國盛證券:一文詳解ToF產業鏈(附下載)

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來源:國盛證券研究所

3D sensing成趨勢,ToF應用前景廣闊,為移動端搭載3D sensing的主要選擇。3D sensing是智能手機創新的趨勢之一,當前正加速向中低端手機滲透。目前實現3D sensing共有三種技術,分別為雙目立體成像、結構光和ToF,目前已經比較成熟的方案是結構光和TOF。其中結構光方案最為成熟,已經大規模應用于工業3D視覺,TOF則憑借自身優勢成為在移動端較被看好的方案。ToF技術具備抗干擾性強、FPS刷新率更高的特性,因此在動態場景中能有較好表現。另外ToF技術深度信息計算量小,對應的CPU/ASIC計算量也低,因此對算法的要求更低。

下一波創新性革命,TOF市場空間巨大。隨著增強現實內容市場的蓬勃發展,內容廠商不斷推動AR/VR開發平臺的發展,必然會推動TOF產業的發展。TOF有望接力結構光,從生物感知到虛擬現實,從人臉識別到3D建模,帶來產業端升級和用戶體驗優化,前置人臉識別+后置虛擬現實功能可能成為手機的下一個形態。伴隨AR/VR的發展,ToF有望成為智能手機攝像頭的下一個風口。根據Yole的預測數據也顯示,全球3D成像和傳感器的市場規模在2016–2022年的CAGR為38%,其中,消費電子是增速最快的應用場,2016–2022年的CAGR高達160%,到2022年消費電子市場規模將超過60億美元。從出貨量上來看,我們預測智能手機3D感測需求將從2017年的4000萬部增加至2019年的2億部以上,其中2019年的ToF機型還主要集中在幾款高端旗艦機,從2020年開始TOF的出貨量將進一步爆發,安卓陣營明年TOF的出貨量有望達到1~2億部,在整體3D感應中占比有望達到40%。

ToF讓3D建模“飛向尋常百姓家”。隨著體感交互、3D識別與感知、環境感知以及AR地圖構建等技術與應用的發展,市場對 3D視覺與識別技術的興趣日益濃厚,ToF的使用進一步豐富了3D建模技術的應用場景。包括拍照虛化、體感游戲、測距、購物等新應用。ToF技術的應用亦是AR、VR時代的催化劑。考慮到ToF的兩個獨特的優點——作用距離長、刷新率高,存在遠距離3D 測距需求的AR/VR是最能體現 TOF 優勢的功能之一。

涉及到哪些供應鏈?通過對已經上市的主流3D攝像頭產品進行拆解分析,3D攝像頭產業鏈可以被分為: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;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;下游:終端廠商以及應用。建議重點關注:韋爾股份、水晶光電、聯創電子、立訊精密、歐菲光、歌爾股份、晶方科技、蘇大維格。港股:舜宇光學、瑞聲科技、丘鈦科技。

一、3D sensing成趨勢,ToF應用前景廣闊

1.1 ToF為移動端搭載3D sensing的主要選擇

3D sensing是智能手機創新的趨勢之一,當前正加速向中低端手機滲透。目前實現3D sensing共有三種技術,分別為雙目立體成像、結構光和ToF,目前已經比較成熟的方案是結構光和TOF。其中結構光方案最為成熟,已經大規模應用于工業3D視覺,TOF則憑借自身優勢成為在移動端較被看好的方案。

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3D結構光最早應用于蘋果旗艦iPhone X,結構光原理為通過近紅外激光器向物體投射具有一定結構特征的光線,再由專門的紅外攝像頭進行采集獲取物體的三維結構,再通過運算對信息進行深入處理成像。該技術目前共有編碼結構光和散斑結構光兩種實現類別。結構光技術僅需一次成像就可得到深度信息,具備低能耗、高成像分辨率的優勢,能夠在安全性上實現較高保證,因此被廣泛應用于人臉識別和人臉支付等場景。但結構光技術識別距離較短,大約在0.2米到1.2米之間,這將其應用局限在了手機前置攝像,主要用于3D人臉識別屏幕解鎖、人臉支付及3D建模等。

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ToF(Time of Flight)技術是2018年才被應用到手機攝像頭的3D成像技術,其通過向目標發射連續的特定波長的紅外光線脈沖,再由特定傳感器接收待測物體傳回的光信號,計算光線往返的飛行時間或相位差,從而獲取目標物體的深度信息。ToF鏡頭主要由發光單元、光學鏡片及圖像傳感器構成。其識別距離可達到0.4米到5米,因此已有品牌,如OPPO、華為等,將其應用于手機后置攝像。ToF技術具備抗干擾性強、FPS刷新率更高的特性,因此在動態場景中能有較好表現。另外ToF技術深度信息計算量小,對應的CPU/ASIC計算量也低,因此對算法的要求更低。但相對于結構光技術,ToF技術的缺點在于其3D成像精度和深度圖分辨率相對較低,功耗較高。

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雙目立體成像原理較為簡單,即利用雙攝像頭拍攝物體,再通過三角形原理計算物體距離,合成立體圖像。其具有高3D成像分辨率、高精度、高抗強光干擾的優勢,同時能保持較低成本水平。但由于需要通過大量的CPU/ASIC演算取得它的深度和幅度信息,其算法極為復雜較難實現,同時該技術易受環境因素干擾,對環境光照強度比較敏感,且比較依賴圖像本身的特征,因而拍攝暗光場景時表現差。由于以上原因,雙目立體成像技術在手機上較少應用。

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結構光技術和ToF各有優勢,在移動端的應用上具有互補的特性,但不可否認的是,ToF的多場景應用呈現出了更為廣闊的發展前景。iPhone X對3D結構光的應用帶動了這項技術的發展和滲透,目前相較于ToF,結構光技術在應用上更為成熟,出貨量上明顯占優。而且結構光的掃描效果更為真實,具備更強的3D還原能力。但遺憾的是,作用距離的劣勢限制了其應用。ToF技術彌補了距離上的缺陷,由于能夠支持更遠的作用距離,ToF技術可以被應用于包含3D人臉識別、3D建模以及手勢識別、體感游戲、AR/VR在內的更多場景中,從而為智能手機更娛樂性和實用性的體驗。此外,相比結構光技術,ToF的模組復雜度低,堆疊簡單,可以做到非常小巧且堅固耐用,在屏占比不斷提高的外觀趨勢下,更得到手機廠商的青睞。

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1.2 ToF讓3D建模“飛向尋常百姓家”

我們生活在一個三維的空間,對周圍物體及環境的大部分經驗來自于對深度信息的感知。對于人們來說,立體化的3D視覺比2D圖片的形式要生動、沉浸許多,這也是人們所追求的直觀體驗。為解決這一需求痛點,3D建模技術應運而生并迅速發展。3D建模即通過相機等設備對物體進行采集照片,獲取周圍環境物體三維尺寸和深度信息,經計算機進行圖形圖像處理以及三維計算,從而全自動生成被拍攝物體的三維模型的技術。曾經主流的3D建模實現都十分昂貴,而當3D鏡頭技術和傳統的鏡頭結合起來,意味著在移動端即可實現3D建模,ToF技術正推動著3D建模應用 “飛入尋常百姓家”。

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隨著體感交互、3D識別與感知、環境感知以及AR地圖構建等技術與應用的發展,市場對 3D視覺與識別技術的興趣日益濃厚,ToF的使用進一步豐富了3D建模技術的應用場景。

拍照虛化。ToF具備更好的景深采集功能,加入智能手機后攝模組后,能夠實現快速、遠距離獲取更高精度的景深信息,從而完成較結構光更大范圍的3D建模,而且由于自帶紅外光源,其在暗光環境下獲得的景深信息同樣準確。因此,有TOF攝像頭參與的成像在虛化效果上會更加真實,富有層次,從而能夠帶來更好人像模式體驗。

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體感游戲。通過TOF技術能夠采集到被拍攝人的身體深度信息,捕捉和采集身體的動作,進行手勢判定,控制預制的3D建模人偶的形象和動作,實現真人和3D虛擬形象跟隨,,用身體、動作和手勢做游戲交互。

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ToF助力消費級AR普及。ToF技術的應用亦是AR、VR時代的催化劑。考慮到ToF的兩個獨特的優點——作用距離長、刷新率高,存在遠距離3D 測距需求的AR/VR是最能體現 TOF 優勢的功能之一。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,游戲控制器的優勢在于控制反饋及時、組合狀態多。

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,游戲控制器的優勢在于控制反饋及時、組合狀態多。以HoloLens為例,就擁有一組四個環境感知攝像頭和一個深度攝像頭,環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境的三維重構。

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HoloLens相比以往任何設備的強大之處,在于其能夠實現對現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境感知攝像頭和一個深度攝像頭,環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、實現手勢識別。

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下一波創新性革命,AR應用前景巨大。外觀系列創新之后,下一波移動終端創新將圍繞AR進行革命性創新。光學領域TOF有望接力結構光,從生物感知到虛擬現實,從人臉識別到3D建模,帶來產業端升級和用戶體驗優化,前置人臉識別+后置虛擬現實功能可能成為手機的下一個形態。手機實現虛擬現實同樣需要使用3D攝像頭模組,進一步推動光學產業鏈的升級。

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二、下一波創新性革命,TOF市場空間巨大

下一波移動終端創新將圍繞AR進行革命性創新。隨著增強現實內容市場的蓬勃發展,內容廠商不斷推動AR/VR開發平臺的發展,必然會推動TOF產業的發展。TOF有望接力結構光,從生物感知到虛擬現實,從人臉識別到3D建模,帶來產業端升級和用戶體驗優化,前置人臉識別+后置虛擬現實功能可能成為手機的下一個形態。伴隨AR/VR的發展,ToF有望成為智能手機攝像頭的下一個風口。

我們看到2019年3D感測手機大多集中在高端機等旗艦機型,結構光以蘋果為代表,自iPhoneX后的機型都已經搭載結構光功能,而華為搭載TOF的機型數量最多。根據Yole的預測數據也顯示,全球3D成像和傳感器的市場規模在2016–2022年的CAGR為38%,2017年市場規模18.3億美元,2022年將超過90億美元。其中,消費電子是增速最快的應用場,2016–2022年的CAGR高達160%,到2022年消費電子市場規模將超過60億美元。

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從出貨量上來看,我們預測智能手機3D感測需求將從2017年的4000萬部增加至2019年的2億部以上,其中2019年的ToF機型還主要集中在幾款高端旗艦機,從2020年開始TOF的出貨量將進一步爆發,在整體3D感應中占比有望達到40%。

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我們預測2019/2020年TOF的出貨量為7760萬/2.1億部,同比大幅增長747%/166%。

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三、BOM比較:TOF或更具成本優勢

我們預計ToF和結構光的BOM成本大約為12~15美元和20美元,相比之下TOF更具有成本優勢。以iPhone X為例,結構光技術的解決方案包括三個子模塊(點投影儀,近紅外攝像機和泛光照明器+接近傳感器),而ToF解決方案則將三個集成到一個模塊中,可以將包裝成本降低。

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我們預計在這個TOF模組中,芯片的成本仍占主要的部分,大約占到整體BOM的28%~30%。

四、深度解析3D Sensing攝像頭產業鏈

目前TOF或結構光的3D感知技術均為主動感知,因此3D攝像頭產業鏈與傳統攝像頭產業鏈相比主要新增加紅外光源、紅外傳感器和光學組件等部分。通過對已經上市的主流3D攝像頭產品進行拆解分析,3D攝像頭產業鏈可以被分為:

  • 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。

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TOF和結構光二者雖然原理不同,但其所需要的核心部件基本相同,TOF中的核心部件包括發射端的VCSEL光源、Diffuser等,接收端的鏡頭、窄帶濾光片、近紅外CMOS等。

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4.1? VCSEL:垂直發射光源,國內廠商逐步突破

VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,垂直腔表面發射激光器)是一種垂直于襯底面射出激光的半導體激光器。由上下兩個DBR反射鏡和有源區這三部分組成。VCSEL單價貴于LED、LD,可通過大規模量產降低成本。VCSEL的垂直結構更適合使用晶圓級制造和封測,并且規模量產之后具有成本優勢。

VCSEL具有效率高、功耗低、傳輸速率快、制造成本低等優良特點,逐漸替代了LED成為主流選擇。發射光源包括兩種,一種是邊發射的(如LD),一種是垂直的(如VCSEL),前者一般波長較長,用于信息傳輸;后者可以通過壓縮垂直腔體的容積用于體積較小的應用中,更適合作為3D感知的發光源。早期3D感知經常使用LED作為光源,但紅外LED的響應速度較差,掃描結果不夠精準。VCSEL在3D感知領域性能優于LED,逐漸替代了LED成為主流選擇。

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VCSEL主要進入壁壘在于資質認證和量產能力,國內廠商逐步突破。目前VCSEL領域主要廠商為光通訊芯片領域的國外大廠,包括Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics等,其中Lumentum是VCSEL全球領先的供應商,供應國際大客戶新機型3D感知模組的激光源。

TOF 的 VCSEL 并不像結構光那樣對編碼圖案有一定要求,常規的規則排列即可,因此可供選擇的 VCSEL 供應商也會更多。未來VCSEL需求量激增,但VCSEL產業鏈過去被美國和日本少數廠商把控。去年蘋果推出iPhone X后,VCSEL需求持續加大,因此留給國內VCSEL公司很大的成長空間和市場空間。國內的供應商如縱慧、睿熙、華芯等均取得了不小的突破。

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4.2? Diffuser:將光調制成均勻的面光源

Diffuser的主要功能為顯示器提供一個均勻的面光源,材料需選擇光透過率高的材料,將化學顆粒作為散射粒子,光線在經過擴散層時會不斷的穿過,在此同時光線就會發生許多折射、反射與散射的現象,進而形成光學擴散的效果。未來手機3D成像的Diffuser將會更加復雜化與定制化,應用場景更加細分,同時隨著TOF的爆發,產品設計也將持續創新,規模優勢日益凸顯。

4.3 窄帶濾光片:只允許通過特定波長

窄帶濾光片是帶通濾光片的一種,是光譜特性曲線透射帶兩側鄰接截止帶的濾光片,即在特定的波段允許光信號通過,在其他波段則阻止光信號,窄帶濾光片的通帶較窄,一般小于中心波長的5%。目前全球主要的窄帶濾光片主要有兩家,美國的VIAVI和中國的水晶光電。

窄帶濾光片在3D傳感領域需求大,是3D視覺系統中紅外光接受模組的組成部分,位于鏡頭和近紅外圖像傳感器之間。在3D視覺系統中,紅外光源是實現深度測量的關鍵,紅外光源包括紅外LED和激光器(主要是VCSEL(紅外激光發射器),在運作過程中,若VCSEL發射940nm波長的近紅外光,為了接收端的圖像傳感器只接收到這一波長近紅外光,需要通過窄帶濾光片,將其余的環境光剔除。

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水晶光電是國內光學精密薄膜鍍膜龍頭,在窄帶濾光片上具有技術和先發優勢。目前大客戶的窄帶濾光片方案是以水晶與VIAVI合作的方式供應。公司的強項在于鍍膜工藝,預計新的競爭對手需要較長的時間才能切入,護城河較高。水晶有望抓住下游3D sensing需求的放量,憑借技術和先發優勢將充分受益。

4.4? 3D圖像處理芯片:難度較高

3D成像所需的圖像處理芯片的技術難度更高,與一般的圖像處理芯片有所區別,通過算法將IR接收端采集的空間信息和鏡頭成像端采集的色彩信息相結合,進而生成三維圖像。由于芯片的技術壁壘較高,目前供應商僅為幾個芯片巨頭,包括STM、TI、NXP等。

4.5? 成像鏡頭端:產業鏈較為成熟

手機攝像頭對應的產業鏈企業包括圖像傳感器制造商、模組封裝廠商、鏡頭廠商、馬達供應商、濾光片供應商等。由于行業技術壁壘和集中度高,產業鏈的龍頭多為日本、韓國、中國臺灣所壟斷,大陸的廠商主要集中在紅外濾光片和鏡頭模組封裝上,包括舜宇光學、歐菲科技、水晶光電、立訊精密(立景)、丘鈦科技等。

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在CIS市場份額上面,索尼一家獨大,市場份額高達42%,三星居第二位,市場份額達到了18%,豪威排第三,市場份額為12%,隨著手機、汽車、工業等下游應用領域對CIS的需求不斷增加,市場空間有望進一步擴大。Yole Development數據顯示,2016年CMOS圖像傳感器市場規模達到115億美元,相較2015年同比增長約13%,預計2016至2022年全球CMOS圖像傳感器市場復合年均增長率將保持在10.50%左右,2022年將達到約210億美元。出貨量方面,2017年全球CIS出貨量超40億顆,預計2021年全球出貨量將達70億顆。

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在攝像頭模組上面,根據TSR的數據2016和2017年歐菲科技的市場份額為9%和13.3%,舜宇光學的市占率為7.9%和9.5%,丘鈦科技的市占率為5.3%和6.5%。2017年,全球TOP攝像頭模組廠商占據了全球超過50%的市場份額,比2016年增長了13個百分點,集中化趨勢愈加明顯。一方面,產業集中度不斷提高,另外一方面,以光學領域的雙攝、3D攝像頭和柔性顯示為代表的功能性和差異化的創新層出不窮,持續利好自主創新能力強和具有產業整合及規模優勢的龍頭企業。

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2018年,品牌集中度進一步加劇,全球TOP攝像頭模組廠商與二、三線攝像頭模組的出貨量呈現兩極分化,通常情況下,全球TOP攝像頭模組廠商的月出貨量可達35KK,而二、三線攝像頭模組廠商最高出貨量不超過15KK。前三大模組廠商也不斷擴產,以滿足下游需求。

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在鏡頭市場,中國臺灣的大立光占有絕對的龍頭地位,在iPhone中供應了超過50%的鏡頭份額。在中國手機廠商方面,舜宇光學鏡頭的市占率在不斷增加。目前大立光的年產能約為1.5億,遙遙領先于其他廠商。

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風險提示

下游需求不及預期:半導體與下游消費電子、汽車、工控、通信等細分領域需求強相關,存在需求不達預期的風險;

全球供應鏈風險:目前全球半導體分工程度高,核心材料、設備環節集中在歐美、日韓,存在貿易爭端引發的供應鏈風險。

附:

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