TOF行業前瞻報告:TOF有望成為3D感測主流方案

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1.智慧型手機 3D 感測滲透加速，TOF 有望成為主流技術

1.1.3D 感測滲透加速，主流手機廠商加入 TOF 陣營

3D 感測技術路線很多，不同技術的性能不同，適合的應用領域也不同。在 消費電子應用領域，目前主流的 3D 感測技術有兩種： 3D 結構光（3D Structure Light）和時間飛行法(TOF, Time of Flight)。

3D 結構光在消費電子領域的商用最早可追溯到 2009 年，微軟與以色列 3D 感測公司 PrimeSense 合作發布了搭載 3D 結構光模組的體感設備 Kinect 一 代，2010 年 11 月上市後，該產品成為 2011 年銷售最快的消費電子設備。儘管 產品大獲成功，但第一代 Kinect 的準確度、圖像解析度和響應速度並不理想， 微軟在 2009 年和 2010 年先後收購了以色列 TOF 相機公司 3DV Systems 和 3D 手勢識別公司 Canesta，並在 2013 年終止了與 PrimeSense 的合作，自行研發 推出搭載 TOF 攝像頭的 Kinect 2 代產品。然而好景不長，由於缺乏爆款遊戲 應用、硬體虧本銷售等問題的存在，2017 年 10 月微軟表示已經停止生產 Kinect， 自 2011 年上市以來累計銷量僅 3500 萬部。儘管 Kinect 失敗，但在遊戲市場 的沉澱使得 3D 感測技術日益成熟，2017 年蘋果發布 iPhone X，首次搭載 3D 結構光模組，可實現 3D 人臉識別技術，成為蘋果近兩年最大的創新。此前由 於半導體工藝等多方面技術的限制，3D 感測很難應用到體積非常有限、功耗要 求低的手機上，因此 iPhone X 的發布是 3D 結構光技術的重大突破，市場對 3D 結構光技術的熱情重新點燃。蘋果的 3D 結構光方案正是來自為微軟 Kinect 一 代提供技術方案的 PrimeSense，蘋果在 2013 年 11 月宣布以 3.6 億美元收購該 公司。蘋果之外，主要 3D 結構光方案廠商還有美國的英特爾、高通/Himax， 以色列 Mantis Vision 以及國內華為、奧比中光等公司。2014 年英特爾發布全 球首款內嵌於各種智能設備的3D景深攝像頭RealSense，採用3D結構光技術， 應用在聯想、戴爾等多款超極本電腦以及無人機等設備中。同年高通宣布與影像 IC 設計公司奇景光電 Himax 合作提供高解析度、低功耗的 3D 結構光模組 SLiMTM。iPhone X 發布後，國內小米、華為和 OPPO 也先後發布了首款搭載 3D 結構光模組的智慧型手機，其中小米採用的是以色列 Mantis Vision 公司的解決 方案，華為採用的是自研方案，OPPO 採用的是國內公司奧比中光的解決方案。 蘋果在 2018 年和 2019 年的 iPhone 新產品中也全部搭載了 3D 結構光模組。

目前已經發布的搭載 3D 結構光模組的智慧型手機包括蘋果的 iPhone X 以後 的所有機型，華為的 Mate20 Pro、榮耀 Magic 2 和 Mate 30 Pro,小米的小米 8 探索版以及 OPPO 的 OPPO FindX。據 DigiTimes 數據，2018 年搭載 3D 結構光 的智慧型手機整體約 1 億臺，其中蘋果佔比約 88%。

TOF 最早的商用可追溯到 2006 年 7 月，衍生自 CSEM（瑞士電子與微技術 中心）的MESA Imaging公司成立，並推出商用TOF攝像頭產品系列SwissRanger， 最開始應用於汽車的被動安全檢測。2014 年，MESA 被新加坡微型光學器件廠商 Heptagon 收購，Heptagon 在 2016 年又被奧地利知名傳感器廠商 AMS 收購， 在小型化 TOF 傳感器領域已經具備了一定優勢。2013 年，微軟在第二代 Kinect 中採用了 TOF 技術，方案來自 2010 年收購的 TOF 相機公司 3DV Systems。2015 年，索尼索尼收購比利時手勢識別技術公司 SoftKinetic，該公司擁有知名 DepthSense TOF 感測系統，兩年後索尼就發布了全球最小的 TOF 模組。TOF 技 術首次應用到智慧型手機是在 2016 年，Google 和聯想合作推出了全球首個搭載 TOF 模組的智慧型手機 Phab2 Pro，採用的是 pmd/英飛凌的 TOF 方案，該手機可 實現一些如三維測量等簡易的 AR 應用，但並沒有引起市場較大的反響。英飛 凌和德國 3D 感測公司 pmd 在 TOF 領域合作了數十年，並開發出了知名的 REAL3 TOF 傳感器晶片，其中 pmd 主要提供 TOF 像素矩陣，英飛凌主要提供晶片上系 統（SoC）集成的所有功能組件，並開發相應的製造工藝，該方案還用在了華 碩 2017 年發布的 AR 智慧型手機 Zenfone 上。2018 年 8 月 6 日,OPPO 在北京召開 了 TOF 技術溝通會, 並在 8 月 23 日發布了其首部搭載 TOF 攝像頭的智慧型手機 OPPO R17 Pro,採用了 Sony 的解決方案。隨後在 2018 年 12 月，vivo 發布了其 首部搭載 TOF 攝像頭的智慧型手機 vivo NEX 雙屏版，採用了松下的解決方案； 華為發布了其首部搭載TOF攝像頭模組的智慧型手機榮耀V20,採用的是OPPO R17 Pro 相同的 TOF 方案。進入 2019 年後，安卓廠商紛紛加入 TOF 鏡頭的陣營，2019 年 2 月，三星發布了 Galaxy S10 5G，前後分別各搭載一顆 TOF 鏡頭；LG 發布 了 LG G8 ThinQ，搭載後置 TOF 鏡頭，採用了英飛凌的解決方案；聯想發布了 Z6 Pro 5G 手機，搭載了後置 TOF 鏡頭。華為在 6 月份在中端機型 nova 5 Pro 上也搭載了後置 TOF 鏡頭。

目前除小米以外，主要安卓手機廠商均發布了搭載 TOF 模組的智慧型手機， 其中華為和三星發布的機型數量相對較多。

據騰訊科技、集微網、韓國網站 The Elec 等多家媒體報導，供應鏈消息 稱蘋果將在 2020 年的 iPad Pro 和兩款 iPhone 中搭載 TOF 後置鏡頭，前置人 臉識別攝像頭則還是沿用 3D 結構光的技術。報導還表示蘋果或藉助定製 CMOS 的方式模擬人眼功能，實現 AR 實景導航等應用，突破當前 TOF 鏡頭缺乏「硬」 用的瓶頸。蘋果的入局有望加快安卓端的滲透速度，業界普遍看好 TOF 模組將 在 2020 年迎來放量。我們對主要品牌手機廠商的 TOF 機型 2019 年和 2020 年 的滲透率進行了假設，預測 2019/2020 年全球搭載 TOF 模組的智慧型手機出貨量 分別為 4300 萬和 1.5 億部。考慮到華為、三星等部分高端機型搭載前後 TOF 模組，預測2019/2020年全球智慧型手機的TOF模組合計為5700萬和1.83億個。

1.2. 3D 結構光 vs TOF：手機廠為何選擇 TOF 方案？

1.2.1.原理和系統組成對比

3D 結構光方案的原理是採用紅外光源，發射出來的光經過一定的編碼投影 在物體上，這些圖案經物體表面反射回來時，隨著物體距離的不同會發生不同 的形變，圖像傳感器將形變後的圖案拍下來。基於三角定位法，可以通過計算 拍下來的圖案裡的每個像素的變形量，來得到對應的視差，從而進一步得到深 度值。

TOF 方案的原理是採用紅外光源發射高頻光脈衝到物體上，然後接收從物 體反射回去的光脈衝，通過探測光脈衝的飛行（往返）時間來計算被測物體離 相機的距離。

對比 iPhone 的 3D 結構光模組和 OPPO R17 Pro 的 TOF 模組，可看出二者 的組成結構類似，3D 結構光只是在發射端多了一個點陣投影儀，但實際上兩種 方案中採用的泛光照明器和近紅外攝像頭有很大區別。 3D 結構光模組中最複雜 的器件為點陣投影儀， TOF 模組中最複雜的器件為近紅外攝像頭（即 TOF Sensor， TOF 傳感器）。

3D 結構光模組中點陣投影儀（Dot Projector）由一個高功率 VCESEL （Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔表面發射雷射器）、一 組 WLO lens（Wafer-Level Optics lens，晶圓級光學透鏡）和 DOE（Diffractive Optical Elements，光學衍射元件）組成，用於發射特定編碼的光學圖案。 VCSEL：發射出特定波長的近紅外光（一般為 880nm/910nm/940nm）； WLO lens：具體包括光束整形器（Beam shaper）和投射透鏡（Projection lens）， 其中光束整形器又包括擴束元件（Beam Homogenizer）和準直元件（Collimator）。 光束整形器的作用是將 VCSEL 輸出的光束變成橫截面積較大的、均勻的準直光 束，其中擴束元件的作用在於擴大雷射的橫截面積，使其可以覆蓋整個 DOE， 準直元件的作用是將擴束後的雷射重新調成平行光。投影透鏡位於 DOE 之後， 用於放大光束，，使其達到一定的覆蓋範圍； DOE：指採用光刻工藝生產的表面帶有階梯狀衍射結構的光學元件，用於形成 特定編碼的光學圖案，是整個 3D 結構光模組中最核心的部件，光學圖案最後 經過投射透鏡發射出去。

3D 結構光和 TOF 中的泛光照明器（Flood illuminator）都由一個 VCSEL 和 Diffuser（擴散器）組成，兩者主要區別在於 3D 結構光中採用的是低功率 VCSEL，用於在光線較暗的環境下補光，從而在黑夜中也能提供完整的深度圖；TOF 中採用的是高功率 VCSEL，用於向物體發射光脈衝，需要在白天和夜晚都 能工作。iPhone X 中的泛光照明器和 TOF 距離傳感器（Proximity Sensor）封 裝在一起，由 STM 供應。3D 結構光和 TOF 中的近紅外攝像頭（Near-infrared Camera）都由一個紅外 CMOS 傳感器、窄帶濾光片（Narrow band filter）和 聚焦透鏡（Focus lens）組成，二者的主要區別在於紅外 CMOS 傳感器的性能 不同。

VCSEL 對比：3D 結構光中點陣投影儀、泛光照明器以及 TOF 中泛光照明器 中採用的 VCSEL 性能有很大區別。結構光的 VCSEL 需要製作成特定的圖案，對 圖案表現的一致性、器件高溫漂移情況、發熱表現、耐環境高溫等都會有更高 的要求，從而對供應商的設計能力、工藝及產品良率的考驗也更大，全球可實 現量產的廠商僅有美國 Lumetum、被 AMS 收購 Princeton Optronics 等。TOF 中泛光照明器的 VCSEL 輸出光束無需經過編碼，因此器件製作上更為簡單，可 供選擇的 VCSEL 供應商也更多。

Diffuser（擴散器）：Diffuser 是 DOE 的一種,也屬于波束整形器，用於對 輸入光束進行均一化，通過使較大折射角處具有更大屈光度，使得較窄的光束 擴展到更寬的角度範圍內，並具備均勻的照明場。TOF 中的 Diffuser 的設計制 作難度，比 3D 結構光點陣投影儀中的 DOE 要簡單很多，全球具備先進 DOE 設 計與製造的公司屈指可數，主要有德國 CDA、法國 Silios 和德國 Holoeye， iPhone X 中的 DOE 由 Primesense 自行設計 pattern 圖案，臺積電提供 pattern 微納加工，採鈺提供 ITO 材料，精材科技提供器件封裝。Diffuser 的供貨廠商 則較多，包括 Finisar（被 II-VI 收購）、PRC（被 Viavi 收購）及 Himax 等。

窄帶濾光片：由於發射端光源 VCSEL 發射的是特定波長（850nm/940nm） 的近紅外光，窄帶濾光片可將該波長以外的環境光「剔除」，使僅有該波長的 近紅外光進入圖像傳感器，從而避免環境光的幹擾。窄帶濾光片的薄膜由低折 射率和高折射率的兩種膜組成，疊加後層數達幾十層，每一層薄膜的參數漂移 都可能影響最終性能。而且窄帶濾光片透過率對薄膜的損耗非常敏感，所以制 備峰值透過率很高、半帶寬又很窄的濾光片非常困難。全球僅有美國廠商 Viavi 和國內廠商水晶光電可供應。

近紅外攝像頭對比：3D 結構光的近紅外攝像頭要求較低，其作用是成像， iPhone X 的近紅外攝像頭由意法半導體提供，採用 Soitec 公司的 Imager－SOI 技術，具有更高的量子效率和極低的噪聲。TOF 的近紅外攝像頭要求則比 3D 結 構光高的多，因為 TOF 發射的是高頻調製脈衝，脈衝頻率可高達 100MHz，從而 使得傳感器的感光時間非常短，達到納秒級別，因此要保證一定的信噪比，單 像素尺寸要比一般攝像機大很多，目前 TOF 傳感器的單像素尺寸最小為 10μm （如 Sony 的 IMX556PLR，1/2」，對應解析度為 640×480，即 30 萬像素），而 RGB 傳感器的像素尺寸目前最小可達 0.8μm（如 Sony 的 IMX586,同樣 1/2」， 像素高達 4800 萬），iPhone X 的近紅外攝像頭為 140 萬像素。因此解析度低是 TOF 方案的硬傷之一，早年的 TOF 傳感器，多採用 CCD 類型,CCD 相比 CMOS 感 光利用率更高，但是功耗十分大，發熱嚴重，也是此前 TOF 方案未能應用在手 機中的原因之一。隨著圖像傳感器廠商不斷提高 CMOS 傳感器的技術，通過背 照式（BIS, Backside Illumination）設計、電流輔助光子演示（CPAD）技術，並將高速率多幀圖像合成單張圖像用以計算最終的深度，在降低圖像噪聲的同 時降低了功耗，從而使 TOF 應用於手機成為可能，但對應的 TOF 傳感器晶片成 本也高出很多。

1.2.2.性能和應用場景對比

在對比了 3D 結構光和 TOF 的原理及系統後，可以對兩種方案的性能及 應用場景進一步分析。

1）從測量距離和測量精度來看：3D 結構光測量距離範圍較短 （0.2m-1.2m）、高精度（目前可達 1280*800）的場景，包括 Face ID（人 臉識別）、工業自動光學檢測（AOI）等應用，TOF 測量距離範圍較長（目前 為 0.4m-5m，可進一步提高至 10m 以內）、較低精度（目前主要為 240*180， 最高 640*480）的場景，如體感遊戲機、避障、導航等應用。

3D 結構光方案的測量距離短是由其測量原理決定的，難以改善。因為結構 光方案投射的是散斑或編碼圖案，會隨著距離的增加出現模糊或亮度衰減， 從而導致接收到的深度圖不完整，出現破洞，甚至失效，在 1.2m 外測量精 度會急劇下降，從而不能用在手機後置。TOF 方案發射的是面光源，在一定 距離內光信息不會出現大量的衰減，從而測量範圍更大。

TOF 方案的測量精度低也是由其測量原理決定的，前面提過可以通過提高 CMOS 傳感器性能來改善，但會帶來成本的提高。TOF 方案的測量精度是由 測量距離和接收端傳感器的解析度及視場角決定。在測量距離和視場角一 定的條件下，傳感器解析度越高，則測量精度越大。目前在人臉識別應用 商，業內一般要求至少達到 VGA 解析度（即 30 萬像素），因此華為和三星 也將 TOF 用在前置攝像頭，但安全性還是低於 3D 結構光方案。vivo 發布 NEX 雙屏版時宣稱具備 30 萬個點的深度信息，而 iPhone X 的 3D 結構光只 有 3 萬個，因此深度信息是其 10 倍。這其實是概念混淆，vivo 所指的 30 萬個點是接收端傳感器像素為 30 萬，而 iPhone X 的 3 萬個點是點陣投影 器發出的散斑數量，兩者完全不是同一概念。3D 結構光方案的最大可檢測 深度範圍與基線(Baseline，即發射端和接收端的距離)和傳感器解析度成 正比，即測量範圍一定時，其測量精度由基線和傳感器解析度成正比。3D結構光的接收端像素達到百萬級，在 1m 範圍內， 3D 結構光方案的測量精度 遠大於 TOF 方案。

2)從算法複雜度來看：結構光算法比 TOF 要複雜很多，其運算數據量 較為龐大，需要附加額外的算法處理晶片到手機端，因此通用性差、實時 性也更差。要設計出滿足手機端對於功耗低、易集成等要求的算法十分困 難,對平臺硬體有一定要求，整體移植工程較為龐大，且受制於專利等原因 通用性沒有那麼強，因此 3D 結構光的算法資源非常緊缺。TOF 算法整體運 算量並不大，不需要額外附加處理晶片，實時性好。通常由 TOF 晶片廠商 提供 Library，放在手機 AP 裡面調用，對 AP 本身的硬體能力要求也相對不 高。移植簡單靈活，通用性更廣。

3）從適應性來看：TOF 的適應性更好，設計更靈活。TOF 方案可通過 改變光源強度能實現不同範圍的 3D 成像；而通過調整發射器脈衝頻率，就 可以調整相應的信噪比以適應不同的精度要求或應用環境。同時 TOF 對光 照條件不敏感，而 3D 結構光方案在夜晚表現較差。

4）從尺寸來看：TOF 方案可實現的尺寸更小。3D 結構光方案的尺寸收 到基線的限制，前面提到 3D 結構光方案的最大可檢測深度範圍與基線及傳 感器解析度成正比。基線越小，可檢測深度範圍越小。但 TOF 方案的測量 範圍不受基線影響，基線可達 0，因此 TOF 方案可實現的尺寸更小。

5）量產難度來看：3D 結構光對組裝的精度要求遠超過 TOF，組裝良率 低。3D 結構光是通過三角定位法來計算深度信息的工作原理。一旦基線有 所偏移，或者投射接收模組之間的角度發生偏移，都會帶來深度計算的誤 差。TOF 是通過接收反射回來光線的相位差來計算深度，只需確保相位接收 正確，對組裝精度要求低。由於 3D 結構光模組的良率較低，iPhoneX 在發 售初一度出現無法供貨的情況。

6）成本對比：目前一顆 3D 結構光模組均價達到 20 美金以上，而 TOF 模組的單價基本維持在 10 美金左右。TOF 是純的基於矽工藝，具備成本下 降條件。且 TOF 鏡頭可用於取現在後置的景深鏡頭，實現 3D 空間數據的採 集，相比原來的成本多一點，但還可同時實現 AR 應用，因此更容易獲得手 機廠商的青睞。

綜合來看，在人臉識別等短距離、精度要求較高的應用場景，3D 結構 光方案更為適合，因此預計蘋果未來仍將沿用前置 3D 結構光的方案。在 AR 應用、手勢識別等較長距離、精度要求較低的應用場景，TOF 方案更為 適合，預計未來包括蘋果以及安卓主流廠商都會導入後置 TOF 鏡頭。同時 由於 3D 結構光產業鏈基本掌握在蘋果手中，因此部分安卓廠商也會採用前 置 TOF 的方案替代 3D 結構光，來實現人臉識別。

2.5G 時代物聯網/VR/AR 應用拉動 TOF 需求

儘管目前已經推出的 TOF 手機功能眾多，利如美圖功能可進一步優化手機 拍照的景深效果，「三維建模」功能可以實現體型測量、AR 尺子、Emoji 表情 等，但以上功能對於用戶而言更多是嘗鮮，並不實用，難以拉動長期需求。實 際上，在智慧型手機之外，TOF 模組還有更廣闊的應用市場，包括智慧駕駛、機 器人、智能家居、智慧電視、智能安防和 VR/AR 等，目前在這些領域，TOF 技 術的應用尚處於起步階段。

5G 時代推動物聯網應用，從而帶來各類智能設備對三維感知能力的需求。 TOF 憑藉其成本優勢、優秀的實時感知能力將成為主流的 3D 感測方案。尤其是 在 VR/AR 應用領域，對於時延有很高要求，從而避免眩暈感，TOF 則是相對最 適合的空間定位技術。在汽車應用領域，TOF 可以用於手勢識別、車內駕駛員 狀態監測、以及車外物體探測等。在工業物流應用領域，TOF 可以用於採集包 裹的三維信息，直接計算不同包裹的體積，從而降低人工成本；此外 TOF 還可 以用於避障系統，如掃地機器人，且憑藉其對光照條件不敏感的優點可用於戶 外遠距離應用，如物流機器人、引導機器人等。據 IHS Markit 報告， 2018 年 全球 TOF 傳感器市場規模為 3.7 億美元，佔整個 3D 感測市場的 33%，2019 年 其市場規模將同比增長 35%，達 5 億美元，佔比提高至 40%左右。基於 TOF 方 案的多方面優勢，尤其是成本優勢，預計 2022 年 TOF 市場規模將達到 15 億美 元，佔比整個 3D 感測市場的 50%左右。

從具體應用領域來看，未來 3 年 TOF 主要的應用市場還是來自智慧型手機市 場，預計 2020 年對應市場規模超過 6 億美元，佔整個市場的 90%以上，其次是 平板電腦市場、建築物檢測、智能家居、汽車中控、無人機等應用領域，2021 年平板電腦市場將迎來翻倍增長。我們認為 IHS 對於 2020 年 TOF 市場規模預 測較為保守，按照我們在第一章內容中的預測，2020 年全球智慧型手機 TOF 模組 出貨量約 1.83 億個，按 10 美金的單價計算，對應市場規模約 18 億美元。

3.國內廠商在鏡頭、濾光片和模組環節具備優勢

3.1.產業鏈全景圖

整個 3D 感測產業鏈包括 3D 攝像頭模組(包括 3D 結構光和 TOF)、軟體算 法以及系統整體解決方案提供商 3 個環節。而 3D 結構光和 TOF 模組基本組 成相同，都由光源（illuminator）、傳感器陣列（Sensor Array）和光學器 件（Optics）等零部件組成。據 Yole 預測，2023 年整個 3D 攝像頭模組的市 場規模可達 155 億美元，其中光源市場佔 14%，傳感器市場佔 17%，光學器 件市場佔 28%，模組市場佔 40%。

方案商方面，3D 結構光陣營廠商主要有蘋果（收購 Prime Sense）、英特 爾（RealSense 產品）、AMS、高通/Himax、Mantis Vision、華為、奧比中光 等。 TOF 陣營廠商主要有微軟、索尼、松下、英飛凌/pmd、 AMS、 ST、 TI、 Melexis、 ESPROS 以及國內公司聚芯微電子、炬佑智能等。

AMS 整個行業布局最完善的公司，擁有 3D 結構光和 TOF 兩種解決方案，且 基本全產業鏈都有布局。iPhone X 3D 結構光模組中的點陣投影儀即為 AMS 供 應，其中的 WLO 透鏡（來自 2017 年收購的子公司 Heptagon）也由其供應。在 TOF 方案中，公司擁有 TARA 和 TARASLIM 兩個系列的泛光照明器產品，分別適 用於家用機器人和汽車等應用的廣角手勢傳感和頭部追蹤以及手機中的臉部 識別。

Sony 是 CIS（圖像傳感器）領域的龍頭廠商，因此在 TOF 傳感器領域具備 先發優勢，公司從 2009 年起開始研發 BSI(背照式)傳感器技術，與 2015 年收 購的 Softkinetic 研發的電流輔助光子調節器（CAPD）相結合，推出了深度感 應性能更高，體積更小的新型背照式 TOF 傳感器 DepthSense 系列產品。2017 年公司推出的首個背照式 TOF 傳感器 IMX456QL 尺寸僅有 1/2 英寸(8mm)，並擁 有 VGA 解析度（30 萬像素），價格約人民幣 176 元。目前市場上大半的 TOF 手 機採用的都是 Sony 的 TOF 方案。此外，知名汽車半導體 Melexis 在 2015 年與 索尼籤訂了專利許可協議，獲準在自家產品中應用索尼的 DepthSense ToF 技 術。

英飛凌是全球領先的半導體公司，與知名TOF廠商pmd合作研發TOF模組， 其中 pmd 主要負責 TOF 像素和 TOF 系統研發, 英飛凌主要負責半導體工藝、產 品研發和產生。目前，雙方已合作推出多款 REAL3 系列 ToF 圖像傳感器，最新 款第四代 REAL3 圖像傳感器型號為 IRS2771C，晶片面積僅為 4.6mm×5mm，接 近 HVGA（15 萬像素）的解析度。

意法半導體（STM）是全球知名半導體公司，目前已推出了三代 TOF 相關 產品，VL6180、VL53L0X 和 VL53L1X。自蘋果 iPhone 7 發布以來，公司一直為 蘋果提供定製款 TOF 距離傳感器（Proximity Sensor）。此外在 iPhone X 中， 意法半導體還導入近紅外攝像頭圖像傳感器等組件。

華為 Mate 30 Pro 採用的是 Sony 的方案，另外前後兩顆 TOF 攝像頭的模 組廠商主要有歐菲光和舜宇光學、鏡頭供應商主要為大立光和舜宇光學， Diffuser 由美國廠商 Viavi 和國內舜宇光學供應，VCSEL 由 Lumentum、縱慧 等供應。

3.2.發射端——泛光照明器（Flood Illuminator）

3.2.1.VCSEL

VCSEL 雷射器具有調製響應快、光束質量好、效率高、可集成等優點，應 用領域十分廣泛，包括消費電子、光通信、工業照明、環境監測、醫療設備等。 智慧型手機中用到 VCSEL 的地方很多，包括前置的 3D 結構光泛光照明器、TOF 距 離傳感器、點陣投影儀和後置的 IR 自動聚焦、TOF 泛光照明器。2017 年隨著 3D 感測功能的增加，iPhone X 中 VCSEL 的成本從 0.1 美元大幅增加至 4-5 美 元，預計未來隨著成本的下降，搭載前置3D結構光和後置TOF的iPhone中VCSEL 成本約為 2 美元。

據 Yole 報告，2018 年全球各領域 VCSEL 的市場規模達 7.38 億美元，其中 消費電子領域達到5.53億美元，預計2024年整個市場規模將達37.75億美元， 年複合增長率高達 31%，其中消費電子領域市場規模佔比 90%。

VCSEL 是化合物半導體雷射器，因此對應化合物半導體產業鏈，包括晶圓、 外延片（EPI）、 IC 設計、晶圓代工和封測等環節。

VCSEL 雷射器由工業級應用轉向消費級後，難點在於保持性能的情況下實 現小型化。全球能夠生產工業級 VCSEL 的 IDM 廠商有 Lumentum、Finisar（被 美國 II-VI 收購）、Philips Photonics（被德國通快收購）和 Princeton Optronics（被 AMS 收購）等。iPhone 的點陣投影儀和泛光照明器中的 VCSEL均來自 Lumentum，安卓的 3D 結構光產品中的 VCSEL 主要來自 Princeton Optronics（AMS），其次還有 Philips Photonics（通快）。

國內布局 VCSEL 晶片及器件的企業超過 10 家，其中產品技術較為成熟的 主要有：武漢光迅科技、江蘇華芯半導體、華工科技、三安光電和乾照廣電等。 數據通信行業應用的 VCSEL 常採用 3 英寸或 4 英寸晶圓製造工藝，國內企業在 這一尺寸上已經有較為成熟的生產線。難點在於光通信用 VCSEL 的壽命要求至 少在 4000 小時以上，因此需要穩定性驗證，驗證周期在半年到一年之間，因 此企業導入需要較長時間。消費電子應用的 VCSEL 需要 6 英寸晶圓製造工藝， 國內的 6 英寸晶圓外延片的關鍵工藝仍有待解決，因此生產線整體良率偏低。 三安光電具備 6 英寸 GaAs 和 2 英寸／ 4 英寸 InP 化合物半導體代工能力，目 前公司用於通信領域的 10Gbps VCSEL 晶片和用於消費電子的 940nm VCSEL 芯 片都已經研發成功。乾照光電是國內紅黃光 LED 晶片龍頭廠商，由於紅黃光 LED 和 VCSEL 同屬 GaAs（砷化鎵）材料體系，憑藉在砷化鎵光電器件領域的多 年積累，公司在 2018 年正式投入 15.97 億建設 VCSEL、高端 LED 晶片等高端半 導體項目，並成立合資子公司乾照雷射。目前公司已建成包括 3D 感測 VCSEL 外延生長、晶片流片、點測分選和可靠性驗證等完整一站式 VCSEL 產線。結構 光應用方面，公司已配合數家客戶進行隨機列陣定製，並已為部分客戶小批量 供貨；TOF 應用方面，公司內部已開發的產品波長覆蓋 940nm 和 850nm，功率 覆蓋單孔的 5mW 到高功率的 8W 均勻列陣，且公司已收到部分客戶對下一代 TOF 方案的需求，並於 2019 年 Q4 正式立項。

據前瞻產業研究院數據，上遊 GaAs 晶圓 2018 全球市場規模達 4.59 億 美元，日本住友電工、德國弗萊貝格化合物材料、美國晶體技術（AXT）三 家公司佔據約 95％市場份額。VCSEL 雷射器應用對 GaAs 晶圓的規格要求非 常高，並且還在不斷升級，國外廠商將至少保持 3 年-5 年的技術優勢。國內 GaAs 晶圓供應商主要有先導材料（Vital Materials），目前在 LED 應用領域 搶佔了部分市場份額。

據前瞻產業研究院數據，2018 年上遊 GaAs 外延片全球市場規模達到 11 億美元。GaAs 外延片在射頻應用領域則採用外延生產外包的模式，基本由英 國 IQE、臺灣 VPEC（全新光電）、日本住友化學和臺灣英特磊（IntelliEPI） 四家公司壟斷。其中 IQE 是 iPhone 中 VCSEL 外延片的唯一供應商。2018 年IQE 在全球 EPI 外延片市場的份額達到 60%，對應 VCSEL 應用領域的市場份 額更是高達 80%。臺灣廠商全新光電有望成為蘋果的第二家供應商，公司在 EPI外延片領域已經積累了15年，目前已經送樣 VCSEL 外延片至蘋果公司。 國內 GaAs 外延片廠商主要集中在 LED 應用領域，該應用領域主要採用的是 IDM 的生產方式，如三安光電、乾照光電等。

據前瞻產業研究院數據，2018 年全球 GaAs 晶圓代工市場規模達到 56.74 億美元，臺灣穩懋佔據市場絕對領先優勢。根據 Strategy Analytics 報告， 2018 年穩懋在全球砷化鎵晶圓代工市場份額達 71.1%；其次是宏捷與環宇，市 場份額分別為 8.7%和 8.4%。國內涉及 GaAs 代工的廠商為數不多，主要有三安 光電、海特高新等公司。三安光電是國產化合物半導體領域的龍頭企業，目前 已建成國內首條 6 英寸 GaAs、GaN 外延晶片產線並投入量產。

3.2.2.Diffuser（擴散器）

Diffuser（擴散器）是 Beam shaper（波束成形器）的一種，能夠對輸 入光束進行均一化，同時對輸出強度分布和光在空間中的分布方式進行整形。 華為 Mate 30 Pro 前後兩顆 TOF 攝像頭的 Diffuser 由美國廠商 Viavi 和國 內舜宇光學供應。 VIAVI 2018 年通過收購 PRC，獲得工程擴散器 （Engineered-diffuser）技術。其他廠商還包括 Finisar、Himax 等。

3.3.接收端——近紅外攝像頭（NIR Camera）

3.3.1.傳感器晶片

ToF 接收端的傳感器晶片仍是以 Sony 為主，Sony 和三星作為圖像傳感 器晶片的龍頭公司，在 TOF 市場也積累深厚，未來將成為市場的主要領導。 國內主要由被韋爾股份收購的豪威科技，目前在 TOF 領域還沒有明顯動作。

3.3.2.光學鏡頭

手機鏡頭領域，臺灣大立光公司遙遙領先，2017 年佔據全球市場 38% 的 份額，其次是國內公司舜宇光學，佔據 17%的市場份額。華為 Mate 30 Pro 前後兩顆 TOF 攝像頭的鏡頭供應商主要為大立光和舜宇光學，看好 TOF 市場 爆發對舜宇光學業績的拉動。

3.3.3.窄帶濾光片

窄帶濾光片的薄膜一般由低折射率和高折射率的兩種膜組成，疊加後層 數達幾十層，每一層薄膜的參數漂移都可能影響最終性能。而且窄帶濾光片 透過率對薄膜的損耗非常敏感，所以製備峰值透過率很高、半帶寬又很窄的 濾光片非常困難。目前全球供應商僅有美國公司 Viavi 和國內水晶光電，水 晶光電給 Viavi 提供代工服務。iPhone 的 3D 結構光模組中 Viavi 在後期將 部分訂單釋放給水晶光電以減少生產費用，TOF 模組中也有望延續。此外， 在安卓端，水晶光電有望成為三星和華為的窄帶濾光片的直接供貨商，毛利 率將進一步提高。

3.4. 模組廠商

攝像頭模組環節，市場集中度相對較低。按照營收規模,韓國 LG、Semco （三星電機）、臺灣富士康以及大陸地區的舜宇光學、歐菲光領先，合計市 場份額超過 50%，立景光電（立訊精密子公司）以及丘鈦科技緊隨其後。華 為 Mate 30 Pro 後置 TOF 攝像頭的模組廠商主要有歐菲光和舜宇光學，前置 TOF 攝像頭的模組廠商主要有歐菲光、舜宇光學、立景光電和丘鈦科技。據 韓國媒體 The Elec 報導，舜宇光學為三星 Galaxy S10 5G、三星 Galaxy Note 10+ 5G 和三星 A80 三款機型供應 TOF 模組，未來將為 Galaxy S11 繼續提供 TOF 模組，成為韓國公司 Namuga 和 Partron 之外的主要供應商。該媒體還表 示 2020 年 iPad 和 iPhone 中的 TOF 模組仍將由 LG Innotek 供應，我們認為 歐菲光作為全球出貨量規模最大的攝像頭模組公司，在 TOF 領域也積累了許 多技術，未來有望成為蘋果 TOF 模組的第二大供應商。

4.A 股推薦標的

國內廠商相對來說在接收端優勢更明顯，包括模組、窄帶濾光片和鏡頭等 環節。看好手機攝像頭模組龍頭廠商歐菲光，謹慎看好窄帶濾光片龍頭廠商水 晶光電，建議關注國內鏡頭領先廠商聯創電子。

4.1.歐菲光

4.2.水晶光電

4.3.聯創電子

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（報告來源：東方財富）

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