對3D攝像頭和vcesl產業(yè)做一個超詳細的專業(yè)科普

蘋果發(fā)布了帶Face ID的iPhone X之后，關于3D感測的討論就多了起來，在這里，我們?yōu)榇蠹覍@個產業(yè)做一個超詳細的專業(yè)科普。

3D攝像攝像頭是什么？3D攝像頭特點在于除了能夠獲取平面圖像以外，還可以獲得拍攝對象的深度信息，即三維的位置及尺寸信息，其通常由多個攝像頭+深度傳感器組成。3D攝像頭實現(xiàn)實時三維信息采集，為消費電子終端加上了物體感知功能，從而引入多個“痛點型應用場景”，包括人機交互、人臉識別、三維建模、AR、安防和輔助駕駛等多個領域。站在當前時點，我們認為2D向3D攝像頭的轉變將成為繼黑白到彩色、低分辨率到高分辨率、靜態(tài)圖像到動態(tài)影像后的第四次革命，有望再度引爆消費電子供應鏈！一句話，觸摸屏實現(xiàn)了交互方式從一維到平面，而3D攝像頭將讓交互方式從平面變成立體。

消費體驗來講，到底能實現(xiàn)怎么樣的顛覆式應用？3D攝像頭實時獲取環(huán)境物體深度信息、三維尺寸以及空間信息，為動作捕捉、三維建模、VR/AR、室內導航與定位等“痛點型”應用場景提供了基礎的技術支持，因而具有廣泛的消費級和工業(yè)級應用需求。從應用角度來看，目前3D攝像頭能夠大顯身手的場景主要包括消費電子領域的動作捕捉識別、人臉識別，自動駕駛領域的三維建模、巡航與障礙避開，工業(yè)自動化的零件掃描檢測分揀，安防領域的監(jiān)控、人數(shù)統(tǒng)計等等。

我們認為隨著今年大客戶導入3D攝像頭技術，人臉識別和手勢識別應用將率先脫穎而出，市場空間有望迎來爆發(fā)式增長！根據(jù)研究機構Zion Research預測數(shù)據(jù)，3D攝像頭市場規(guī)模將從2015年的12.5億美元增長到2021年的78.9億美元，年均增長率達35%！而從當前產業(yè)鏈調研來看，單價預計13-18美元；按2021年18億部智能手機40%滲透率來算已經(jīng)超過100億美元市場空間，加上在AR、自動駕駛、機器人等領域應用，整個3D攝像頭市場空間實際有望超過200億美元！

（二）“痛點型”應用場景層出不窮，將迎來手機標配到智能終端爭配的爆發(fā)

1、場景1-人臉識別元年來臨，指紋識別之后脫穎而出

在智能手機強調差異化、尋求創(chuàng)新點的背景下，臉部識別有望成為消費電子下一個創(chuàng)新大方向，帶來產業(yè)鏈投資機會。

從市場占有率看，指紋識別之后最可能脫穎而出的預計是臉部識別。根據(jù)前瞻產業(yè)研究院統(tǒng)計，2007年至2013年六年期間，生物識別技術的全球市場規(guī)模年均增速為21.7%。自2015年到2020年，各細分行業(yè)市場規(guī)模增幅分別為：指紋（73.3%）、語音（100%）、人臉（166.6%）、虹膜（100%）、其他（140%）。眾多生物識別技術中人臉識別在增幅上居于首位，預計到2020年人臉識別技術市場規(guī)模將上升至24億美元。我們預計在智能終端滲透臉部識別的情況下，市場規(guī)?？赡艽蟪A期。

目前人臉識別市場的解決方案主要包括：2D識別、3D識別和熱感識別。2D臉部識別是基于平面圖像的識別方法，但由于人的臉部并非平坦，因此2D識別在將3D人臉信息平面化投影的過程中存在特征信息損失。3D識別使用三維人臉立體建模方法，可最大程度保留有效信息。因此3D人臉識別技術更為合理并擁有更高精度。

以TOF和結構光為代表的3D攝像頭技術與人臉識別技術需求最為匹配。首先，3D攝像頭采用紅外線作為發(fā)射光線，能夠解決可見光的環(huán)境光照影響問題。傳統(tǒng)的2D識別技術在環(huán)境光照發(fā)生變化時，識別效果會急劇下降，無法滿足實際系統(tǒng)的需要。比如，拍照時遇到側光時出現(xiàn)的“陰陽臉”現(xiàn)象，就可能無法正確識別。

TOF或結構光3D攝像頭技術進行拍攝時采集得到人臉圖像深度信息，能夠獲取更多的特征信息在傳統(tǒng)人臉識別技術基礎上大幅提升識別準確率。與2D人臉識別系統(tǒng)相比，3D人臉識別能夠采集眼角距、鼻尖點、鼻翼點、兩個太陽穴之間的距離、從耳到眼的距離等深度特征信息，并且這些參數(shù)一般不會隨著一個人整容、換發(fā)型而發(fā)生較大變化，因而3D人臉識別能夠在用戶特征發(fā)行變化時繼續(xù)保持極高的識別準確率。

2、場景2-手勢識別：人機交互方式核心痛點

回顧人機交互發(fā)展，實際上是一段不斷改造機器解放人的歷程。最早期的電腦，鍵盤是唯一的輸入設備，隨著圖形界面GUI的出現(xiàn)，形成“鍵盤+鼠標”的組合，然而精準點擊鼠標和敲擊鍵盤仍然需要較高的學習成本。其后，設備終端的越做越小進一步解放用戶，手機觸屏的出現(xiàn)真正擺脫了鍵鼠這一中間介質，做到所觸即所得。下一個十年人機交互方式將更加智能與便捷，將用戶從觸碰屏幕解放出來，主動捕捉用戶手勢動作并進行識別處理將成為下一個交互痛點！

手勢識別的關鍵便在于3D攝像頭（或稱3D感知）技術，3D攝像頭利用TOF或結構光技術獲取影像深度信息，通過算法處理對用戶手勢進行識別，從而實現(xiàn)用戶隔空操控智能終端。根據(jù)MarketsandMarkets研究，預計近距離傳感器的市場規(guī)模在2020年將達到37億美元，2015年至2020年的復合增長率為5.3%。

3、場景3-三維重構基礎技術，AR/VR領域將大放異彩

AR/VR設備為什么要采用3D攝像頭技術？——1、獲得周圍環(huán)境圖像的RBG數(shù)據(jù)與深度數(shù)據(jù)，進行三維重建；2、實現(xiàn)手勢識別、動作捕捉等人機交互方式。

AR/VR的3D感知在實現(xiàn)原理上一般采用TOF和結構光這兩種主動感知技術，設備正面通常包括1個紅外發(fā)射器、1個紅外傳感器（獲取深度信息）和多個環(huán)境光攝像頭（獲取RBG信息）。以TOF技術為例，紅外發(fā)射器發(fā)射紅外線，至目標物體反射后由紅外傳感器進行接收，利用發(fā)射信號和接收信號之間的相位差進行運算和轉換得到距離/景深數(shù)據(jù)。

早期通過不同角度的二維圖像重建場景中的三維模型，真實感低，深度攝像頭的出現(xiàn)使得三維重建效果大大提升。深度攝像頭能同時獲得圖像的RGB數(shù)據(jù)和深度數(shù)據(jù)，并基于此進行三維重建。

下面通過一個簡單場景對利用3D攝像頭三維重建進行說明。利用基于TOF/結構光技術的3D攝像頭可以建立周圍環(huán)境的“點云”，如左圖所示，并通過不同顏色標注距離鏡頭遠近不同。點云數(shù)據(jù)結合環(huán)境圖像的RBG信息便可以進行如右圖的場景還原，此后可以在此基礎上衍生出多重應用如測距、虛擬購物、裝修等等，比如進行右圖中的家具擺放，由于還原的場景具有深度信息，因此模擬出來的家具在碰到障礙物時便不能繼續(xù)推動，具有超強真實感。

同時3D攝像頭技術提供的手勢識別功能將成為未來AR/VR領域的核心交互手段。目前各大廠商推出的VR設備大都需要控制器,游戲控制器的優(yōu)勢在于控制反饋及時、組合狀態(tài)多。缺點是與虛擬環(huán)境互動少，用戶只能控制而不能參與。而在AR應用方面，手柄就完全不能勝任人機交互的任務了。在AR應用領域有豐富的人機互動內容，而這種互動是非常復雜的，只有手勢操作才可以完成。以HoloLens為例，就擁有一組四個環(huán)境感知攝像頭和一個深度攝像頭，環(huán)境感知攝像頭用于人腦追蹤，深度攝像頭用于輔助手勢識別并進行環(huán)境的三維重構。

除Hololens外，目前已經(jīng)發(fā)布的AR產品如Meta2、HiAR Glasses以及Epson Moverio也已經(jīng)采用3D感知技術進行手勢識別、動作捕捉等功能，我們預計未來基于TOF或結構光技術的3D攝像頭作為手勢識別、三維場景重建的基礎，將成為AR設備的標配！

二、3D Sensing攝像頭：一場“有預謀”的變革iPhone8引入已經(jīng)箭在弦上！

（一）技術路線已經(jīng)成熟：TOF及結構光殊途同歸

3D攝像頭主要有三條主流技術路線：光飛時間（TOF，time of flight）、結構光（structure light）和多角成像（也稱雙目立體視覺技術，multi-camera）。從當前技術發(fā)展和產品應用來看，TOF與結構光因其使用便捷、成本較低等優(yōu)點而最具前景。

1、光飛時間（Time Of Flight）技術

TOF技術是通過主動發(fā)射調制過后的連續(xù)光脈沖信號至目標面上，然后利用傳感器接收反射光，利用它們之間的相位差進行運算和轉換得到距離/景深數(shù)據(jù)。

TOF優(yōu)點在于可以做到對逐個像素點的深度進行計算，近距離情況下精度可以很高；缺點則在于室外受自然光紅外線影響大、測量范圍窄（遠距離無法保證進度）以及成本較結構光要高。

目前的主流技術TOF技術采用SPAD（single-photonavalanche diode，單光子雪崩二極管）陣列來精確檢測并記錄光子的時間和空間信息，繼而通過三維重構算法進行場景的三維重構。SPAD是一類高靈敏度的半導體光電檢測器，被廣泛應用于弱光信號檢測領域。

2、結構光（structure light）技術

結構光技術的基本原理是：在激光器外放置一個光柵，激光通過光柵進行投射成像時會發(fā)生折射，從而使得激光最終在物體表面上的落點產生位移。當物體距離激光投射器比較近的時候，折射而產生的位移就較小；當物體距離較遠時，折射而產生的位移也就會相應的變大。這時使用一個攝像頭來檢測采集投射到物體表面上的圖樣，通過圖樣的位移變化，就能用算法計算出物體的位置和深度信息，進而復原整個三維空間。

采用結構光技術的代表產品包括Kinect 1、Intel RealSense Camera（F200&R200）以及第一代project tango產品等等。

結構光技術優(yōu)點在于一次成像即可讀取深度信息，缺點在于解析度受光柵寬度與光源波長限制、對衍射光學器件（DOE）要求較高，也同樣會受室外可見光紅外線較大影響。

3、多角成像（Multi-Camera）技術

多角成像技術是基于視差原理，并利用成像設備從不同的位置獲取被測物體的兩幅圖像，通過計算圖像對應點間的位置偏差，來獲取物體三維幾何信息的方法。

多角成像技術優(yōu)點在于室內室外皆適用，不受日光影響以及幾乎不受透明屏障影響，缺點則在于計算量巨大、算法復雜，對硬件具有較高要求。

下表主要從軟件復雜性、延遲、是否主動照明、探測距離、分辨率等指標對三種主流技術進行對比：

從目前已經(jīng)上市的產品技術運用來看，結構光/TOF的應用具有成熟，且技術原理上殊途同歸。初代產品大多采用結構光技術，而新一代產品采用TOF技術的數(shù)量則開始逐漸提升，我們認為TOF技術未來將憑借自身在軟件復雜性、延遲、精度、掃描速度等領域的優(yōu)勢成為最具應用前景的3D攝像頭技術；而結構光則在成本優(yōu)勢、一次性成像等方面具備較好優(yōu)勢，有望成為手機應用的排頭兵。

（二）國際消費電子大廠均已具備成熟3D Sensing攝像頭技術蘋果積淀最為深厚

自2009年以來，各大消費電子巨頭紛紛開始布局3D攝像頭領域，近兩年里更是有加速跡象！以Intel、Microsoft、Sony以及高通為代表的巨頭近年來在TOF 3D傳感器、手勢識別算法、下游應用軟件解決方案等領域展開并購整合。

蘋果在3D攝像頭技術及其下游應用領域布局已久，我們預計iPhone十周年機型有望祭出這一殺手锏技術?？v觀消費電子創(chuàng)新歷史，大的終端客戶具有培育新興市場、引領創(chuàng)新趨勢、帶動行業(yè)技術革新的能力，一旦采用其他廠商高端廠商必定迅速跟進，整個產業(yè)有望迎來爆發(fā)式增長。

蘋果最早于2010年在3D攝像頭領域展開布局，目前已經(jīng)收購多家3D成像、人臉識別及手勢識別企業(yè)。在2010年9月收購瑞典算法公司Polar Rose，在2013年收購Prime Sense，在2015年收購機器學習與圖像識別公司Perceptio和以色列3D攝像頭技術公司LinX，以及動作捕捉公司Faceshift之后，蘋果公司于2016年收購臉部識別系統(tǒng)公司Emotient。

專利方面，蘋果自2005年開始對3D攝像頭技術和相關應用進行專利積累，其中包括利用圖像深度信息進行手勢識別和通過使用紅外線傳感器等裝置進行人臉識別。

（三）iPhone在距離傳感器的應用已爐火純青3D Sensing攝像頭配置于十周年紀念版成為必然

與3D Sensing在基本結構與基本原理上類似的距離傳感器應用，蘋果自iPhone3GS開始已成為標配。以下我們從結構、原理和功能對歷代iPhone前置結構創(chuàng)新進行梳理。

蘋果從初代iPhone開始就具有前置距離傳感器的設計，主要用于判斷用戶頭部與屏幕距離，當手機貼近耳朵的時候能夠自動的關閉屏幕。歷代iPhone均具有兩個前置傳感器（環(huán)境光傳感器+紅外距離傳感器）和一個前置攝像頭：從右到左是前置攝像頭，光線傳感器，紅外距離傳感器，其中光學傳感器通常被油墨遮蓋無法發(fā)現(xiàn)。

距離傳感器：使用一個紅外二極管，向外發(fā)射紅外線，如果有物體靠近時會反射紅外光線，此反射的紅外光線被紅外光探測器感知，并將此信號經(jīng)過一些列邏輯控制操作傳遞給CPU，使CPU得以控制屏幕的喚醒與否。

環(huán)境光傳感器：主要用于探測環(huán)境中光信號的變化然后將其變化轉換為數(shù)字信號輸出給CPU。

理論上距離傳感器由發(fā)射和接收兩個單元組成，但是為什么前置只有三個孔？這是因為蘋果采取將環(huán)境光傳感器和距離傳感器接收端集成在一起的方式，在距離傳感器中采用了兩個光電二極管：一個寬帶光電二極管檢測300nm~1100nm波段的光學，另一個利用窄帶濾光材料檢測紅外線，然后從寬帶光電二極管接收到的光線中減掉紅外線從而得到環(huán)境光信號。

可以看到，歷代iPhone前置結構均包含一個前置攝像頭、距離傳感器以及環(huán)境光傳感器，創(chuàng)新僅在于是否將距離傳感器接收端與環(huán)境光傳感器進行集成，功能上僅僅能夠實現(xiàn)識別用戶頭部是否靠近聽筒從而控制屏幕。我們認為，連續(xù)8代的距離傳感器應用說明蘋果已經(jīng)將測距類模塊在手機上的設計與使用運用的爐火純青。

我們推斷，大客戶十周年機型導入基于結構光或TOF技術的3D攝像頭技術將是大概率事件，且3D攝像頭模塊很可能不止一個！這一技術將為新一代產品帶來3D人臉識別及手勢識別功能，開啟新一輪消費電子創(chuàng)新趨勢！

三、解密3D Sensing攝像頭產業(yè)鏈最大變化在于IR VCSEL模組（光源+光學組件）

（一）拆解3D Sensing攝像頭

3D攝像頭在傳統(tǒng)攝像頭基礎上引入基于TOF或結構光的3D感知技術，目前這兩種主流3D感知技術均為主動感知，因此3D攝像頭產業(yè)鏈與傳統(tǒng)攝像頭產業(yè)鏈相比主要新增加紅外光源+光學組件+紅外傳感器等部分。

下面結合具體產品拆解來看3D攝像頭產業(yè)鏈，首先以Google tango平臺的聯(lián)想Phab 2 Pro手機為例。Tango是一個增強現(xiàn)實計算平臺，由Google開發(fā)和創(chuàng)作。它使用計算機視覺使移動設備（如智能手機和平板電腦）能夠檢測其相對于周圍世界的位置，而無需使用GPS或其他外部信號。

Tango平臺的聯(lián)想Phab 2 Pro手機背部結構，由上往下依次是主攝像頭、紅外傳感器、紅外發(fā)射器、閃光燈、運動追蹤攝像頭、指紋識別模組。

Phab 2 Pro的3D攝像頭模塊采用了infineon與PMD tec合作開發(fā)的REAL3?圖像傳感器芯片，這款芯片結合模擬和數(shù)字信號處理功能，并具備很高的數(shù)據(jù)速率。它在單一芯片上集成了像素陣列、控制電路、ADC和數(shù)字高速接口。

我們再以Intel開發(fā)的RealSense 3D攝像頭為例，這塊3D攝像頭產品是基于結構光技術，同樣是一種主動感知技術。

RealSense 3D攝像頭主要由一個紅外攝像頭、一個普通攝像頭、一個紅外激光發(fā)射器和一塊專用芯片（SR300 ASIC）組成：激光發(fā)射器發(fā)射紅外光經(jīng)由光柵照射至物體表面，攝像頭來檢測采集投射到物體表面上的圖樣，通過圖樣的位移變化，就能用算法計算出物體的位置和深度信息。

通過對已經(jīng)上市的主流3D攝像頭產品進行拆解分析，3D攝像頭產業(yè)鏈可以被分為：

1、上游：紅外傳感器、紅外光源、光學組件、光學鏡頭以及CMOS圖像傳感器；

2、中游：傳感器模組、攝像頭模組、光源代工、光源檢測以及圖像算法；

3、下游：終端廠商以及應用。

3D攝像頭產業(yè)鏈關鍵部件在于：1、紅外線傳感器；2、紅外線激光光源；3、光學組件。

（二）關鍵點之一——紅外線傳感器：距離傳感器之高配版暫無國內企業(yè)切入的可能

距離傳感器之高配版，雖然關鍵但并否純彈性器件。紅外傳感器目前主要分為AMS（奧地利微電子）/Heptagon和意法半導體兩大陣營，TI和infineon也在這一領域有所布局。AMS從iPhone 4起為蘋果供應環(huán)境光傳感器，旗下Heptagon一直致力于小型化TOF傳感器開發(fā)，2016年被AMS收購。意法半導體近年來開發(fā)數(shù)款集成紅外傳感器、紅外激光發(fā)射器的3D攝像頭模塊，其中基于TOF技術的VL6180X方案已經(jīng)被iPhone 7采用作為距離傳感器使用。Infineon則與TOF Fabless廠PMD合作開發(fā)出REAL3 3D圖象傳感器芯片，已經(jīng)用于tango第二代產品。目前國內在傳感器領域差距較為明顯，短期不會有相關公司能取得突破；從投資的角度，我們不做重點分析。

（三）關鍵點之二——IR VCSEL：從光通信到消費電子激光器迎來爆發(fā)

我們之前提到，激光器的應用將是未來大的方向與趨勢；而激光器的種類繁雜、且與之匹配的光處理元器件種類也較多。我們將在市場上率先獨家展開解析，力求尋找最可能標的、并為后續(xù)研究做好基礎。我們大膽預測，未來的激光器消費級應用打開之后，對于激光技術的升級與調整將會加速展開，就如觸摸屏推出來之后，GG/GFF/GF/OGS/In Cell/On Cell等等技術紛至沓來一樣。這里我們率先起個頭..

本節(jié)主要針對以下五個問題展開分析：

1）VCSEL是什么？

2）為什么要用VCSEL作為消費電子應用的光源？

3）VCSEL行業(yè)有哪些主流玩家？

4）海外映射的角度看，VCSEL如何從光通信領域擴展至消費電子領域？

5）VCSEL未來發(fā)展趨勢？消費電子的應用將為VCSEL進一步拓展創(chuàng)造條件

1、VCSEL是什么？

VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔表面發(fā)射激光器）是一種垂直于襯底面射出激光的半導體激光器?；窘Y構是一個“三明治”結構，由上下兩個DBR反射鏡和有源區(qū)這三部分組成。上下兩個DBR反射鏡與有源區(qū)構成諧振腔。有源區(qū)由幾個量子阱組成，作為VCSEL的核心部分，決定著器件的閾值增益、激射波長等重要參數(shù)。高反射率的DBR由多層介質薄膜組組成，實現(xiàn)對光的反饋。為得到較小的閾值電流，DBR反射鏡的反射率一般在99.5%以上。

VCSEL常用的原材料有砷化鎵、磷化銦或氮化鎵等發(fā)光化合物半導體。發(fā)光原理方面，VCSEL與其它半導體激光發(fā)光原理一樣，首先要實現(xiàn)是能量激發(fā)，通過外加能量激發(fā)半導體的電子由價帶躍遷到導帶，當電子由導帶返回價帶時，將能量以光能的型式釋放出來。然后依靠上下兩個DBR反射鏡和增益物質組成的諧振腔實現(xiàn)共振放大，諧振腔使激發(fā)出來的光在上下兩個DBR反射鏡之間反射，不停地通過發(fā)光區(qū)吸收光能，使受激光多次能量反饋而形成激光。

2、什么要使用VCSEL作為消費電子應用的光源？

原因在于VCSEL兼具低制造成本、優(yōu)異性能和易集成三大優(yōu)點！經(jīng)過在電信、數(shù)據(jù)通信等領域多年發(fā)展，目前VCSEL已經(jīng)具備耦合效率高、功耗低、傳輸速率快、制造成本低等優(yōu)良特點。與LED和FP激光器、DFB激光器相比，具有體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價格低廉、易集成為大面積陣列等優(yōu)點，廣泛應用于光通信、光互連、光存儲等領域。

為什么用VCSEL不用LED？主動感知的3D攝像頭技術通常使用紅外光來檢測目標，早期3D傳感系統(tǒng)一般都使用LED作為紅外光源。在技術方面，由于LED不具有諧振器，導致光束更加發(fā)散，在耦合性方面也不如VCSEL。由于VCSEL在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面占優(yōu)的情況下，現(xiàn)在常見的3D攝像頭系統(tǒng)一般都采用VCSEL作為紅外光源。

半導體激光器按照發(fā)射方向可以分為邊發(fā)射激光器和面發(fā)射激光器，其中邊發(fā)射激光器主要有法布里-珀羅激光器（FP laser）和分布反饋式激光器（DFB laser）兩種，面發(fā)射激光器目前主要指VCSEL。

結構上FP激光器一般由襯底層、波導層、有源層，及金屬導線層組成，普遍采用雙異質結多量子阱有源層；DFB激光器在FP的基礎上沿著共諧振腔外部加一層光柵，依靠光柵的選頻原理來實現(xiàn)縱模選擇，以提升激光的單色性；VCSEL的三明治結構則在之前已做介紹。

與傳統(tǒng)邊發(fā)射激光器相比，VCSEL在光束質量、與光纖耦合效率、腔面反射率上都具有較大優(yōu)勢，且因為VCSEL發(fā)射光線垂直于襯底而邊發(fā)射激光器發(fā)射光線平行于襯底，因此VCSEL能夠實現(xiàn)二維陣列而邊發(fā)射激光器不行。、

我們從成本優(yōu)勢、尺寸優(yōu)勢、波長熱穩(wěn)定性、功耗、通訊距離等方面對三種主流半導體激光器進行比較分析：

從最近上市的具有3D攝像頭的產品也能看到，紅外光源由LED向VCSEL轉變是必定趨勢！從2016年意法半導體及AMS旗下Heptagon發(fā)布的光學模塊新產品來看，均采用VCSEL作為紅外線光源，且消費級產品聯(lián)想Phab 2 Pro AR手機與Intel RealSense SR300也采用了VCSEL作為紅外光源。

3、VCSEL領域有哪些大玩家？

目前VCSEL領域主要廠商共有5家，分別是Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics和HLJ華立捷。我們可以看到，基本上都是來自于光通信芯片的龍頭企業(yè)；可以說正是有了光電子在通信領域的經(jīng)驗，消費級應用變得順理成章，兩者產品具備很強的技術延展性。重點關注光電子通信龍頭，切入消費電子應用的爆發(fā)潛力。

4、海外映射的角度看，VCSEL如何從光通信領域擴展至消費電子領域？

我們結合產業(yè)龍頭Finisar及Lumentum的產品線變化對VCSEL器件發(fā)展歷程進行分析。

1）海外映射之一：VCSEL大玩家之Lumentum

Lumentum是行業(yè)領先的光學產品供應商，前身是光通訊領域絕對龍頭JDSU（2015年JDSU進行拆分，獨立CCOP業(yè)務部門被命名為Lumentum，NE、SE和OSP業(yè)務部門改名為Viavi）。公司目前主要提供基于光學光電子技術的解決方案，應用領域包括數(shù)據(jù)通信、電信網(wǎng)絡、商用激光器以及消費電子領域的3D傳感。

由于近年來數(shù)據(jù)中心大量建立以及100G數(shù)據(jù)通信產品強勁需求，公司營收保持穩(wěn)定增長，2016財年實現(xiàn)營收9.03億美元。受益于高端光器件、光模塊以及商用激光器產品開發(fā)，公司毛利率呈上升趨勢，近3年毛利率維持在30%以上。

目前公司產品主要分為光通信用光器件及光模塊、工業(yè)激光二極管和3D Sensing三大領域。公司依托光器件及光模塊領域深厚優(yōu)勢，近年來開展“縱向+橫向”快速發(fā)展：

縱向上，公司向垂直一體化發(fā)展，實現(xiàn)了從晶圓設計與制造、光器件子部件、光模塊集成的垂直整合生產；

橫向上，公司在光通信領域之外積極擴展產品線及應用領域，憑借自身強大的垂直一體化生產能力向工業(yè)級應用如工業(yè)檢測、測量，商業(yè)級應用如醫(yī)療成像、消費電子3D感知技術進行拓展，目前實現(xiàn)各種類型光器件應用全面覆蓋。

在工業(yè)級應用激光產品線方面，公司主要產品有千瓦級激光器、超快激光器，Q開關激光器和低功率連續(xù)波激光器等。目前主流應用分為大型器件的機器加工和微小型器件的機器加工。大型器件的機器加工主要應用于汽車、航空航天等大型材料的加工，而微小型器件的機器加工主要應用于手機屏幕、醫(yī)療器械等小型材料的加工。

公司在消費級領域激光產品線主要包括VCSEL、邊緣發(fā)射激光二極管和光纖耦合激光二極管。其中VCSEL是公司在該領域絕對王牌產品，主要可以應用于智能終端的手勢識別、移動設備的眼球跟蹤、臉部識別等等。

目前公司主要面對電信，數(shù)據(jù)通信，工業(yè)用激光以及3D Sensing四大市場。收入占比最大的為電信市場，約占62%；其次為數(shù)據(jù)通信市場、占比約18%；工業(yè)用激光占比約19%；3D Sensing業(yè)務占比約1%。

受益于公司在電信和數(shù)據(jù)通信市場的持續(xù)優(yōu)勢，光通信業(yè)務在2017Q2財季銷售額環(huán)比增長8%，同比增長27%。其中，電信網(wǎng)絡業(yè)務收入1.60億美元、同比增長16.10%、環(huán)比下滑3.3%，數(shù)據(jù)中心業(yè)務表現(xiàn)強勁，收入6810萬美元、同比增長94.57%、環(huán)比增長54.1%。

盡管目前3D Sensing產品在公司總營收中占比較低，但從公司年報披露來看，2016~2017財年公司顯著增加的研發(fā)費用主要投向3D Sensing業(yè)務。結合目前產業(yè)鏈調研以及2014年歷史來看，2017~2018財年公司3D sensing業(yè)務有望開啟爆發(fā)式增長！

在這里我們進行一個簡單測算，2014年出貨約2000萬臺的Kinect二代產品采用了公司的3D sensing產品，當年為公司帶來接近5000萬美元營收。我們假設2017年大客戶采用3D攝像頭的高端機型能夠達到5000萬，一臺手機配備兩個VCSEL部件，公司供應VCSEL器件ASP為1.5美元且公司占據(jù)70%份額，則有望為公司帶來1.05億美元業(yè)績增厚！

2）海外映射之二：VCSEL大玩家之Finisar

Finisar是世界領先的VCSEL廠商，持續(xù)引領VCSEL的應用，近年來VCSEL出貨量均保持在1.5億件以上。目前公司VCSEL器件產品種類接近30種，且公司產品具有高度靈活性和可擴展性，允許客戶自定義VCSEL陣列來滿足各種應用要求。

Finisar的產品最初主要用于電信（telecom）、數(shù)據(jù)通信（datacom）等光通信領域，主要應用于無線電收發(fā)機TxRx、有源光纜AOC和嵌入式光模塊。

2010年起在“外因”+“內因”雙重作用下，公司逐漸開始布局消費電子領域應用?！巴庖颉卑?D攝像頭技術的逐漸涌現(xiàn)和VCSEL的小型化、低成本化，“內因”則是公司在市場競爭越發(fā)激烈情況下通過持續(xù)研發(fā)不斷推出差異化產品來面對同質化競爭，獲得定價方面的話語權。

5、VCSEL發(fā)展趨勢：高速度、高效率、低功耗、低成本，消費電子的應用將為進一步拓展創(chuàng)造條件

VCSEL器件由問世，到運用于光通信領域，再到延伸至消費電子領域，本質上是其性能、工藝和材料的一部發(fā)展史，從技術看產業(yè)，我們結合VCSEL領域內主要玩家產品線變化和VCSEL發(fā)展歷程探析。

1、1990-1996：該階段VCSEL剛剛問世，主要是采用液相外延技術（LPE）實現(xiàn)In-GaAs/InP材料。這時它在各方面性能并不具有優(yōu)越性，發(fā)射方式為脈沖激射，中心波長為1.18um，閾值電流為900mA（遠大與成熟技術）；

2、1996-1999：該階段主要是650~850nm短波段的大范圍應用發(fā)展。業(yè)界主要采用減少諧振腔長度的方法來降低閾值電流，并通過開發(fā)AlAs氧化技術來提升DBR反射鏡的反射率，具有高反射率、高熱傳導率和良好的導電特性的AlAs/GaAs在這一階段被應用于VCSEL，實現(xiàn)在850nm下超過80%的反射率，同時閾值電流降低至mA級別。1997年起VCSEL在單通道短距離光學互連市場占據(jù)了絕對的主導地位，此外也在650~670nm波段被應用于基于塑料光纖的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（因為塑料光纖在650nm處有最小吸收）；

3、2000-2005：這一階段主要是1300nm1500nm長波段的應用發(fā)展，主要解決波長變長帶來的散熱、電流限制、反射鏡制作等問題。首先氧化物限制工藝被引入，這一技術能夠極大地提升光電轉換效率（50%以上）和光束穩(wěn)定度，使其能夠穩(wěn)定地耦合進單模和多模光纖，同時氧化物限制方案能夠繼續(xù)降低閾值電流至幾百μA，為解決此后VCSEL陣列嚴重過熱問題打下基礎。同時直接鍵合工藝在長波段VCSEL制作中得到廣泛應用，因為長波長材料GaInAsP/InP與DBR兩種材料折射率相差小，反射性能差，因此直接鍵合GaAs基DBR與InP有源區(qū)來制作長波段VCSEL成為熱點，長波段VCSEL是大容量光通信系統(tǒng)和光互連的關鍵器件；

4、2005-2016：這一階段VCSEL器件開始逐漸由光通信領域延伸至工業(yè)級應用及消費電子領域，發(fā)展趨勢為陣列化和小型化。這一階段核心工藝主要為基于MEMS技術的可調諧VCSEL技術、VCSEL陣列技術以及電流限制技術。陣列技術使得VCSEL器件向高功率、高速率發(fā)展，得以用于加熱、探測等工業(yè)級應用領域。電流限制技術（離子注入、掩埋隧道結等）將電流限制在較小區(qū)域內，是VCSEL微型化的關鍵工藝。此外金屬鍵合技術的引入改善了VCSEL的散熱問題，使得它能夠更好地應用于體感設備、智能手機等消費電子領域。

應用領域方面，VCSEL主要由光通信領域應用向商業(yè)級應用如工業(yè)加熱、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療以及消費電子應用如3D sensing發(fā)展。850nm波段VCSEL商用化程度最為成熟，是短距離光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要器件；此后開發(fā)出的長波段產品主要用于長距離光纖通信、光并行處理以及光識別系統(tǒng)；此后隨著工藝、材料技術改進，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散熱等領域的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)，逐漸應用于工業(yè)加熱、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療設備等商業(yè)級應用以及3D感知等消費級應用。

隨著技術發(fā)展VCSEL在集成方面的優(yōu)勢也開始顯現(xiàn)：1）占用面積小.一個器件大小為幾到幾十μm，與條形激光器的300μm相比更??；2）從周圍的各個方向都可以存取，而條形激光器只限于兩側，且其大小受諧振腔的長度限制；3）能夠實現(xiàn)表面封裝（與邊緣發(fā)射器的TO-can封裝相比大大減少厚度）；4）可構成二維陣列。集成方面的優(yōu)勢使得VCSEL器件既可以通過模塊化組裝成為高功率陣列作為加熱激光光源使用，又能夠憑借小型化優(yōu)勢應用于各類消費電子產品。

制造工藝來看，一個完整的VCSEL從材料到器件要經(jīng)過材料生長、外延結構表征、器件制作、性能測試等工藝，主要流程為：：材料外延生長à外延結構的表征（X射線衍射、反射譜、光致熒光譜、電化學C-V特性等）à器件工藝（包括外延片清洗、晶片鍵合、刻蝕、金屬膜濺射、光學鍍膜等）à后段工藝（包括引線鍵合、劃片、封裝、光纖耦合等）à器件性能測試（包括I-V特性、I-P特性、發(fā)射光譜、頻響特性等）。由于VCSEL的主要工藝外延生長（通常采用MOCVDMOVPE）與LED制作工藝相容，加上可以在器件工藝或封裝完成前通過芯片檢測進行產品篩選，提高了成品率，因而近年來成本迅速降低。

綜上我們認為，VCSEL器件經(jīng)過在光通信應用領域多年發(fā)展而得的“小型化+低成本+低功耗+高質量”使得其成為消費電子領域激光光源的首選方案！

6、激光大時代即將來臨：iPhone引領之規(guī)?；慨a后激光應用開啟潘多拉魔盒

進一步判斷認為，隨著蘋果新機型的創(chuàng)新應用量產之后，將帶動消費級市場的全面啟動：1）一方面，以華為、OPPO、VIVO、三星等為首的高端機型第二梯隊將快速響應與普及。2）另一方面，激光器量產供應鏈形成之后將帶動產品價格的全面平民化，AR眼鏡、智能駕駛雷達等一系列顛覆式應用將徹底從概念化小眾市場得到快速普及。

AR最核心技術在于光學，尤其是激光技術！無論是手勢識別、三維重構還是成像，光學技術都是決定性基礎。我們從目前幾款主流產品拆解及技術原理進行分析。

HoloLens相比以往任何設備的強大之處，在于其能夠實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的深度感知并進行三維建模。HoloLens擁有擁有一組四個環(huán)境感知攝像頭和一個深度攝像頭，環(huán)境攝像頭獲得周圍圖像RBG信息，深度攝像頭則利用TOF技術獲得視覺空間深度圖（Depth Map）并以此重建三維場景、實現(xiàn)手勢識別。

除了3D攝像模塊，就是最關鍵的光學成像模塊。目前來看，HoloLens配備兩塊光導透明全息透鏡，虛擬內容采用LCoS（硅基液晶）投影技術，從前方微型投影儀投射至光導透鏡后進入人眼。

LCOS（液晶覆硅技術）是小型化AR頭顯的關鍵技術之一。三片式的LCOS成像系統(tǒng)，首先將投影光源發(fā)出的白色光線，通過分光系統(tǒng)系統(tǒng)分成紅綠藍三原色的光線，然后，每一個原色光線照射到一塊反射式的LCOS芯片上，系統(tǒng)通過控制LCOS面板上液晶分子的狀態(tài)來改變該塊芯片每個像素點反射光線的強弱，最后經(jīng)過LCOS反射的光線通過必要的光學折射匯聚成一束光線，經(jīng)過投影機鏡頭照射到屏幕上，形成彩色的圖像。在Hololens中，靠近鼻梁處的兩處發(fā)光點就是LCoS微型投影儀所在處。目前在投影光源上主要有LED和激光兩種方案，由于激光在光束質量、亮度、功耗和使用壽命上無可比擬的優(yōu)越性，我們認為其將是未來的發(fā)展方向。

另一款主流AR產品Meta同樣采用了基于TOF的3D攝像頭技術以及利用基于半反半透鏡的投影技術進行成像。

Meta的3D攝像頭模塊由一對高清攝像頭和一個紅外探測器組成，利用TOF技術獲取圖像深度信息，能夠實現(xiàn)勢識別、QR碼（二維碼的一種）跟蹤、特征跟蹤、慣性測量單元等核心功能。

Meta的成像方式則是基于半反半透鏡的投影技術，造型極其緊湊的投影儀藏在鏡框內，左右各有一個。由LED光源將半透式LCD上的影像投射到半反半透膜上，然后發(fā)射進人眼進行成像，從而提供立體視覺。

以色列Lumus的AR眼鏡也采用了微型投影技術，成像關鍵部件由微型投影儀、光導元件（LOE）和反射波導組成。植入眼鏡的微型投影儀（例如激光投影）將圖像畫面進行投放，通過光導元件、反射波導形成全反射。

我們認為，微投成像和3D攝像是未來AR產業(yè)兩大核心技術，以VCSEL為代表的半導體激光器件將成為AR光學技術的最基礎部件，引領消費電子光學時代到來！

隨著投影顯示技術的發(fā)展，對投影系統(tǒng)的亮度、解析度、色彩豐富性的要求將會越來越高，光源作為投影系統(tǒng)的重要部件，其發(fā)光特性將直接決定投影系統(tǒng)質量。激光光束色度、照度高度均勻，具有亮度高、單色性好、波長固定等傳統(tǒng)光源無可比擬的優(yōu)勢，未來取代LED成為微型投影模塊、投影儀、投影電視等設備光源將是大概率事件。

目前，激光顯示技術主要有三基色純激光、熒光粉+藍光、LED+激光混合光源三種技術，對比來看，三基色純激光優(yōu)勢較為明顯。

三基色激光被業(yè)界視為最正統(tǒng)的激光光源，其具有色域廣、光效高、壽命長、功耗低、一致性好、色溫亮度可調、穩(wěn)定、安全可靠免維護、應用靈活等優(yōu)點。三基色光源由單色光，紅、綠、藍三色光分別調制，彩色效果非常理想。

技術進展來看，紅光激光二極管技術（包括VCSEL紅光陣列）發(fā)展已經(jīng)十分成熟，藍光激光二極管價格尚高，綠光激光二極管則還有待發(fā)展。從已披露專利來看，目前已有“紅光VCSEL陣列+藍光VCSEL陣列+綠色全固體激光器”的解決方案，VCSEL單元用于發(fā)出圓化激光光束，經(jīng)過微透鏡陣列準直化后作為R、B光輸出。此外，采用VCSEL面陣可以減少VCSEL激光器之間的干涉性，弱化激光散斑，從而提高投影顯示質量。

熒光粉激光即目前較為常見的單色激光+DLP技術和單色激光+3LCD技術，單色激光+DLP技術使用可以激發(fā)RGB不同顏色光的熒光粉色輪來實現(xiàn)，單色激光+3LCD技術則是通過單色激光照射熒光粉激發(fā)了高亮度白色熒光作為投影光源。這種通過激光激發(fā)熒光粉的技術從本質上來講應該不是直接使用激光進行混合，而是使用熒光，這樣的好處是消除了激光帶來的安全隱患，但是亮度自然就無法達到更加理想的狀態(tài)，一般最多可以達到5000流明。

采用VCSEL或其他激光二極管+LED的混合光源方案是綜合利用LED和激光兩種光源的長處而形成的一種新興光源。這一方案試圖規(guī)避LED亮度低和激光偏色嚴重這兩個最大的弊端來開拓一條脫離傳統(tǒng)光源的新路，目前還處于起步階段，不過已有公司開始面向商用市場推出混合光源的產品。

上圖的混合光源結構是來自藍色激光、紅色LED發(fā)光體（或包括藍色LED），部分藍色激光發(fā)射到磷光體上產生出綠色光線，從而構成RGB三原色光線?；旌瞎庠赐队皺C目前也是采用DLP投影技術，三原色光線照射到DMD芯片，經(jīng)過芯片的調制形成圖像并投射出去。混合光源的優(yōu)勢，是生產成本相對較低，在亮度上也相較LED光源有明顯優(yōu)勢。

此外，高功率VCSEL陣列有望加速激光雷達商用推進。日本汽車電子廠家日本電裝近期公布了對Trilumina公司的戰(zhàn)略投資，Trilumina公司主要進行針對雷達設備的高功率VCSEL陣列開發(fā)，而這些雷達設備主要面向輔助駕駛和無人駕駛應用。在CES2017上，Trilumina公司展示了自己基于VCSEL陣列的256像素3D激光雷達解決方案，如若進展順利，公司開發(fā)的光源模塊可取代目前應用于自動駕駛汽車示范項目的大尺寸、高成本掃描激光雷達，將高清和遠距離傳感器功能整合進小尺寸、穩(wěn)定且具成本效益的包裝中，進而實現(xiàn)半自動和自動駕駛汽車的成功商業(yè)部署。

消費級、工業(yè)級應用市場拓展將帶來VCSEL市場跨越式增長。根據(jù)研究機構Markets and Markets的預測數(shù)據(jù)，VCSEL的市場空間將在2014年6.1億美元的基礎上以22%的符合年增長率快速增長，預計2020年將達到約21億美元。我們認為，隨著大客戶導入基于VCSEL光源的3D攝像頭方案，其他廠商高端智能機以及AR產品將迅速跟進，加上VCSEL陣列技術在激光雷達領域逐漸滲透，未來市場空間將遠不止于此！

（四）關鍵點之三——VCSEL激光器光學組件

任何一種工作光源在滿足工作需要的之前，都要進行性能調節(jié)，以達到需要的工作性能；激光也不例外。只是由于激光的光斑小、光束密集、能量高、速度快等特點，相應的激光器光學處理組件要求會更為嚴格。加上激光器一直處于工業(yè)應用中，本身的市場空間一直沒打開，激光器光學處理組件市場顯得更為小而雜且專業(yè)。目前市場對于該領域的研究尚處于起步階段，但我們認為隨著激光器消費級市場的打開，未來該領域存在大幅爆發(fā)的機會；需要深入的剖析，尋找一批“懂激光”的激光器光學組件核心供應商。

1、iPhone8 VCSEL激光器光學組件推測版

通過產業(yè)鏈調研，我們目前能驗證到iPhone8十周年用VCSEL激光器光學組件包括微型準直透鏡、DOE（衍射光柵）等，（不排除還有其他光學組件沒有驗證到）。

微型準直透鏡：是用來對發(fā)散的激光光源進行準直處理，達到平行、均勻光斑的作用；

DOE（衍射光柵）：是用來將平行發(fā)射的一束或多束光源，通過衍射光柵之后，均勻打出呈倍數(shù)的激光束，用以增加測量的精度與信息量，完成全面場景的錄入。

濾光片（在接收端鏡頭上）：目前VCSEL發(fā)出去的是紅外波長的光束，反射回來之后，通過傳感器計算出距離。但外部環(huán)境對于光束會有影響，反射回來作為測量用的光束不是單純的發(fā)射波段，因此需要濾光片過濾掉非工作波段的光波。

涉及到相關產品線的A股公司包括，VCSEL-光迅科技：2015年宣布自主研發(fā)的VCSEL陣列芯片將投入商用；微型準直透鏡-福晶科技：為JDSU（Lumentum）、Finisar等光通信企業(yè)供給通信級準直鏡頭；DOE-福晶科技：為微軟HoloLens聯(lián)合研發(fā)相關光學組件；濾光片-水晶科技：為Kinect供應濾光片。

以下分別就三類比較重要的激光光學元件做分析，并對激光光學元件做全面梳理。

2、三種重要激光器光學元件分析之一：DOE

衍射光學元件（DOE，Diffractive Optical Elements）預計將是未來激光光束整形的最核心元件。它是利用計算機輔助設計，并通過半導體芯片制造工藝，在基片上(或傳統(tǒng)光學器件表面)刻蝕產生臺階型或連續(xù)浮雕結構，形成同軸再現(xiàn)、且具有極高衍射效率的一類光學元件。DOE主要特性包括輕薄體積小、衍射效率高、設計自由度高、熱穩(wěn)定性良好、整形光路結構簡單等優(yōu)良特性，目前已經(jīng)成為諸多光學儀器的重要元件。

DOE的基本原理是利用衍射原理在元件表面制備一定深度的臺階，光束通過時產生不同的光程差。通過不同表明設計來控制光束的發(fā)散角和形成光斑的形貌，實現(xiàn)光束均勻化、準直、聚焦或形成特定圖案等功能。

目前DOE已經(jīng)被應用于消費電子、醫(yī)療、激光加工等領域：

大客戶新產品有望采用類似Kinect的結構光方案：VCSEL激光器發(fā)射出的光束通過準直鏡準直后，通過DOE器件得到25*25的激光散斑，然后再利用光柵進行“衍射復制”后得到更大的散斑圖案，從而擴大投射角度。之后紅外傳感器捕捉散斑信息，通過位移量算法計算出環(huán)境物體的深度信息。

我們結合HoloLens采用的顯示方案來對衍射光學器件（DOE）的應用進行說明。如下圖所示，為實現(xiàn)混合現(xiàn)實效果，讓自然光與投影圖像同時進入人眼，微軟在HoloLens單鏡片上應用了三塊表面刻蝕光柵（SGR,是DOE的一種），分別是下左圖綠點與紅點所圈出的三塊區(qū)域，對應下右圖中所標示的52、54、56三部分。

圖像首先通過LCoS微型投影儀進入綠點所圈的52號區(qū)域，也就是入耦合光柵（in-coupling SGR）。如下左圖所示，在給定介質中，光線在特定角度下會實現(xiàn)全內反射。入耦合光柵的主要作用就是通過DOE的微觀結構來通過衍射來使光線以特定角度入射，以實現(xiàn)光線在鏡片內的全內反射。

光線通過54號折疊光柵（fold SGR）所處的位置，折疊光柵會將圖像折疊（偏轉）90度，到達下方56號出口光柵處（exit SGR），出口光柵通過衍射來成像并以特定角度輸出光線，使光線進入人眼的角度與虛擬物體所在位置重合，以達到增強現(xiàn)實（AR）的效果。

DOE集體積小、衍射效率高、能夠自由設計光學功能等優(yōu)良特點于一身，未來將在激光投影、全息技術等領域大顯身手。我們認為，隨著準分子激光加工工藝、復制工藝的發(fā)展，DOE的制造成本將大幅降低并且能夠實現(xiàn)規(guī)模化生產，有望成為促進光學系統(tǒng)實現(xiàn)微型化、陣列化和集成化的關鍵技術！福晶科技已與微軟聯(lián)合研發(fā)HoloLens，預計其中就包括DOE等相關光學組件，微軟Kincet是體感游戲機的鼻祖，亦是AR眼鏡領域最受期待的廠商。

3、三種重要激光器光學元件分析之二：準直鏡頭

在3D攝像技術以及激光投影等消費電子應用領域，對激光器發(fā)出的光束進行整形更加具有必要性。在激光投影技

術中光束需要通過勻光、整形單元以滿足LCD、LCoS、DMD的均勻照明需求；在基于結構光技術的3D攝像中也需要將光束進行勻光、分束均勻地分布投射至周圍環(huán)境中，形成多個散斑來進行捕捉、分析。同時若不進行勻束地話光束中心能量過大還可能對人眼造成傷害。采用微準直透鏡對VCSEL出射光束進行準直、形成散斑等整形處理。

準直器屬于激光器件中用于輸入輸出的一個光學元件，其結構簡單一般為透鏡系統(tǒng)，作用是使發(fā)散光通過前置的準直系統(tǒng)變成平行光（高斯光束，越靠中心能量越高）。

在光通信及工業(yè)級激光加工領域，均需要通過準直器件將激光光束轉變?yōu)槠叫泄馐?，從而保證在高功率光束下的穩(wěn)定光束質量或者使光最大效率的耦合進入所需的光通信器件。與光通信領域及激光加工領域不同，消費電子領域通常采用多片結構組成微型準直透鏡，我們將在后文對制造微型準直透鏡的WLO（晶圓級光學制程工藝）進行介紹。福晶科技已為JDSU（Lumentum）、Finisar等光通信企業(yè)供給通信級準直鏡頭。

4、三種重要激光器光學元件分析之三：濾光片

近紅外識別系統(tǒng)中所用到的窄帶濾光片及超薄高性能鍍膜也是基于結構光及TOF的3D攝像頭技術關鍵。3D攝像頭在接收反射光時要求只有特定波長的光線能夠穿過鏡頭，攔截頻率帶之外的光線，即隔離干擾光、通過信號光凸顯有用信息。

目前窄帶紅外濾光片領域主流廠商包括由JDSU分拆出的VIAVI，我國的水晶光電等等。Kinect一代體感設備所用的窄帶濾光片即為水晶光電所供應，窄帶濾光片置于CMOS之前，僅有近紅外線能夠通過并給CMOS感光，以獲取景深數(shù)據(jù)。

窄帶濾光片的選取需要考慮多個光學指標，包括帶寬、中心波長、截止波長、截止深度、峰值透過率、產品厚度等等。

5、一種重要的光學鏡頭封裝方式：WLO將大幅降低生產成本，提升效率和良率

工藝方面，晶圓級別光學制程（WLO）有望被大范圍運用至光學傳感器及微型光學器件（鏡頭、DOE等）生產。近年來高精度的紫外壓印光刻技術和紫外貼合技術為晶圓級別制程提供了技術基礎，晶圓級別制程的運用為大幅降低微型光學透鏡提供了可能，從而開始逐漸替代傳統(tǒng)的筒形攝像頭模組技術。

WLO首先利用紫外壓印光刻技術（UV imprint）在晶圓級別生產微型透鏡，之后利用紫外貼合技術（UV bonding）將各層透鏡進行堆疊。如果是生產光學傳感器的話，最后還要在晶圓級別上將透鏡部分和傳感器進行集成和模組。

因此當我們在談論晶圓級別光學制程時，實際上包括：透鏡制造、傳感器制造、傳感器封裝、透鏡堆疊、集成以及模組至少六項晶圓級別工藝。

基于紫外線的壓印、固化以及貼合技術是WLO關鍵技術，從光學元件制造過程來看：首先將涂覆液體聚合物的襯底和透明壓模（一般采用石英玻璃或PDMS）裝載進對準機，完成光學對準后開始接觸，透過壓模的紫外曝光促使壓印區(qū)域的聚合物發(fā)生聚合和固化成型。固化后再進行退模、刻蝕等工藝就可以得到微型光學元件，繼續(xù)進行后續(xù)的堆疊、集成等工藝。

與傳統(tǒng)光學制造工藝相比，晶圓級別光學制程主要具有以下優(yōu)點：

1、大幅降低成本（不過設備價格十分高昂）；

2、基于紫外壓印光刻和紫外貼合技術，能夠實現(xiàn)高精度光學元件制造和堆疊；

3、完美切合微型化光學元件和光電器件；

目前WLO領域Know-How主要掌握在四大廠商Heptagon、Aptina、Himax、Visera以及設備廠EV Group手中，其中我們預計Heptagon和Himax有望為大客戶新產品光學傳感器及微型光學元件提供WLO工藝。中國大陸掌握晶圓級封裝技術的廠商有晶方科技與華天科技。

6、激光器光學組件是激光發(fā)射處理的必須且重要環(huán)節(jié)

以上是針對目前了解到的IR VCSEL激光發(fā)射器的光學組件梳理，但必須強調的一點是，目前尚不排除仍然有其他光學組件集成于激光器組件中的可能性。因此，我們有必要對激光器光學組件做整體梳理。

光源之外，用于進行光束整形（包括勻束、分束、耦合等）的精密光學元件正在成為消費電子光學重要一環(huán)！激光由激光器發(fā)射后通常需要多種光學元件來對光束實現(xiàn)準直、勻束、分束等整形處理，有的時候還要根據(jù)特定情況采用Q開關、調諧部件等器件來產生光脈沖或是改變激光波長。我們在下圖將目前主要的光束處理光學元件列出，其中DOE和微透鏡陣列技術以及準直器在最近幾年發(fā)展迅速，經(jīng)常配合半導體激光器進行勻束、分束等整形過程。

我們以激光加工為例說明對光束整形的必要性：未經(jīng)處理的光束被概稱為高斯光束，通常表現(xiàn)為中心處光強最強，向邊緣方向光強逐漸減弱，呈高斯型分布。如果不進行處理直接利用高斯光束進行加工會有以下缺點：1、在進行微加工時，高斯光束的大部分能量不能被有效利用；2、高斯光束加工時為了保證均勻性，光斑間要重疊，因此會降低加工效率。因此我們需要利用光學元件來對高斯光束進行整形，將其轉換為平頂光束使能量分布均勻，從而大幅提高加工質量，減小熱影響區(qū)域，提高加工效率。

在3D攝像技術以及激光投影等消費電子應用領域，對激光器發(fā)出的光束進行整形更加具有必要性。在激光投影技術中光束需要通過勻光、整形單元以滿足LCD、LCoS、DMD的均勻照明需求；在基于結構光技術的3D攝像中也需要將光束進行勻光、分束均勻地分布投射至周圍環(huán)境中，形成多個散斑來進行捕捉、分析。同時若不進行勻束地話光束中心能量過大還可能對人眼造成傷害。

再以泵浦為例，很多次激光器并非一次激光發(fā)射器，需要二次或多次激發(fā)；與激光的能耗要求、波形特點等等相關，在使用光泵浦的情況下，需要加入激光晶體作為工作物質，實現(xiàn)功率的提升等要求的改善。

再以波長調控為例，激光器發(fā)出的波長在一定的范圍內，但要實現(xiàn)特點工作要求的光波就必須使用相關的非線性晶體；進一步，如果要發(fā)射脈沖波長的激光，將非線性晶體做成調Q開關實現(xiàn)脈沖控制。

由于種類繁多，結構也比較復雜，我們將再以后針對激光器的變革做單獨分析，可以明確的是，隨著激光器在消費級以及汽車等領域的爆發(fā)，激光器光學組件的用量與產品種類均將快速發(fā)展。目前，國內在激光器光學組件做的最好的公司之一是福晶科技，并在激光器晶體與非線性晶體領域穩(wěn)居全球龍頭。

四、幾個對于VCSEL模組的思考

（一）Eye-Safe是激光消費應用必須考慮的問題

1、為什么VCSEL要從850nm做成940nm？

從850nm（1代）與940nm（2代）VCSEL性能對比，我們發(fā)現(xiàn)，940nm在各方面都具備了壓倒性優(yōu)勢。為什么會產生如此大的改變，從而為消費級應用鋪平道路呢？我們認為最核心的原因在于芯片激光波長的選擇。

右下角是太陽輻射頻譜圖，我們發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)工業(yè)與通信領域使用成熟的850nm波長并不利于在自然界傳播，而在850nm附近的940nm波段中，存在環(huán)境含量最低的一個波谷。因此，由激光器所發(fā)射的940nm的波段在環(huán)境中數(shù)量很少，繼而發(fā)出的光受到的干擾很小，第2代比第1代的有效距離將會長很多，測量精度也會有較高提升。

2、940nm VCESL是否考慮了Eye-Safe？

940nm VCESL是否考慮了Eye-Safe？答案肯定是有的，如下圖940nm除了在自然界受影響最小的波段的特點以外，也是相鄰波長中對于眼鏡傷害最小的波段。

但我們通過原理分析發(fā)現(xiàn)，940nm并不是絕對安全的波段，且人眼結構將導致此種影響指數(shù)級擴大。激光對于人眼的傷害一般來說對比皮膚表面的傷害要更加顯著，一平行入射光進人人眼之后，將聚焦于視網(wǎng)膜上的一小區(qū)域，由于通過水晶體的聚焦，將使光強度在單位面積上提升至10萬倍，即對于波長400nm-499nm的激光，若入射至4眼睛的強度為1m w／cm2，則視網(wǎng)膜卻接收到約100w／cm2的強度。同一介質對于不同波段光源的吸收率并不相同，所造成的的傷害也不一樣，對于眼球照射的曝光量大于某個臨界值，不論哪個波段的光源，都將對眼球造成傷害。輻射波長在400nm以上到700nm的可見光波，會穿透眼睛的視網(wǎng)膜、水晶體和玻璃體，主要對眼睛的視網(wǎng)膜造成傷害；近紅外波段（780~1400nm）也會造成白內障、視網(wǎng)膜損傷；但輻射波長在400nm以下以及1400nm以上的激光，幾乎都被晶體吸收了，所以不會造成眼球內部的傷害。

注：1線表示不同波長由眼鏡穿透到視網(wǎng)膜的百分比；2表示波長在視網(wǎng)膜輻射吸收的百分比

如何解決激光人眼安全安全問題一定是后續(xù)我們關注的重點。目前獲得人眼安全激光的技術主要有Raman-shift laser技術、Er-doped glass laser技術和Optical Parametric Oscillators(OPO)技術。其中Raman-shift laser需要借助高壓氣體(CH4甲烷)才能實現(xiàn)，激光器系統(tǒng)結構非常復雜，可靠性差；Er-doped glass laser能夠直接實現(xiàn)人眼安全激光輸出，但Ev-doped glass是三能級激光系統(tǒng)，振蕩閾值高，抗激光損傷能力差，重復頻率和激光能量較低。而OPO技術是目前最廣泛使用的獲取該波段的技術手段，只需在激光諧振腔中插入一塊非線性晶體，其結構緊湊、體積小、重量輕、可靠性高，非常適合應用于小型化的固體激光器。

與其它方法相比，OPO技術更具有以下優(yōu)勢：

l全固態(tài)激光器泵浦技術成熟、效率高，OPO信號光波長可做到精確調節(jié)；

l容易獲得高光束質量的激光輸出，可滿足激光光電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率和作用距離日益增長的需求；

l有廣泛可用的非線性晶體材料；

l閾值功率密度比Raman-shift laser低，熱效應比Er-doped glass laser弱；

lOPO技術亦可以獲得1064nm／1570nm雙波長的激光，對特殊場合應用有重大意義。

目前，福晶科技全資子公司青島海泰光電已掌握Eye-Safe OPO技術，同時他是國內最大的該類非線性晶體KTP供應商。

（二）VCSEL會否在結構上優(yōu)化，達到更低功耗、更高效率的要求

1、一種明確的優(yōu)化——單模光子晶體

單模光子晶體VCSEL技術發(fā)展是VCSEL器件由光通信領域向3D sensing應用演進的一大驅動力。普通VCSEL具有多橫模激射以及偏振方向不穩(wěn)定等缺點，因此要想使VCSEL能夠在傳感器領域使用，就需要改善VCSEL的橫向模式、實現(xiàn)激光器基橫模工作。

光子晶體VCSEL是指在其上DBR中引入了二維光子晶體組成的周期性空氣孔結構的VCSEL。這一結構能夠有效的控制垂直腔面發(fā)射激光器的模式，使器件工作在基橫模狀態(tài)，從而獲得更小的遠場發(fā)散角、更均勻的光強分布、更窄的光譜線寬。

2、會否有其他優(yōu)化？

我們覺得優(yōu)化的趨勢將一直存在，將會集中表現(xiàn)在效率提升、成本下降等方面。

我們做個思考，在上面的討論中提到VCSEL激光器是一種非常好的二次泵浦光源，意味著我們只需要加入一定的工作物質/晶體就能形成一個二次光泵浦結構，實現(xiàn)效率的快速提升；其中Nd：YOV4是性能最為優(yōu)異的激光晶體（激光工作物質）。它的直接好處就是在同樣性能的情況下，實現(xiàn)功率的下降-即省電。

此種推測我們尚不能得到確認，是一種可能性的升級思考。但我們通過產業(yè)鏈調研了解到，福晶科技（全球最大的Nd：YOV4激光晶體供應商）為主要的VCESL龍頭公司有提供相應的晶體材料。