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《3D传感恰青春,VCSEL正芳华》
2018-01-06 11:00:26   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

苹果(Apple)十周年款iPhone X的发布,使3D传感成为2017年最火热的话题。而另一端安卓(Android)阵营的智能手机厂商,也将跟随苹果在其2018年推出的产品中引入3D传感,这势必将推动3D传感技术的核心组件——VCSEL的需求增长。

苹果(Apple)十周年款iPhone X的发布,使3D传感成为2017年最火热的话题。而另一端安卓(Android)阵营的智能手机厂商,也将跟随苹果在其2018年推出的产品中引入3D传感,这势必将推动3D传感技术的核心组件——VCSEL(垂直腔面发射激光器)的需求增长。因此,VCSEL供应链的相关厂商正在为该细分市场的起飞而积极布局。

VCSEL是生物识别技术的核心组件之一

那么,什么是3D传感技术呢?它通过红外激光扫描来捕捉物体的三维外形,是人脸识别的核心技术,在人脸识别过程中,创建一个数字矩阵来定义人脸的形貌。因此,相比通过普通摄像头来识别人脸,3D传感技术要更加精确。

3D传感为什么要采用VCSEL?因为随着VCSEL技术的不断进步,VCSEL技术具有高精度、小尺寸、低功耗和高可靠性等优势,使其成为3D摄像头系统中最常用的红外光源。

iPhone X嵌入3D传感,市场势必跟随

Apple iPhoneX 3D摄像头(TrueDepth)拆解分析

Apple iPhoneX 3D摄像头(TrueDepth)拆解分析

引自《苹果iPhone X近红外3D摄像头传感器》

从iPhone X的结构设计来看,其3D传感系统和前置摄像头设置在正面屏幕的顶端,亦即大家昵称的“刘海”。这块刘海从左至右依次排列了红外摄像头、泛光照明器、接近传感器、环境光传感器、扬声器、MEMS麦克风、700万像素前置摄像头以及点阵投影器。3D传感模组在运行时,点阵投影器会向手机前方的物体投射30000多个红外光点,然后红外摄像头传感器接收从物体反射回来的红外光,由此创建包涵物体距离和深度信息的人脸3D形貌图。最后,这些3D数据将被传送至处理芯片进行人脸识别和验证。如果数据匹配用户预设的验证信息,iPhone X便会自动完成解锁。

iPhone X 3D摄像头

泛光照明器便是一个VCSEL组件,为确保系统在暗光甚至黑暗环境中正常运行而发射辅助红外光。环境光传感器负责探测环境光的强度,以自动调节手机的屏幕亮度。接近传感器则负责探测用户和手机直接的距离,当用户离手机太近,例如当用户在接听电话时,会自动关闭屏幕。因此,环境光传感器和接近传感器都是iPhone实现省电的关键组件。

不过,iPhone X并非苹果首款商业化VCSEL的产品。苹果在其AirPods蓝牙无线耳机中已经率先应用了VCSEL技术,用于探测用户是否佩戴AirPods耳塞,以自动关闭未佩戴的耳塞从而实现省电。据麦姆斯咨询此前报道,Hamar Laser Instruments(HLI,美国汉默激光)近期进入了苹果供应链,为苹果AirPods供应VCSEL。

目前,iPhone X使用了3颗VCSEL芯片,随着iPhone X出货量的持续增长,未来苹果对VCSEL的需求将逐渐放大。据苹果透露,2017年第四季度VCSEL芯片的采购量相比2016年同期增长了10倍。

安卓阵营将携3D传感模块在2018年杀入战场

当前,3D传感已经逐渐成为智能手机市场的新焦点。尽管苹果一直在试图把控整个VCSEL供应链,但是这块市场已经发展了20余年,早已成熟应用于光通信和光收发器等多个领域。不仅如此,随着市场预期3D传感应用将爆发性增长,除了现有的激光光学组件制造商和砷化镓代工厂(Foundry)以外,拥有MOCVD设备系统的LED代工厂也将参与竞争。

目前VCSEL供应商主要包括Lumentum、Finisar和Princeton Optronics等。上游VCSEL 晶圆和芯片供应商包括IQE、Epistar(晶元光电)和HLJ(华立捷科技)等。此外,Qualcomm(高通)和Himax Technologies(奇景光电)也携手进入3D传感市场,预期收获来自安卓阵营的订单。例如,小米便采用了由Qualcomm和Himax Technologies提供的3D传感解决方案。

此前,苹果向其VCSEL供应商Finisar支付了3.9亿美元,因此外界传言苹果对Finisar进行了股权投资。后来,双方对此进行了澄清,这3.9亿美元仅是苹果未来VCSEL订单的预付款。

据Finisar内部人员透露,Finisar将利用这笔预付款升级其位于美国德州的制造工厂,在2018年实现VCSEL产能提升。在Finisar产能的支持下,苹果未来或将原深感3D摄像头应用到旗下更多的产品中,以及在iPhone背面嵌入第二套3D传感系统,不仅用于人脸识别,还可以对周围环境进行3D扫描。苹果计划利用VCSEL技术为AR(增强现实)应用奠定基础。

美国Lumentum是3D传感供应链上的另一家关键供应商,据传目前已经处于供应短缺的状态。据供应链传出的消息,2018年秋季,苹果的人脸识别将不仅应用于新款iPhone,还将应用于高端大尺寸iPad中,以扩展其AR应用。因此,苹果非常有必要在2018年第二季度落实第二家供应商,以确保核心组件的供应。

目前,华为、Oppo、小米、Vivo、三星等其它智能手机品牌都正在紧锣密鼓地开发搭载3D传感模组的新款手机,预计它们最早也要到2018年第二季度问世。麦姆斯咨询预测,包含VCSEL和EEL(边发射激光器)在内的红外激光模组市场到2020年将增长至19.53亿美元。

顺势而为的台湾地区供应链

随着安卓阵营智能手机厂商正积极地开发3D传感应用,台湾地区供应链的相关厂商自然要紧跟趋势。尤其是砷化镓,作为VCSEL系统中红外光源的关键要素,已逐渐成为市场焦点。台湾当地的砷化镓供应商包括WIN Semiconductors(稳懋半导体)、Advanced Wireless Semiconductor Company(AWSC,宏捷科技)和Visual Photonics Epitaxy Co.(VPEC,全新光电),它们都在供应VCSEL应用市场。其中,稳懋半导体的营收增长将主要受VCSEL拉动。VCSEL制造商需要晶圆制造能力和使用6英寸晶圆Fab,而稳懋半导体现在是光纤和微波通讯设备全球主要代工厂,与此同时,稳懋半导体还在兴建新的Fab,以持续扩大产能。

宏捷科技将其主打产品从功率放大器(PA)拓展至VCSEL后,其营收自2017年开始反弹。宏捷科技的VCSEL产品已经出货至欧洲地区。宏捷科技同时也是Princeton的VCSEL代工厂,使其在未来有可能进一步拓展ams(艾迈斯)的供应链以及3D传感市场。

而另一家供应商全新光电,其VCSEL晶圆已经应用于智能手机,此外还正在开发汽车和监视摄像头领域的更多应用。目前,全新光电的PA晶圆占其总营收的80%,在无线通信应用中具有稳定的性能表现,至于在移动应用领域的性能,则有待市场反馈。

3D传感技术目前面临两个主要挑战。首先,它需要精准地测量距离,当前的解决方案主要包括飞行时间(ToF)和结构光技术;其次,它需要对飞行时间和结构光测量进行特定的参数解译,运行独特的算法进行人脸或虹膜识别。因此,安卓手机供应商指出,它们所面临的最大的挑战,不是3D传感硬件模组,而是合适的距离测量技术和算法。

未来3D传感将渗透更多应用领域

过去VCSEL主要用于光通信和数据传输,由于相对稳定的供应链,所有供应商都采取了“小,但稳”的运营模式。过去20年,VCSEL的总出货量约为10亿颗,2016年,在光收发器领域的VCSEL出货量超过了3000万颗。而在2017年iPhone X发布以后,VCSEL在消费电子领域的出货量已经超越了当前光通信领域的总和。到2019年,智能手机应用的VCSEL出货量预计将达到2.4亿颗,大约将是光通信领域需求的5倍。

因此,长远来看,由于物联网和云计算等市场的发展,VCSEL市场增长潜力巨大。尤其是在数据中心、汽车夜视摄像系统、自动驾驶等领域,具有广阔的应用前景。近几年,中国政府积极支持砷化镓产业和电信组件产业,布局VCSEL市场。其结果,必然加剧VCSEL领域的激烈竞争。

因此,快速发展的消费电子产业已经深刻改变VCSEL市场。2018年,智能手机供应商和VCSEL上游供应商之间的合作即将开始。不过,苹果已经在VCSEL和算法方面申请大量专利,占得先机。对于该产业的其它厂商来说,除了产能扩张外,还有更关键的问题需要考虑。它们需要寻求提高3D传感精度的有效方法,除了成本效益问题外,还需要避免专利侵权问题。

延伸阅读:

《苹果iPhone X近红外3D摄像头传感器》

《垂直腔面发射激光器(VCSEL)市场-2017版》

《3D成像和传感-2017版》

《汽车MEMS和传感器市场及技术趋势-2017版》

《红外LED和激光器技术、应用和产业趋势》

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