn)行晶圓制造，再經(jīng)過(guò)聯(lián)鈞、矽品等公司的封測(cè)，便變成了獨(dú)立的VCSEL 器件。然后由設(shè)計(jì)公司提供給意法半導(dǎo)體、德州儀器、英飛凌等綜合解決方案商，再提供給下游消費(fèi)電子廠商。
1.2準(zhǔn)直鏡頭：預(yù)計(jì)將以WLO工藝為主
由VCSEL發(fā)出的紅外光需要經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭的校準(zhǔn)，準(zhǔn)直鏡頭利用光的折射原理，將波瓣較寬的衍射圖案校準(zhǔn)匯聚為窄波瓣的近似平行光。準(zhǔn)直鏡頭可以采用傳統(tǒng)的光學(xué)鏡頭制造方法，也可以采用WLO(晶圓級(jí)鏡頭)。
根據(jù)傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭和WLO的性能對(duì)比，WLO成本更低、生產(chǎn)效率更高、鏡頭一致性更好，更適合用于制造準(zhǔn)直鏡頭。同時(shí)根據(jù)廠商信息，AMS旗下Heptagon是該市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，公司表示將在2017年中看到明顯的營(yíng)收增長(zhǎng)，我們相信這一預(yù)期主要來(lái)之蘋(píng)果的訂單。
1.3光學(xué)衍射元件(DOE)
經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡頭校準(zhǔn)后的激光束并沒(méi)有特征信息，因此下一步需要對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)制，使其具備特征結(jié)構(gòu)，光學(xué)衍射元件(DOE)就是用來(lái)完成這一任務(wù)的。VCSEL射出的激光束經(jīng)準(zhǔn)直后，通過(guò)DOE進(jìn)行散射，即可得到所需的散斑圖案(Pattern)。由于DOE對(duì)于光束進(jìn)行散射的角度(FOV)有限，所以需要光柵將散斑圖案進(jìn)行衍射“復(fù)制”后，擴(kuò)大其投射角度。
光學(xué)衍射元件DOE的制造門(mén)檻較高，預(yù)計(jì)將由臺(tái)積電采購(gòu)玻璃后進(jìn)行pattern，精材科技將臺(tái)積電pattern后的玻璃與VCSEL進(jìn)行堆疊、封裝和研磨，然后交采鈺進(jìn)行ITO工序，最后由精材科技進(jìn)行切割。
二、IR接收模組：窄帶濾光片為國(guó)內(nèi)廠商主要機(jī)會(huì)
IR接收模組用于對(duì)被拍攝物體反射的紅外光進(jìn)行接受和處理，獲取被拍攝物體的空間信息。IR接收模組主要由3部分組成：1)特制紅外CMOS；2)窄帶濾光片；3)鏡頭Lens;
2.1特制紅外CMOS
接收端CMOS的要求是其能接受被拍攝物體發(fā)射回來(lái)的紅外散斑圖案，不需要對(duì)其他波長(zhǎng)的光線(xiàn)進(jìn)行成像。相對(duì)普通RGB CMOS而言，紅外CMOS是一個(gè)相對(duì)小眾的市場(chǎng)，但是增速很快，目前主要廠商包括：意法半導(dǎo)體、奇景光電、三星電子、富士通等。
2.2窄帶濾光片
在IR發(fā)送端，VCSEL發(fā)射的是940nm波長(zhǎng)的紅外光，因此在接受端需要將940nm以外的環(huán)境光剔除，讓接受端的特制紅外CMOS只接收到940nm的紅外光。為達(dá)到這一目的，需要用到窄帶濾光片。所謂窄帶濾光片，就是在特定的波段允許光信號(hào)通過(guò)，而偏離這個(gè)波段以外的兩側(cè)光信號(hào)被阻止，窄帶濾光片的通帶相對(duì)來(lái)說(shuō)比較窄，一般為中心波長(zhǎng)值的5%以下。窄帶濾光片主要采用干涉原理，需要幾十層光學(xué)鍍膜構(gòu)成，相比普通的RGB吸收型濾光片具有更高的技術(shù)難度和產(chǎn)品價(jià)格。目前業(yè)內(nèi)主要廠商為VIAVI(JDSU拆分而來(lái))和國(guó)內(nèi)的水晶光電。
2.3接收端鏡頭(Lens)
接收端鏡頭為普通鏡頭，業(yè)內(nèi)方案成熟，大立光、玉晶光、Kantatsu等廠商都能提供。
總體而言，接收端除窄帶濾波片較特殊，制造難度較高外，特征紅外CMOS和鏡頭都是成熟產(chǎn)品，不存在制造難度。
三、鏡頭成像端：產(chǎn)業(yè)鏈成熟，非增量業(yè)務(wù)
鏡頭成像端就是指目前智能手機(jī)的手機(jī)鏡頭模組，主要包含：音圈馬達(dá)(Voice Coil Motor，VCM)，鏡頭(Lens)，紅外截止濾光片(IR-Cut Filter，IRCF)，圖像傳感器(CMOS Image Sensor)以及印刷線(xiàn)路板(Printed Circuit Board，PCB)。產(chǎn)業(yè)鏈成熟，供應(yīng)商眾多，在此不再贅述，同時(shí)3D成像的興起對(duì)鏡頭成像端而言并無(wú)變革。
四、3D圖像處理芯片：難度高，突破難
3D成像所需的圖像處理芯片和一般的圖像處理芯片有所區(qū)別，其通過(guò)復(fù)雜的算法將IR接收端采集的空間信息和鏡頭成像端采集的色彩信息相結(jié)合，生成具備空間信息的三維圖像。該芯片設(shè)計(jì)壁壘高，目前供應(yīng)商僅為幾個(gè)芯片巨頭，包括STM(意法半導(dǎo)體)、TI(德州儀器)、NXP(恩智浦)。
4.1 產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)崂恚和赓Y為主，國(guó)內(nèi)廠商有所卡位
目前結(jié)構(gòu)光產(chǎn)業(yè)鏈一流供應(yīng)商皆已被蘋(píng)果鎖定，包括整體方案商PrimeSense(2013年以3.45億美元收購(gòu))，核心部件VCSEL、DOE、WLO、Fliter中的一流供應(yīng)商皆在與蘋(píng)果做試樣。目前國(guó)內(nèi)廠商在Fliter(水晶光電)、模組(歐菲光)方面具備較強(qiáng)實(shí)力，但在VCSEL、DOE、WLO、IR CIS、3D圖像處理芯片方面能力欠缺，以下是我們對(duì)結(jié)構(gòu)光產(chǎn)業(yè)鏈的完全梳理。
4.2 2017年為3D成像元年，未來(lái)3年市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速
在結(jié)構(gòu)光中，鏡頭成像端就是原來(lái)的前置攝像頭，因此采用結(jié)構(gòu)光方案對(duì)前置攝像頭模組無(wú)拉動(dòng)效應(yīng)，增量部分來(lái)自IR發(fā)射模組、IR接收模組、3D圖像處理IC。
2017年3D成像市場(chǎng)主要由iPhone新款手機(jī)貢獻(xiàn)，預(yù)計(jì)iPhone手機(jī)2017年3D成像滲透率為21.3%。進(jìn)入2018年我們預(yù)計(jì)iPhone手機(jī)將全面使用前置3D成像，后置3D成像開(kāi)始逐步采用。預(yù)計(jì)蘋(píng)果帶來(lái)的3D成像市場(chǎng)規(guī)模從2017-2020年分別為5、18.6、30.1、32.3億美元。非蘋(píng)陣營(yíng)3D成像的啟動(dòng)時(shí)間預(yù)計(jì)在2018年，雖起步晚，但出貨量大，我們預(yù)計(jì)2018-2020年非蘋(píng)陣營(yíng)帶來(lái)的3D成像市場(chǎng)需求分別為15.8、37.5、69.6億美元?？傆?jì)2017-2020年智能手機(jī)3D成像市場(chǎng)規(guī)模為5、34.4、67.6、102.3億美元。目前，有部分國(guó)內(nèi)手機(jī)廠家已經(jīng)開(kāi)始涉獵3D成像產(chǎn)品，拍攝即能形成3D圖像，如前不久發(fā)布的金立S10。
左右晃動(dòng)即能呈現(xiàn)各個(gè)方位的細(xì)節(jié)
智能手機(jī)是3D成像技術(shù)的主要應(yīng)用市場(chǎng)，但不是唯一市場(chǎng)，預(yù)計(jì)PAD和NB未來(lái)也將搭載3D成像技術(shù)。如果考慮來(lái)自PAD和NB市場(chǎng)的3D成像需求，我們預(yù)測(cè)2017-2020年市場(chǎng)規(guī)模為5、34.6、68.5、107.2億美元。
