對3D攝像頭和vcesl產(chǎn)業(yè)做一個超詳細(xì)的專業(yè)科普

蘋果發(fā)布了帶Face ID的iPhone X之后，關(guān)于3D感測的討論就多了起來，在這里，我們?yōu)榇蠹覍@個產(chǎn)業(yè)做一個超詳細(xì)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(yīng)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(lǐng)域。站在當(dāng)前時點，我們認(rèn)為2D向3D攝像頭的轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)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(nèi)導(dǎo)航與定位等“痛點型”應(yīng)用場景提供了基礎(chǔ)的技術(shù)支持，因而具有廣泛的消費級和工業(yè)級應(yīng)用需求。從應(yīng)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(lǐng)域的動作捕捉識別、人臉識別，自動駕駛領(lǐng)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(lǐng)域的監(jiān)控、人數(shù)統(tǒng)計等等。

我們認(rèn)為隨著今年大客戶導(dǎo)入3D攝像頭技術(shù)，人臉識別和手勢識別應(yīng)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(gòu)Zion Research預(yù)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(dá)35%！而從當(dāng)前產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研來看，單價預(yù)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(lǐng)域應(yīng)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(yīng)用場景層出不窮，將迎來手機標(biāo)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(diào)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(chǎn)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(yù)計是臉部識別。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院統(tǒng)計，2007年至2013年六年期間，生物識別技術(shù)的全球市場規(guī)模年均增速為21.7%。自2015年到2020年，各細(xì)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(shù)中人臉識別在增幅上居于首位，預(yù)計到2020年人臉識別技術(shù)市場規(guī)模將上升至24億美元。我們預(yù)計在智能終端滲透臉部識別的情況下，市場規(guī)?？赡艽蟪A(yù)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(shù)更為合理并擁有更高精度。

以TOF和結(jié)構(gòu)光為代表的3D攝像頭技術(shù)與人臉識別技術(shù)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(shù)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(cè)光時出現(xiàn)的“陰陽臉”現(xiàn)象，就可能無法正確識別。

TOF或結(jié)構(gòu)光3D攝像頭技術(shù)進(jìn)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(shù)基礎(chǔ)上大幅提升識別準(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)備，隨著圖形界面GUI的出現(xiàn)，形成“鍵盤+鼠標(biāo)”的組合，然而精準(zhǔn)點擊鼠標(biāo)和敲擊鍵盤仍然需要較高的學(xué)習(xí)成本。其后，設(shè)備終端的越做越小進(jìn)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(zhì)，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(jìn)行識別處理將成為下一個交互痛點！

手勢識別的關(guān)鍵便在于3D攝像頭（或稱3D感知）技術(shù)，3D攝像頭利用TOF或結(jié)構(gòu)光技術(shù)獲取影像深度信息，通過算法處理對用戶手勢進(jìn)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(yù)計近距離傳感器的市場規(guī)模在2020年將達(dá)到37億美元，2015年至2020年的復(fù)合增長率為5.3%。

3、場景3-三維重構(gòu)基礎(chǔ)技術(shù)，AR/VR領(lǐng)域?qū)⒋蠓女惒?/p>

AR/VR設(shè)備為什么要采用3D攝像頭技術(shù)？——1、獲得周圍環(huán)境圖像的RBG數(shù)據(jù)與深度數(shù)據(jù)，進(jìn)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(jié)構(gòu)光這兩種主動感知技術(shù)，設(shè)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(shù)為例，紅外發(fā)射器發(fā)射紅外線，至目標(biāo)物體反射后由紅外傳感器進(jìn)行接收，利用發(fā)射信號和接收信號之間的相位差進(jìn)行運算和轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)行說明。利用基于TOF/結(jié)構(gòu)光技術(shù)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(biāo)注距離鏡頭遠(yuǎn)近不同。點云數(shù)據(jù)結(jié)合環(huán)境圖像的RBG信息便可以進(jìn)行如右圖的場景還原，此后可以在此基礎(chǔ)上衍生出多重應(yīng)用如測距、虛擬購物、裝修等等，比如進(jìn)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(shù)提供的手勢識別功能將成為未來AR/VR領(lǐng)域的核心交互手段。目前各大廠商推出的VR設(shè)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(yīng)用方面，手柄就完全不能勝任人機交互的任務(wù)了。在AR應(yīng)用領(lǐng)域有豐富的人機互動內(nèi)容，而這種互動是非常復(fù)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(jìn)行環(huán)境的三維重構(gòu)。

除Hololens外，目前已經(jīng)發(fā)布的AR產(chǎn)品如Meta2、HiAR Glasses以及Epson Moverio也已經(jīng)采用3D感知技術(shù)進(jìn)行手勢識別、動作捕捉等功能，我們預(yù)計未來基于TOF或結(jié)構(gòu)光技術(shù)的3D攝像頭作為手勢識別、三維場景重建的基礎(chǔ)，將成為AR設(shè)備的標(biāo)配！

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

（一）技術(shù)路線已經(jīng)成熟：TOF及結(jié)構(gòu)光殊途同歸

3D攝像頭主要有三條主流技術(shù)路線：光飛時間（TOF，time of flight）、結(jié)構(gòu)光（structure light）和多角成像（也稱雙目立體視覺技術(shù)，multi-camera）。從當(dāng)前技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品應(yīng)用來看，TOF與結(jié)構(gòu)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(shù)

TOF技術(shù)是通過主動發(fā)射調(diào)制過后的連續(xù)光脈沖信號至目標(biāo)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(jìn)行運算和轉(zhuǎn)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(jìn)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(yuǎn)距離無法保證進(jìn)度）以及成本較結(jié)構(gòu)光要高。

目前的主流技術(shù)TOF技術(shù)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(gòu)算法進(jìn)行場景的三維重構(gòu)。SPAD是一類高靈敏度的半導(dǎo)體光電檢測器，被廣泛應(yīng)用于弱光信號檢測領(lǐng)域。

2、結(jié)構(gòu)光（structure light）技術(shù)

結(jié)構(gòu)光技術(shù)的基本原理是：在激光器外放置一個光柵，激光通過光柵進(jìn)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(chǎn)生位移。當(dāng)物體距離激光投射器比較近的時候，折射而產(chǎn)生的位移就較小；當(dāng)物體距離較遠(yuǎn)時，折射而產(chǎn)生的位移也就會相應(yīng)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(jìn)而復(fù)原整個三維空間。

采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)的代表產(chǎn)品包括Kinect 1、Intel RealSense Camera（F200&R200）以及第一代project tango產(chǎn)品等等。

結(jié)構(gòu)光技術(shù)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(xué)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(shù)

多角成像技術(shù)是基于視差原理，并利用成像設(shè)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(yīng)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(shù)優(yōu)點在于室內(nèi)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(fù)雜，對硬件具有較高要求。

下表主要從軟件復(fù)雜性、延遲、是否主動照明、探測距離、分辨率等指標(biāo)對三種主流技術(shù)進(jìn)行對比：

從目前已經(jīng)上市的產(chǎn)品技術(shù)運用來看，結(jié)構(gòu)光/TOF的應(yīng)用具有成熟，且技術(shù)原理上殊途同歸。初代產(chǎn)品大多采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)，而新一代產(chǎn)品采用TOF技術(shù)的數(shù)量則開始逐漸提升，我們認(rèn)為TOF技術(shù)未來將憑借自身在軟件復(fù)雜性、延遲、精度、掃描速度等領(lǐng)域的優(yōu)勢成為最具應(yīng)用前景的3D攝像頭技術(shù)；而結(jié)構(gòu)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(yīng)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(shù)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(lǐng)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(yīng)用軟件解決方案等領(lǐng)域展開并購整合。

蘋果在3D攝像頭技術(shù)及其下游應(yīng)用領(lǐng)域布局已久，我們預(yù)計iPhone十周年機型有望祭出這一殺手锏技術(shù)?？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(lǐng)創(chuàng)新趨勢、帶動行業(yè)技術(shù)革新的能力，一旦采用其他廠商高端廠商必定迅速跟進(jìn)，整個產(chǎn)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(lǐng)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(xué)習(xí)與圖像識別公司Perceptio和以色列3D攝像頭技術(shù)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(shù)和相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行專利積累，其中包括利用圖像深度信息進(jìn)行手勢識別和通過使用紅外線傳感器等裝置進(jìn)行人臉識別。

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

與3D Sensing在基本結(jié)構(gòu)與基本原理上類似的距離傳感器應(yīng)用，蘋果自iPhone3GS開始已成為標(biāo)配。以下我們從結(jié)構(gòu)、原理和功能對歷代iPhone前置結(jié)構(gòu)創(chuàng)新進(jìn)行梳理。

蘋果從初代iPhone開始就具有前置距離傳感器的設(shè)計，主要用于判斷用戶頭部與屏幕距離，當(dāng)手機貼近耳朵的時候能夠自動的關(guān)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(xué)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(zhuǎn)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(xué)，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(jié)構(gòu)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(jìn)行集成，功能上僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)識別用戶頭部是否靠近聽筒從而控制屏幕。我們認(rèn)為，連續(xù)8代的距離傳感器應(yīng)用說明蘋果已經(jīng)將測距類模塊在手機上的設(shè)計與使用運用的爐火純青。

我們推斷，大客戶十周年機型導(dǎo)入基于結(jié)構(gòu)光或TOF技術(shù)的3D攝像頭技術(shù)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(shù)將為新一代產(chǎn)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(chǎn)業(yè)鏈最大變化在于IR VCSEL模組（光源+光學(xué)組件）

（一）拆解3D Sensing攝像頭

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

下面結(jié)合具體產(chǎn)品拆解來看3D攝像頭產(chǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(jié)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(chǎn)品是基于結(jié)構(gòu)光技術(shù)，同樣是一種主動感知技術(shù)。

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(chǎn)品進(jìn)行拆解分析，3D攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈可以被分為：

1、上游：紅外傳感器、紅外光源、光學(xué)組件、光學(xué)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(yīng)用。

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

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

距離傳感器之高配版，雖然關(guān)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(dǎo)體兩大陣營，TI和infineon也在這一領(lǐng)域有所布局。AMS從iPhone 4起為蘋果供應(yīng)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(dǎo)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(shù)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(chǎn)品。目前國內(nèi)在傳感器領(lǐng)域差距較為明顯，短期不會有相關(guān)公司能取得突破；從投資的角度，我們不做重點分析。

（三）關(guān)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(yīng)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(biāo)的、并為后續(xù)研究做好基礎(chǔ)。我們大膽預(yù)測，未來的激光器消費級應(yīng)用打開之后，對于激光技術(shù)的升級與調(diào)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(shù)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(yīng)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(lǐng)域擴展至消費電子領(lǐng)域？

5）VCSEL未來發(fā)展趨勢？消費電子的應(yīng)用將為VCSEL進(jìn)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(dǎo)體激光器?；窘Y(jié)構(gòu)是一個“三明治”結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(zhì)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(dǎo)體。發(fā)光原理方面，VCSEL與其它半導(dǎo)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(dǎo)體的電子由價帶躍遷到導(dǎo)帶，當(dāng)電子由導(dǎo)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(zhì)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(yīng)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(lǐng)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(yīng)用于光通信、光互連、光存儲等領(lǐng)域。

為什么用VCSEL不用LED？主動感知的3D攝像頭技術(shù)通常使用紅外光來檢測目標(biāo)，早期3D傳感系統(tǒng)一般都使用LED作為紅外光源。在技術(shù)方面，由于LED不具有諧振器，導(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)上FP激光器一般由襯底層、波導(dǎo)層、有源層，及金屬導(dǎo)線層組成，普遍采用雙異質(zhì)結(jié)多量子阱有源層；DFB激光器在FP的基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(zhì)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?qū)崿F(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(dǎo)體激光器進(jìn)行比較分析：

從最近上市的具有3D攝像頭的產(chǎn)品也能看到，紅外光源由LED向VCSEL轉(zhuǎn)變是必定趨勢！從2016年意法半導(dǎo)體及AMS旗下Heptagon發(fā)布的光學(xué)模塊新產(chǎn)品來看，均采用VCSEL作為紅外線光源，且消費級產(chǎn)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(lǐng)域有哪些大玩家？

目前VCSEL領(lǐng)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(lǐng)域的經(jīng)驗，消費級應(yīng)用變得順理成章，兩者產(chǎn)品具備很強的技術(shù)延展性。重點關(guān)注光電子通信龍頭，切入消費電子應(yīng)用的爆發(fā)潛力。

4、海外映射的角度看，VCSEL如何從光通信領(lǐng)域擴展至消費電子領(lǐng)域？

我們結(jié)合產(chǎn)業(yè)龍頭Finisar及Lumentum的產(chǎn)品線變化對VCSEL器件發(fā)展歷程進(jìn)行分析。

1）海外映射之一：VCSEL大玩家之Lumentum

Lumentum是行業(yè)領(lǐng)先的光學(xué)產(chǎn)品供應(yīng)商，前身是光通訊領(lǐng)域絕對龍頭JDSU（2015年JDSU進(jìn)行拆分，獨立CCOP業(yè)務(wù)部門被命名為Lumentum，NE、SE和OSP業(yè)務(wù)部門改名為Viavi）。公司目前主要提供基于光學(xué)光電子技術(shù)的解決方案，應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)通信、電信網(wǎng)絡(luò)、商用激光器以及消費電子領(lǐng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(lǐng)域。公司依托光器件及光模塊領(lǐng)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(shè)計與制造、光器件子部件、光模塊集成的垂直整合生產(chǎn)；

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

在工業(yè)級應(yīng)用激光產(chǎn)品線方面，公司主要產(chǎn)品有千瓦級激光器、超快激光器，Q開關(guān)激光器和低功率連續(xù)波激光器等。目前主流應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(lǐng)域激光產(chǎn)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(lǐng)域絕對王牌產(chǎn)品，主要可以應(yīng)用于智能終端的手勢識別、移動設(shè)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(wù)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(wù)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(luò)業(yè)務(wù)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(wù)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(chǎn)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(wù)。結(jié)合目前產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研以及2014年歷史來看，2017~2018財年公司3D sensing業(yè)務(wù)有望開啟爆發(fā)式增長！

在這里我們進(jìn)行一個簡單測算，2014年出貨約2000萬臺的Kinect二代產(chǎn)品采用了公司的3D sensing產(chǎn)品，當(dāng)年為公司帶來接近5000萬美元營收。我們假設(shè)2017年大客戶采用3D攝像頭的高端機型能夠達(dá)到5000萬，一臺手機配備兩個VCSEL部件，公司供應(yīng)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(lǐng)先的VCSEL廠商，持續(xù)引領(lǐng)VCSEL的應(yīng)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(chǎn)品種類接近30種，且公司產(chǎn)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(yīng)用要求。

Finisar的產(chǎn)品最初主要用于電信（telecom）、數(shù)據(jù)通信（datacom）等光通信領(lǐng)域，主要應(yīng)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(nèi)因”雙重作用下，公司逐漸開始布局消費電子領(lǐng)域應(yīng)用。“外因”包括3D攝像頭技術(shù)的逐漸涌現(xiàn)和VCSEL的小型化、低成本化，“內(nèi)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(chǎn)品來面對同質(zhì)化競爭，獲得定價方面的話語權(quán)。

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(yīng)用將為進(jìn)一步拓展創(chuàng)造條件

VCSEL器件由問世，到運用于光通信領(lǐng)域，再到延伸至消費電子領(lǐng)域，本質(zhì)上是其性能、工藝和材料的一部發(fā)展史，從技術(shù)看產(chǎn)業(yè)，我們結(jié)合VCSEL領(lǐng)域內(nèi)主要玩家產(chǎn)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(shù)（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(yuǎn)大與成熟技術(shù)）；

2、1996-1999：該階段主要是650~850nm短波段的大范圍應(yīng)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(shù)來提升DBR反射鏡的反射率，具有高反射率、高熱傳導(dǎo)率和良好的導(dǎo)電特性的AlAs/GaAs在這一階段被應(yīng)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(xué)互連市場占據(jù)了絕對的主導(dǎo)地位，此外也在650~670nm波段被應(yīng)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(yīng)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(shù)能夠極大地提升光電轉(zhuǎn)換效率（50%以上）和光束穩(wěn)定度，使其能夠穩(wěn)定地耦合進(jìn)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(yán)重過熱問題打下基礎(chǔ)。同時直接鍵合工藝在長波段VCSEL制作中得到廣泛應(yīng)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(guān)鍵器件；

4、2005-2016：這一階段VCSEL器件開始逐漸由光通信領(lǐng)域延伸至工業(yè)級應(yīng)用及消費電子領(lǐng)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(shù)的可調(diào)諧VCSEL技術(shù)、VCSEL陣列技術(shù)以及電流限制技術(shù)。陣列技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域。電流限制技術(shù)（離子注入、掩埋隧道結(jié)等）將電流限制在較小區(qū)域內(nèi)，是VCSEL微型化的關(guān)鍵工藝。此外金屬鍵合技術(shù)的引入改善了VCSEL的散熱問題，使得它能夠更好地應(yīng)用于體感設(shè)備、智能手機等消費電子領(lǐng)域。

應(yīng)用領(lǐng)域方面，VCSEL主要由光通信領(lǐng)域應(yīng)用向商業(yè)級應(yīng)用如工業(yè)加熱、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療以及消費電子應(yīng)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(chǎn)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(shù)改進(jìn)，VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散熱等領(lǐng)域的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)，逐漸應(yīng)用于工業(yè)加熱、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療設(shè)備等商業(yè)級應(yīng)用以及3D感知等消費級應(yīng)用。

隨著技術(shù)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(cè)，且其大小受諧振腔的長度限制；3）能夠?qū)崿F(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(gòu)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(yīng)用于各類消費電子產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的表征（X射線衍射、反射譜、光致熒光譜、電化學(xué)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(xué)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(jìn)行產(chǎn)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(rèn)為，VCSEL器件經(jīng)過在光通信應(yīng)用領(lǐng)域多年發(fā)展而得的“小型化+低成本+低功耗+高質(zhì)量”使得其成為消費電子領(lǐng)域激光光源的首選方案！

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

進(jìn)一步判斷認(rèn)為，隨著蘋果新機型的創(chuàng)新應(yīng)用量產(chǎn)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(yīng)與普及。2）另一方面，激光器量產(chǎn)供應(yīng)鏈形成之后將帶動產(chǎn)品價格的全面平民化，AR眼鏡、智能駕駛雷達(dá)等一系列顛覆式應(yīng)用將徹底從概念化小眾市場得到快速普及。

AR最核心技術(shù)在于光學(xué)，尤其是激光技術(shù)！無論是手勢識別、三維重構(gòu)還是成像，光學(xué)技術(shù)都是決定性基礎(chǔ)。我們從目前幾款主流產(chǎn)品拆解及技術(shù)原理進(jìn)行分析。

HoloLens相比以往任何設(shè)備的強大之處，在于其能夠?qū)崿F(xiàn)對現(xiàn)實世界的深度感知并進(jìn)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(shù)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(guān)鍵的光學(xué)成像模塊。目前來看，HoloLens配備兩塊光導(dǎo)透明全息透鏡，虛擬內(nèi)容采用LCoS（硅基液晶）投影技術(shù)，從前方微型投影儀投射至光導(dǎo)透鏡后進(jìn)入人眼。

LCOS（液晶覆硅技術(shù)）是小型化AR頭顯的關(guān)鍵技術(shù)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(lán)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(xué)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(zhì)量、亮度、功耗和使用壽命上無可比擬的優(yōu)越性，我們認(rèn)為其將是未來的發(fā)展方向。

另一款主流AR產(chǎn)品Meta同樣采用了基于TOF的3D攝像頭技術(shù)以及利用基于半反半透鏡的投影技術(shù)進(jìn)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(shù)獲取圖像深度信息，能夠?qū)崿F(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(shù)，造型極其緊湊的投影儀藏在鏡框內(nèi)，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(jìn)人眼進(jìn)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(shù)，成像關(guān)鍵部件由微型投影儀、光導(dǎo)元件（LOE）和反射波導(dǎo)組成。植入眼鏡的微型投影儀（例如激光投影）將圖像畫面進(jìn)行投放，通過光導(dǎo)元件、反射波導(dǎo)形成全反射。

我們認(rèn)為，微投成像和3D攝像是未來AR產(chǎn)業(yè)兩大核心技術(shù)，以VCSEL為代表的半導(dǎo)體激光器件將成為AR光學(xué)技術(shù)的最基礎(chǔ)部件，引領(lǐng)消費電子光學(xué)時代到來！

隨著投影顯示技術(shù)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(zhì)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(shè)備光源將是大概率事件。

目前，激光顯示技術(shù)主要有三基色純激光、熒光粉+藍(lán)光、LED+激光混合光源三種技術(shù)，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(diào)、穩(wěn)定、安全可靠免維護(hù)、應(yīng)用靈活等優(yōu)點。三基色光源由單色光，紅、綠、藍(lán)三色光分別調(diào)制，彩色效果非常理想。

技術(shù)進(jìn)展來看，紅光激光二極管技術(shù)（包括VCSEL紅光陣列）發(fā)展已經(jīng)十分成熟，藍(lán)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(lán)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(zhǔn)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(zhì)量。

熒光粉激光即目前較為常見的單色激光+DLP技術(shù)和單色激光+3LCD技術(shù)，單色激光+DLP技術(shù)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(shù)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(shù)從本質(zhì)上來講應(yīng)該不是直接使用激光進(jìn)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(dá)到更加理想的狀態(tài)，一般最多可以達(dá)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(yán)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(chǎn)品。

上圖的混合光源結(jié)構(gòu)是來自藍(lán)色激光、紅色LED發(fā)光體（或包括藍(lán)色LED），部分藍(lán)色激光發(fā)射到磷光體上產(chǎn)生出綠色光線，從而構(gòu)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(shù)，三原色光線照射到DMD芯片，經(jīng)過芯片的調(diào)制形成圖像并投射出去。混合光源的優(yōu)勢，是生產(chǎn)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(dá)商用推進(jìn)。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(jìn)行針對雷達(dá)設(shè)備的高功率VCSEL陣列開發(fā)，而這些雷達(dá)設(shè)備主要面向輔助駕駛和無人駕駛應(yīng)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(dá)解決方案，如若進(jìn)展順利，公司開發(fā)的光源模塊可取代目前應(yīng)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(dá)，將高清和遠(yuǎn)距離傳感器功能整合進(jìn)小尺寸、穩(wěn)定且具成本效益的包裝中，進(jìn)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(yīng)用市場拓展將帶來VCSEL市場跨越式增長。根據(jù)研究機構(gòu)Markets and Markets的預(yù)測數(shù)據(jù)，VCSEL的市場空間將在2014年6.1億美元的基礎(chǔ)上以22%的符合年增長率快速增長，預(yù)計2020年將達(dá)到約21億美元。我們認(rèn)為，隨著大客戶導(dǎo)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(chǎn)品將迅速跟進(jìn)，加上VCSEL陣列技術(shù)在激光雷達(dá)領(lǐng)域逐漸滲透，未來市場空間將遠(yuǎn)不止于此！

（四）關(guān)鍵點之三——VCSEL激光器光學(xué)組件

任何一種工作光源在滿足工作需要的之前，都要進(jìn)行性能調(diào)節(jié)，以達(dá)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(yīng)的激光器光學(xué)處理組件要求會更為嚴(yán)格。加上激光器一直處于工業(yè)應(yīng)用中，本身的市場空間一直沒打開，激光器光學(xué)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(lǐng)域的研究尚處于起步階段，但我們認(rèn)為隨著激光器消費級市場的打開，未來該領(lǐng)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(xué)組件核心供應(yīng)商。

1、iPhone8 VCSEL激光器光學(xué)組件推測版

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

微型準(zhǔn)直透鏡：是用來對發(fā)散的激光光源進(jìn)行準(zhǔn)直處理，達(dá)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(guān)產(chǎn)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(zhǔn)直透鏡-福晶科技：為JDSU（Lumentum）、Finisar等光通信企業(yè)供給通信級準(zhǔn)直鏡頭；DOE-福晶科技：為微軟HoloLens聯(lián)合研發(fā)相關(guān)光學(xué)組件；濾光片-水晶科技：為Kinect供應(yīng)濾光片。

以下分別就三類比較重要的激光光學(xué)元件做分析，并對激光光學(xué)元件做全面梳理。

2、三種重要激光器光學(xué)元件分析之一：DOE

衍射光學(xué)元件（DOE，Diffractive Optical Elements）預(yù)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(shè)計，并通過半導(dǎo)體芯片制造工藝，在基片上(或傳統(tǒng)光學(xué)器件表面)刻蝕產(chǎn)生臺階型或連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)，形成同軸再現(xiàn)、且具有極高衍射效率的一類光學(xué)元件。DOE主要特性包括輕薄體積小、衍射效率高、設(shè)計自由度高、熱穩(wěn)定性良好、整形光路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)良特性，目前已經(jīng)成為諸多光學(xué)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(chǎn)生不同的光程差。通過不同表明設(shè)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(zhǔn)直、聚焦或形成特定圖案等功能。

目前DOE已經(jīng)被應(yīng)用于消費電子、醫(yī)療、激光加工等領(lǐng)域：

大客戶新產(chǎn)品有望采用類似Kinect的結(jié)構(gòu)光方案：VCSEL激光器發(fā)射出的光束通過準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后，通過DOE器件得到25*25的激光散斑，然后再利用光柵進(jìn)行“衍射復(fù)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(jié)合HoloLens采用的顯示方案來對衍射光學(xué)器件（DOE）的應(yīng)用進(jìn)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(jìn)入人眼，微軟在HoloLens單鏡片上應(yīng)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(yīng)下右圖中所標(biāo)示的52、54、56三部分。

圖像首先通過LCoS微型投影儀進(jìn)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(zhì)中，光線在特定角度下會實現(xiàn)全內(nèi)反射。入耦合光柵的主要作用就是通過DOE的微觀結(jié)構(gòu)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(nèi)的全內(nèi)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(zhuǎn)）90度，到達(dá)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(jìn)入人眼的角度與虛擬物體所在位置重合，以達(dá)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(shè)計光學(xué)功能等優(yōu)良特點于一身，未來將在激光投影、全息技術(shù)等領(lǐng)域大顯身手。我們認(rèn)為，隨著準(zhǔn)分子激光加工工藝、復(fù)制工藝的發(fā)展，DOE的制造成本將大幅降低并且能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，有望成為促進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)微型化、陣列化和集成化的關(guān)鍵技術(shù)！福晶科技已與微軟聯(lián)合研發(fā)HoloLens，預(yù)計其中就包括DOE等相關(guān)光學(xué)組件，微軟Kincet是體感游戲機的鼻祖，亦是AR眼鏡領(lǐng)域最受期待的廠商。

3、三種重要激光器光學(xué)元件分析之二：準(zhǔn)直鏡頭

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

術(shù)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(jié)構(gòu)光技術(shù)的3D攝像中也需要將光束進(jìn)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(jìn)行捕捉、分析。同時若不進(jìn)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(zhǔn)直透鏡對VCSEL出射光束進(jìn)行準(zhǔn)直、形成散斑等整形處理。

準(zhǔn)直器屬于激光器件中用于輸入輸出的一個光學(xué)元件，其結(jié)構(gòu)簡單一般為透鏡系統(tǒng)，作用是使發(fā)散光通過前置的準(zhǔn)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(lǐng)域，均需要通過準(zhǔn)直器件將激光光束轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫泄馐?，從而保證在高功率光束下的穩(wěn)定光束質(zhì)量或者使光最大效率的耦合進(jìn)入所需的光通信器件。與光通信領(lǐng)域及激光加工領(lǐng)域不同，消費電子領(lǐng)域通常采用多片結(jié)構(gòu)組成微型準(zhǔn)直透鏡，我們將在后文對制造微型準(zhǔn)直透鏡的WLO（晶圓級光學(xué)制程工藝）進(jìn)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(zhǔn)直鏡頭。

4、三種重要激光器光學(xué)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(jié)構(gòu)光及TOF的3D攝像頭技術(shù)關(guān)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(lǐng)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(shè)備所用的窄帶濾光片即為水晶光電所供應(yīng)，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(xué)指標(biāo)，包括帶寬、中心波長、截止波長、截止深度、峰值透過率、產(chǎn)品厚度等等。

5、一種重要的光學(xué)鏡頭封裝方式：WLO將大幅降低生產(chǎn)成本，提升效率和良率

工藝方面，晶圓級別光學(xué)制程（WLO）有望被大范圍運用至光學(xué)傳感器及微型光學(xué)器件（鏡頭、DOE等）生產(chǎn)。近年來高精度的紫外壓印光刻技術(shù)和紫外貼合技術(shù)為晶圓級別制程提供了技術(shù)基礎(chǔ)，晶圓級別制程的運用為大幅降低微型光學(xué)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(shù)。

WLO首先利用紫外壓印光刻技術(shù)（UV imprint）在晶圓級別生產(chǎn)微型透鏡，之后利用紫外貼合技術(shù)（UV bonding）將各層透鏡進(jìn)行堆疊。如果是生產(chǎn)光學(xué)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(jìn)行集成和模組。

因此當(dāng)我們在談?wù)摼A級別光學(xué)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(shù)是WLO關(guān)鍵技術(shù)，從光學(xué)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(jìn)對準(zhǔn)機，完成光學(xué)對準(zhǔn)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(jìn)行退模、刻蝕等工藝就可以得到微型光學(xué)元件，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的堆疊、集成等工藝。

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

1、大幅降低成本（不過設(shè)備價格十分高昂）；

2、基于紫外壓印光刻和紫外貼合技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度光學(xué)元件制造和堆疊；

3、完美切合微型化光學(xué)元件和光電器件；

目前WLO領(lǐng)域Know-How主要掌握在四大廠商Heptagon、Aptina、Himax、Visera以及設(shè)備廠EV Group手中，其中我們預(yù)計Heptagon和Himax有望為大客戶新產(chǎn)品光學(xué)傳感器及微型光學(xué)元件提供WLO工藝。中國大陸掌握晶圓級封裝技術(shù)的廠商有晶方科技與華天科技。

6、激光器光學(xué)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(xué)組件梳理，但必須強調(diào)的一點是，目前尚不排除仍然有其他光學(xué)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(xué)組件做整體梳理。

光源之外，用于進(jìn)行光束整形（包括勻束、分束、耦合等）的精密光學(xué)元件正在成為消費電子光學(xué)重要一環(huán)！激光由激光器發(fā)射后通常需要多種光學(xué)元件來對光束實現(xiàn)準(zhǔn)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(guān)、調(diào)諧部件等器件來產(chǎn)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(xué)元件列出，其中DOE和微透鏡陣列技術(shù)以及準(zhǔn)直器在最近幾年發(fā)展迅速，經(jīng)常配合半導(dǎo)體激光器進(jìn)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(jìn)行處理直接利用高斯光束進(jìn)行加工會有以下缺點：1、在進(jìn)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(xué)元件來對高斯光束進(jìn)行整形，將其轉(zhuǎn)換為平頂光束使能量分布均勻，從而大幅提高加工質(zhì)量，減小熱影響區(qū)域，提高加工效率。

在3D攝像技術(shù)以及激光投影等消費電子應(yīng)用領(lǐng)域，對激光器發(fā)出的光束進(jìn)行整形更加具有必要性。在激光投影技術(shù)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(jié)構(gòu)光技術(shù)的3D攝像中也需要將光束進(jìn)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(jìn)行捕捉、分析。同時若不進(jìn)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(guān)，在使用光泵浦的情況下，需要加入激光晶體作為工作物質(zhì)，實現(xiàn)功率的提升等要求的改善。

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

由于種類繁多，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)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(lǐng)域的爆發(fā)，激光器光學(xué)組件的用量與產(chǎn)品種類均將快速發(fā)展。目前，國內(nèi)在激光器光學(xué)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(lǐng)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(yīng)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(chǎn)生如此大的改變，從而為消費級應(yīng)用鋪平道路呢？我們認(rèn)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(lǐng)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(jié)構(gòu)將導(dǎo)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(jìn)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(zhì)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(nèi)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(nèi)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(guān)注的重點。目前獲得人眼安全激光的技術(shù)主要有Raman-shift laser技術(shù)、Er-doped glass laser技術(shù)和Optical Parametric Oscillators(OPO)技術(shù)。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(jié)構(gòu)非常復(fù)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(fù)頻率和激光能量較低。而OPO技術(shù)是目前最廣泛使用的獲取該波段的技術(shù)手段，只需在激光諧振腔中插入一塊非線性晶體，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、可靠性高，非常適合應(yīng)用于小型化的固體激光器。

與其它方法相比，OPO技術(shù)更具有以下優(yōu)勢：

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

l容易獲得高光束質(zhì)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(yīng)比Er-doped glass laser弱；

lOPO技術(shù)亦可以獲得1064nm／1570nm雙波長的激光，對特殊場合應(yīng)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(shù)，同時他是國內(nèi)最大的該類非線性晶體KTP供應(yīng)商。

（二）VCSEL會否在結(jié)構(gòu)上優(yōu)化，達(dá)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(shù)發(fā)展是VCSEL器件由光通信領(lǐng)域向3D sensing應(yīng)用演進(jìn)的一大驅(qū)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(lǐng)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(jié)構(gòu)的VCSEL。這一結(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(zhì)/晶體就能形成一個二次光泵浦結(jié)構(gòu)，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(zhì)）。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(rèn)，是一種可能性的升級思考。但我們通過產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研了解到，福晶科技（全球最大的Nd：YOV4激光晶體供應(yīng)商）為主要的VCESL龍頭公司有提供相應(yīng)的晶體材料。