实际上,3D视觉技术目前已经在工业和医疗领域取得成功。根据Yole的报告,2016年全球3D视觉市场规模约为13亿美元,约60%为工业级市场。但是由于成本较高,市场空间有限,应用定制化强,并未大规模普及,在工业市场主要用于机器视觉检测等领域,在医疗市场主要用于机器人辅助手术等领域。
3D视觉产品也有在消费级市场进行尝试,如微软Kinect游戏配件、英特尔Realsense体感配件,但是整体而言,由于缺乏较佳的应用场景,同时技术还不够成熟,导致目前消费级3D视觉市场并未激活。
2017年可以说是3D视觉元年,预计2018年开始进入爆发增长。我们认为在苹果的带动之下,3D视觉将打开消费级市场,随后行业将进入加速趋势,预计2018年在移动和计算领域将会有大量3D成像和传感产品面市,特别是人脸识别、体感交互将成为3D视觉获得突破的关键应用,同时AR也是极有潜力的应用领域,无人机和机器人市场也将受益于3D视觉的崛起。
根据Yole的报告,预计2022年全球3D视觉市场规模将达到90亿美元,从2017年到2022年的复合年均增速将达到38.05%,增长的动力主要来自于消费级市场的放量,预计2022年消费级3D视觉市场规模将达到60亿美元。
根据市场研究公司Allied
Market
Research发布的《全球3D相机市场——规模、行业分析、趋势、机遇、成长和预测》报告,可生成3D内容的成像技术,如相机、扫描仪、智能手机等的市场预计到2020年将达到76亿美元的销售,市场的增长将主要被智能手机拉动。预计到2020年,在地区方面,亚太市场份额约35%,高于北美地区的30%;在技术方案方面,预计双目立体视觉份额约40%,TOF份额33%,结构光份额27%;在产品方面,智能手机+平板+PC的市场份额约为60%,专业市场约为30%。
预计2020年移动端3D视觉将达到百亿美元市场规模如果只考虑智能手机端3D视觉市场的话,根据权威机构IDC的预测,2017-2020年全球智能手机出货量分别为15.2、15.8、16.5、17.0亿部,其中苹果手机出货量预计分别为2.24、2.35、2.46、2.58亿部,其余为安卓手机。
在苹果手机方面,根据IHS的预测,2017年iPhone
8销量预计为4500万部左右(另外两款iPhone 7S/7S Plus合计销量为4000-5000万部),目前已知信息iPhone
8将配备前置3D摄像头,因此2017年苹果手机前置3D视觉渗透率约为20%,我们预计到2020年苹果手机都将配有前置3D视觉;在后置3D视觉方面,预计从2018年的苹果手机开始装配,到2020年渗透率有望达到70%。
根据台湾供应链和科技时报的信息,预计大规模量产之后,2017年前置结构光3D摄像头硬件成本在15美元左右,随着3D摄像头的普及,规模效应将逐渐显现,预计到2020年硬件成本变为8美元左右;后置TOF时间光3D摄像头由于在硬件方面比结构光方面简单,因此成本略低,预计2017年成本约为11美元,预计到2020年硬件成本将变为6美元左右。
经过我们的计算,2020年全球智能手机端3D视觉硬件市场规模将到达99.25亿美元,其中苹果手机为31.48亿美元,安卓手机为67.77亿美元;前置结构光3D视觉市场规模为66.78亿美元,后置时间光3D视觉市场规模为32.47亿美元。
无论是结构光方案,还是TOF方案,主要的硬件包括四部分:TX红外发射部分、RX红外接收部分、可见光摄像头、3D图像处理芯片。与TOF不同的地方在于,结构光方案需要在发射端添加晶圆级光学透镜(WLO)与衍射光栅(DOE)。
根据我们前文的分析,苹果在新一代iPhone 8中采用的3D视觉方案明确将为前置结构光方案,随后几年有可能逐渐加入后置TOF方案,因此,我们将重点分析移动端3D视觉结构光方案。
目前智能手机普遍至少配有两颗可见光摄像头(一颗前置、一颗后置),所以智能手机搭载3D视觉之后,并不需要额外增加可见光摄像头,直接利用手机上已有的摄像头即可。因此,3D视觉并未给可见光摄像头带来新的增量,增量在于TX发射端、RX接收端、3D图像处理芯片和系统模组组装四个方面。
由于目前移动端3D视觉还未大规模量产,相应器件的成本高,根据产业链信息(如旭日大数据、手机报等),随着苹果即将大规模应用3D视觉,相应器件的成本有望受益于规模效应而进入合理价格区间。
预计2017年苹果采用的移动端3D视觉结构光产品的成本约为15美元,其中,3D图像芯片3美元左右,TX发射端约7美元,RX发射端约3美元,系统模组组装2美元左右。
整个3D视觉结构光方案产业链汇总如下:
(一)整体技术方案
在整体技术方案方面,苹果自收购结构光先驱Primesense之后,便不再对外输出技术,基于Primesense在3D视觉方面的积累,近年来致力于实现小型化、低功耗、精度更高的3D视觉产品。
目前全球范围内掌握结构光核心技术(特别是核心算法方案)的公司不多,除了Primesense之外,还有英特尔、以色列Mantis Vision(欧菲光2015年投资500万美元,2016年形成战略合作)等少数几家公司。
国内方面,目前致力于3D视觉结构光方案的初创型公司包括图漾科技、奥比中光、华捷艾米等,具体产品的技术水平还有待市场检验。
(二)3D视觉图像处理芯片
Primesense拥有自行设计3D图像处理芯片的能力,并且已经成功应用到Kinect1代结构光方案中,因此,我们判断苹果3D视觉结构光方案将继续采用Primesense的芯片方案。
该芯片具有较高的技术壁垒,尤其是算法层面的要求较高,需要根据3D视觉方案处理深度信息,目前全球范围内可以提供该类产品的公司为少数几家芯片巨头,包括意法半导体、德州仪器、英飞凌等。国内方面还未见相关产品和供应商。
(三)TX红外发射部分
(1)VCSEL红外光源
根据Lumentum在17年二季度的财报会议,其消费级VCSEL产品订单从上季度的500万美元大幅跃升至2亿美元,根据美国和台湾产业链(如BI、科技时报等)的信息,订单主要来自于苹果公司。我们判断Lumentum将为苹果新一代iPhone8提供3D相机中的VCSEL器件,而是将是主力供应商。除了Lumentum之外,II-VI公司也在苹果供应链之列,同时菲尼萨也有望加入。
由于VCSEL具有非常高的技术壁垒,其器件的功耗、响应速度、稳定性都存在很高的设计难度,因此,目前全球范围内具有VCSEL设计能力的公司主要为欧美光通信器件巨头。
国内方面光迅科技、华芯半导体具备中低端VCSEL的设计能力,长春光机所在VCSEL技术研发方面有一定竞争力。但是整体而言,国内公司与海外巨头相比差距较大。
在VCSEL制造与代工方面,由于VCSEL主要材料为GaAs(掺杂In、Al等),在工艺方面与化合物半导体类似,国外目前主要的供应商为台湾宏捷科、稳懋,其中Lumentum的代工合作方为稳懋。国内方面三安光电正积极布局化合物晶圆制造,我们认为其未来有望切入VCSEL代工领域。
(2)DOE衍射光栅
在苹果公司方面,根据台湾产业链(中时电子报和Digitimes等)的信息,苹果3D视觉结构光用DOE将由Primesense自行设计、台积电提供pattern加工、精材提供器件封装、采钰提供ITO材料。
目前具有先进DOE设计与制造的公司不多,全球范围内主要供应商有德国CDA、法国Silios、德国Holoeye等,特别是在移动端微小型器件方面还未见相关产品。
根据台湾科技媒体中时电子报的分析,高通目前正积极研发3D视觉结构光方案,在DOE和WLO方面,将采用Himax奇景光电的方案。国内方面,目前未见具有移动端DOE设计与加工能力的公司。
(3)WLO晶圆级光学透镜
为了将3D视觉产品应用到移动端消费电子产品上,采用WLO工艺制造的晶圆级光学元件(如扩束元件、准直元件、投射透镜等)对于压缩发射端体积非常重要。
在苹果3D视觉结构光方案中,根据美国产业链(TechCrunch等)的信息,Heptagon(已被AMS奥地利微电子收购)将提供TX发射端WLO晶圆级光学透镜,并且Heptagon已经在WLO设计领域积累了众多专利,技术实力强。此外来自台湾的Himax奇景光电也是未来潜在供应商。
国内方面,半导体封测厂华天科技和晶方科技在WLO方面布局较早,主要提供WLO后段加工技术,特别是华天科技具备成熟的加工能力。
(四)RX红外接收部分
(1)红外CMOS芯片
由于目前3D视觉刚刚起步,不同厂商采用的图像识别方案不同,对红外CMOS的要求(如分辨率、响应速度等)不同,因此在3D视觉方案中所需的红外CMOS需要特制。目前,红外CMOS传感器供应商主要包括意法半导体、奇景光电、三星电子、富士通、东芝等公司。
根据Yole的分析,意法半导体已经开发出了可能用于iPhone 8的3D成像红外传感器,将于17年下半年开始大规模为苹果提供红外CMOS图像传感器。该芯片将由意法半导体设计、台积电代工、同欣电提供晶圆重组(RW)。
国内方面,目前涉足红外CMOS传感器的公司不多,思比科公司布局较早,可提供200万、500万高红外灵敏度专用CMOS图像传感器,技术比较成熟。
(2)近红外窄带干涉滤色片
在3D视觉产品中,为了减少环境可见光线的干扰,普遍采用窄带干涉滤色片。目前近红外窄带滤色片主要采用干涉原理,需要几十层光学镀膜构成,具有更高的技术难度,因而比传统截止型滤色片的价值高。
根据美国《巴伦周刊》的报道,VIAVI公司将为苹果新一代iPhone 8提供近红外窄带干涉滤色片,双方已签署订单意向协议,苹果将向VIAVI采购1.5亿颗光学滤光片用于Iphone系列的3D视觉。
目前国际上除了VIAVI之外,近红外窄带干涉滤色片的供应商还有布勒莱宝光学(Buhler)、美题隆精密光学(Materion)、波长科技(Wavelength)等公司。
国内方面,水晶光电在滤色片领域技术实力强,具有国际竞争力,是全球范围内滤色片的重要供应商之一。
(3)红外摄像头用光学镜头
2017年6月,苹果相机镜头核心供应商大立光称,将在17下半年大量出货3D相机用镜头,我们判断将主要用于苹果新一代iPhone 8用3D视觉产品中。
红外摄像头对光学镜头的要求不如可见光摄像头的要求高,对光线的通光量、畸变矫正等指标容忍度高,目前3D视觉产品多采用成熟的普通镜头,国外供应商包括大立光、玉晶光电、关东辰美等,国内方面舜宇光学、联创电子、旭业、川禾田等公司均可提供。
(五)可见光摄像头
目前智能手机普遍至少配有两颗可见光摄像头(一颗前置、一颗后置),所以智能手机搭载3D视觉之后,并不需要额外增加可见光摄像头,直接利用手机上已有的摄像头即可,因此,3D视觉并未给可见光摄像头带来新的增量。
(六)3D系统模组制造与组装
由于3D视觉方案涉及较多的硬件部分,需要红外发射端、红外接收摄像头、可见光摄像头、图像处理芯片四大部分的协同合作,红外光的发射与接收之间的匹配对整个3D视觉方案的准确度和响应速度至关重要,因此整个系统模组的封装和集成是非常关键的。
根据台湾科技时报的报道,苹果3D视觉模组的组装(包括TX发射端组装、RX接收端组装、系统组装)将由富士康(系统组装与RX模组组装)、LG Innotek(TX发射端模组组装)、Sharp(RX接收端模组组装)等几家公司负责。
在联想Phab2 Pro手机中,3D深度相机的模组封装与集成由舜宇光学完成。国内方面,除了舜宇光学之外,欧菲光、丘钛科技等摄像头模组公司也具有较强的组装能力。