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2017年光學模組行業發射端細分領域優勢及現狀分析(圖)
發布時間:2017-10-19 13:18
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         (LDM)是光學模組主要價值增量,主要由激光光源VCSEL(1.5美元)、晶圓級光學鏡頭WLO(1~2美元)、衍射光學元件DOE(2~3美元)組成,其中,WLO中會整進窄帶濾光片(0.1~0.2美元)。今年國際大客戶這塊模組供應商為LG和夏普,LG為主力供應商。整個模組工作原理為:VCSEL發出940mm的、發散的點激光,經過WLO作為準直鏡頭(含窄帶濾光片)轉化為平行束,再經過DOE打出衍射的散斑圖案。
圖:3D 感知接收端模組結構示意圖

         參考觀研網相關發布的《2017-2022年中國光學鏡頭市場運行態勢及行業商機研究報告
         VCSEL:垂直發射光源,海外光通訊大廠優勢明顯

         VCSEL單價貴于LED、LD,可通過大規模量產降低成本。VCSEL全名是垂直共振腔表面放射激光,簡稱面射型激光,激光光束是從磊晶正面發射,光束與表面垂直。預計單機VESCEL的價值量約1.5美元。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性能更優,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,垂直類型的更適合作為3D感知的發光源。早期3D感知經常使用LED作為光源,此外三星的虹膜識別用的是紅外LED。LED光源可以提供大角度散射光,照射范圍比較廣以捕捉消費者的虹膜。但紅外LED的光纖指向性、功耗、響應速度均較差,要捕捉人臉3D感知掃描結果不夠精準。VCSEL在3D感知領域性能優于LED,逐漸替代了LED成為主流選擇。
表:主流近紅外光源對比:VCSEL、發光二極管(LED)、激光二極管(LD)


圖:VCSEL 結構示意圖


圖:三種激光源光形對比

         VCSEL主要進入壁壘在于資質認證和量產能力,海外光通訊大廠龍頭優勢明顯。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,供應今年國際大客戶新機型3D感知模組的激光源。光通訊大廠在技術層面和量產層面完全能夠滿足消費級市場的需求,能夠達到技術要求和量產能力。這些大廠會與晶圓代工廠及下游的封測廠進行合作。臺灣穩懋是全球化合物半導體晶圓代工廠龍頭,已經與多個IDM廠商合作,其中包括Lumentum。代工VECSEL的單價與毛利率高于手機PA,并且可以使用同一套生產設備。
圖:VCSEL產業鏈

         WLO:半導體工藝+光學技術,降低模組厚度

         晶圓級光學元件(WLO)是利用半導體工藝與光學技術生產的鏡頭,有利于快速生產和降低成本。準直鏡頭用于校準VCSEL射出的光束,通過光的折射原理將波瓣較寬的衍射圖案匯聚成窄波瓣的近似平行光,制造方法主要包括傳統光學鏡頭制造方法和WLO。傳統光學器件的生產過程中涉及一系列拋光和研磨的工藝,這種方法不適合大量的微型光學元件生產,同時隨著手機輕薄化,鏡頭尺寸不斷變小。WLO取代傳統光學鏡頭大大減小了攝像頭模組的厚度,并省卻了模組對焦的供需WLO工藝是結合半導體加工工藝,在8寸的白玻璃上批量制成光學鏡頭。由WLO構成的晶圓級攝像頭模組(WLM),高度從傳統的3~5mm降至2~2.5mm,同時節省30%至50%的成本。

         涉及半導體工藝,設備投入大、技術難度大。晶圓級工藝初始設備投入較大,但一旦上產能可以進行大規模的微鏡頭生產。這個流程下來包括1、將液態聚合物滴在鏡片上用模具塑形;2、UV照射固化;3、模具與晶片分離;4、反面重復一遍,兩側高精度校對;5、綁定;6、檢測、7切割。最后再在PCB板上進行整合發光器件。
表:WLC與傳統攝像頭模組對比


圖:WLO 工藝流程


圖:Heptagon的WLO鏡頭模組4P結構


圖:晶圓級相機模組結構

         晶圓級攝像頭長期看有可能對原有產業鏈進沖擊,改變上下游利益分配方式。短期內,晶圓級攝像頭像素低,僅2M像素的晶圓級鏡頭良率也不夠。奇景光電官網列示產品晶圓級光學元件像素范圍在1.2MP以內。如果未來像素能提升,將有望改變產業鏈。晶圓級制造需要整合圖像傳感器廠、鏡頭廠、模組廠和半導體代工廠、封測廠,準入門檻高。圖像傳感器廠往往具備半導體設計工藝,與代工廠和封測廠具有合作,因而切入這塊比較容易,這些廠商可以繞開原有的鏡頭廠、模組廠和部分零件廠,自行發展新工藝。諸如Heptagon(被奧地利微電子AMS收購)、Aptina(被安森美半導體收購)、奇景光電、采鈺科技,均有布局圖像傳感器芯片。此外,還有一種可能不具備圖像傳感器能力的鏡頭廠與圖像傳感器廠、半導體廠合作,通過合資或授權的方式進入該領域。
圖:圖像傳感器廠商整合產業鏈


圖:鏡頭廠從具有技術專利的廠商獲得授權

         Heptagon是晶圓級光學元件的領導廠商,布局3D攝像頭具有先發優勢。目前掌握晶圓級光學工藝的廠商較少,Heptagon是市場領導者,2002年開始推出晶圓級光學元件,2013年累計出貨量達10億個,利用先進的晶圓技術大量制造微型光學系統,降低平均成本,實現規模經濟。2015年開始布局3D攝像頭,并且掌握該領域主要專利,其晶圓級光學器件制造流程一次可以生產4000~5000組件,每周產量上百萬。今年國際大客戶新機型采用Heptagon的WLO,預計單價1~2美元。

         國內水晶光電通過Heptagon認證,向其銷售紅外截止濾光片,并且長期與其保持合作關系。華天科技具備晶圓級光學元器件+TSV封裝技術實力。晶方科技也掌握晶圓級封裝技術。瑞聲科技具有20KK的WLO年設計產能。

         DOE:制作工藝難,用于打出衍射光斑

         衍射光學元件(DOE)是將點光源轉換成散斑圖案的光學元件。DOE利用計算機設計,結合半導體工藝,在基片刻蝕出高低不平、深淺不一的具有特定浮雕結構的純相位衍射光學元件。DOE具有輕薄體積小、衍射效率高、設計自由度高、產品穩定性和一致性好等優點。根據應用場景不同,DOE分為光柵、分束器,光束整形器、多焦點激光透鏡、渦鏡頭等種類。單價約2~3美元。
圖:鋸齒狀衍射光學元件


圖:衍射光學元件應用

         與傳統玻璃透鏡加工方法不同,DOE工藝流程更加復雜。傳統玻璃鏡頭需要使用模壓成型法,DOE還需要光刻(lithography)和壓印(imprint),采用光刻和壓印,工藝流程復雜。光刻工藝中包括基底材料選擇、掩膜版制備(電子束刻蝕)、光刻膠、曝光設備及刻蝕方案的選擇等,要求較高。制作出來的鏡頭具有三維結構,間隔在微米級別。

         光學領域利用DOE整形獲得預定光斑,德、日廠商具有優勢。光學衍射元件在鏡頭中有長期廣泛應用,德國的CDA、Holoeye以及日本的光學廠商在這方面積累了豐富的制造和設計經驗。結構光方案中采用DOE疊加光柵方案,以蘋果的光學設備和成像系統的專利為例,光源將經過編碼或結構化的光穿過一個或多個衍射光學元件,投射到目標,從而進行3D繪圖。

         窄帶濾光片:只允許通過特定波長,發射端加碼增量需求

         生物識別濾光片應用廣泛。用于的生物識別的濾光片屬于近紅外帶通濾光片,近紅外帶通濾光片可通過波長在780~2526nm范圍內。由于普通相機只能生成2D圖像,需要使用紅外光技術獲取圖像3D景深信息。因為太陽光中有大量的紅外光,使用普通的紅外光會淹沒在太陽光之中,所以需要使用特定頻段的紅外光。地表太陽光中近紅外光頻段內940nm處較為薄弱,940nm窄帶濾光片被認為生物識別濾光片的主要選擇。該窄帶濾光片可應用于人臉識別、指紋識別、手勢識別、虹膜識別、近距離傳感和3D相機等。
圖:太陽光能量分布:940nm為薄弱處


圖:940nm窄帶濾光片透光曲線

         原本產業鏈預計接收端使用一個窄帶濾光片,我們在5月份的跟蹤報告《水晶光電:結構光帶來新機遇,發射端加碼增量需求》敘述過,發射端在準直鏡頭中也整合了窄帶濾光片,進一步刺激鍍膜市場需求。

         為什么發射端需要使用窄帶濾光片?首先,窄帶濾光片的單價相較于手機成本而言非常小,對BOM成本影響不大;其次,發射端使用窄帶可以過濾冗余激光能量,大大提高直接照射人臉及眼睛的安全性,并且有助于提高識別精確度。目前產業鏈已經開始嘗試量產包括窄帶在內的準直鏡頭。

         發射端采用窄帶濾光片,增量需求不斷加碼。除了接收端,結構光發射端的晶圓級光學元件——準直鏡頭,也需要晶圓級窄帶濾光片,水晶的鍍膜優勢和工藝能力有望成為主要供應商。發射端使用窄帶濾光片,需要與準直鏡頭供應商合作。方案以準直鏡頭廠商為主體,公司供應八寸大片的濾光片以給WLO廠商做整合(綁定環節),攤到每個手機的ASP不超過1元。
         水晶光電是國內鍍膜龍頭,在窄帶濾光片上具有先發優勢。今年大客戶方案是以水晶與VIAV合作的方式供應。水晶光電定增預案擬投建生物識別濾光片組立件,建成后年產能將達到2.5億套窄帶濾光片組立件,我們預計該項目為公司帶來年營收增量約5.5億元。公司的強項在于鍍膜工藝,預計新的競爭對手需要2-4年的時間才能切入,護城河較高。公司有望抓住下游需求放量期,占據生物識別濾光片先發優勢。


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