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)

全面屏時代：生物識別新革命

未來在智能手機識別領(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、用途各不相同。進入智能化時代以來，隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的大量使用和人們對于身份認證、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，被廣泛應(yīng)用于智能手機等領(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、簽到、手機應(yīng)用等多個領(lǐng)域；聲紋識別的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)遠距離識別，缺點是誤識率高、易受干擾，多應(yīng)用于人機交互領(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?！睆氐淄呓狻男∶?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正面移除的要求，其中首當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 光學面向AR/VR、AI 新領(lǐng)域。

在屏下指紋、3D光學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，且會破壞機身背部整體性，在美觀程度上也有所不足，因而我們認為該方案未來主要將用于一些低端機型上，而就高端機型而言，該方案大概率作為一種過渡性的方案。

3D 光學方案自被 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，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)實中的 3D 信息直接輸入處理而非降維成 2D 信息，將促進各行業(yè)智能化解決方案的發(fā)展。

目前 iPhone X 前置 3D Sensing 采用點陣結(jié)構(gòu)光方案，預(yù)計 2018 年下半年 A 客戶新機將采用后置 3D 方案，而國產(chǎn)安卓廠商方面也將進一步在旗艦機中加入此類功能。與前面兩種方案相比，屏下指紋識別方案既滿足了全面屏時代對于取消手機 Home 鍵的要求，同時也符合用戶傳統(tǒng)的操作習慣，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、超聲波方案領(lǐng)銜

技術(shù)路徑：光學、超聲波代表當下主流，全屏幕識別展開積極探索

全面屏時代，電容方案受限，光學與超聲方案有望成為發(fā)展主流。目前市場上能夠是實現(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階段，存在不確定性。與之相比，光學方案和超聲方案相對成熟，其中光學方案兼容 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。

光學方案：解鎖穩(wěn)定、成本可控，OLED 助力方案滲透

光學方案技術(shù)由來已久，主要基于折反原理。在各類指紋識別方案中，光學方案其實是一種早已被廣泛應(yīng)用的技術(shù)，例如之前很多考勤機、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行識別。不過在 2017 年以前，光學方案始終沒能應(yīng)用于智能手機，主要的原因是光學傳感器的體積過大，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、精準化識別取得突破，光學舊方案煥發(fā)新活力。經(jīng)過不斷的探索，光學指紋識別方案逐步改良，實現(xiàn)小型化、精準化、安全性等要求，隨著 2016 年以來新思、匯頂先后發(fā)布新一代的光學指紋識別方案，光學方案正式成為屏下指紋識別最重要的實現(xiàn)手段之一。新一代的光學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已成為第一個實現(xiàn)屏下指紋商用的手機制造商，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)機構(gòu)對該款手機的指紋識別功能進行了評測，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 Mate RS 上又一次搭載了光學式屏下指紋方案，方案供應(yīng)商為國內(nèi)指紋識別大廠匯頂科技；此外，今年三星新機大概率也將搭載光學屏下指紋識別模組，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 iPhoneX 上用人臉識別取代了 3D touch，但其子公司 AuthenTec 依然在光學屏下指紋領(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度識別指紋，防油防水、穿透性強。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行識別。超聲方案的優(yōu)點在于其穿透性更強，能夠進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。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。2017 年，高通的屏下指紋方案曾經(jīng)提交 vivo 進行測試，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。盡管光學方案和超聲波方案都能夠在一定程度上實現(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，這對手機偏振片的硬度提出了更高的要求，并且手機膜等配件甚至會無法使用，第二，off-chip 模組所需要的放置空間依然較大，可能需要進一步進行小型化的處理，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)能夠為用戶帶來更好的體驗，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

光學方案傳統(tǒng)龍頭主導(dǎo)，國內(nèi)廠商全面布局。光學指紋識別方案的產(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指紋方案的獨家供應(yīng)商。綜合來看，我們認為光學屏下指紋產(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)首款面向智能手機和平板電腦的光學指紋傳感器 Natural ID，2018 年 1 月，該方案在 vivoX20Plus 上實現(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 等手機采用。除上述傳統(tǒng)巨頭，敦泰也在積極部署光學屏下指紋方案，其獨有方案能夠檢測 3D 立體指紋圖像，并且兼容 LCD 和 OLED 屏，兼容性和安全性更強，目前方案暫未投入市場?？傮w來看，短期內(nèi)匯頂、新思或?qū)簳r瓜分光學屏下指紋市場，按照 2019 年光學方案與超聲方案市場占比 7:3，其中光學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，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廠商屏下指紋模組封裝的獨家供應(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)點在于遠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圖形到被觀測物體上，從而使激光在最終物體表面的落點產(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)點在于一次成像就可以得到深度信息，能耗低，分辨率高。缺點在于對光源和光學器件有較高要求。結(jié)構(gòu)光因其不用多次成像，能耗較低，便于安裝和維護等特點，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)成包括點光源、準直鏡頭、光柵元件和 Lens，其中點光源+準直鏡頭充當整個光路的光源，產(chǎn)生擴束平行光，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行準直化處理，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。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，可見光相機的作用是獲取環(huán)境實時的 XY 平面物體信息。

AR 帶動后置 3D 需求，TOF 有望大顯身手。增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）是一種實時地計算攝影機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)的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進行互動。在升級 iOS 11 系統(tǒng)后，蘋果手機可下載 AR 應(yīng)用，目前應(yīng)用的實現(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的距離，按照距離的遠近調(diào)整畫面和聲音效果，給用戶帶來 3D 感官上的體驗，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)境信息借助手機屏幕輸出給用戶，能夠帶來沉浸式的 3D 體驗。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、歐菲光、丘鈦科技等廠商已切入該領(lǐng)域并實現(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，華捷艾米也準備推出針對智能手機的小型化的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 的加工上獨具特點，通過獨特的 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機構(gòu)光模組結(jié)構(gòu)

發(fā)射端構(gòu)成主要為擴束激光器、衍射光學元件、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 與準直鏡頭

TOF 方案不需要 DOE 和準直鏡頭，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。


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