《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
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。
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。
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