3D感应技术行业深度展望调研投资分析报告.docx

1、3D感应技术行业深度展望调研投资分析报告(此文档为word格式，可任意修改编辑！）2017年7月正文目录图目录表目录消费电子领域的光学革命：人机交互的开始从3D建模到周边互动，消费电子领域光学变革正处于第一步变化的前夜。进入后智能手机时代，光和声的变化带来的互动交流，是未来智能手机向智慧手机演进的一个重要方向，是人机交互的开始。我们认为光学领域的变化可以分成两步，第一步是3D建模的开始，感知周边的环境；第二步是在3D感应的基础上实现与周边的环境互动和深度人机交互。围绕第一步，很多变化已开始发生，目前我们正处在围绕第一步变化的前夜。从单摄到双摄，由2D到3D，光学领域已开始全面变革。双摄像头相较

2、单摄像头能捕捉更为丰富的图像信息，同时还能感知一部分位置信息。双摄像头目前正处于爆发拐点，随着国际大客户拉动，双摄预计开始爆发式增长。结构光和TOF能够真正实现3D位置信息建模，结构光方案因技术成熟，适用于静态场景而料率先应用于大客户的前置方案；TOF方案较为适合动态场景和大范围开放式场景，更适合于后置方案。以鱼眼为代表的360度实时全景采集，是深度全景VR/AR的开始。本篇报告将从消费电子领域的光学变化入手，全面分析及梳理光学革命带来的主要机遇与国产替代机会。图1：消费电子领域的光学革命由单摄到双摄摄像头数目从1到2到更多双摄成像优于单摄，目前“广角+长焦”、“彩色+黑白”方案较优双摄像头成

3、像效果优于单摄。摄像头作为采集模拟图像信号的工具，在摄像领域已经广泛应用。智能手机过去10年经历了“后置单摄”、“前置单摄+后置单摄”、“前置单摄+后置双摄”、“前置双摄+后置单摄”等一系列变革。相比单摄像头，双摄像头能实现背景虚化，光学广角、大范围变焦等功能，更利于图像采集，符合当前市场对手机摄像的需求。图2：双摄背景虚化（右）成像效果对比图图3：彩色+黑白双摄像头成像效果图当前四种技术路线中，“广角+长焦”、“彩色+黑白”方案或成趋势。当前双摄主流技术路线包括“广角+长焦”、“彩色+黑白”、“成像+景深”和“成双成对”四种方案。国际大客户目前所采用的是广角+长焦方案，具有模拟光学变焦及全景

4、能力，所成图像更清晰，但在暗光条件下对焦慢。华为所主导的是彩色+黑白方案，优势在于能够通过黑白镜头增加光通量，图像色彩饱满，成像清晰，但对算法条件要求较高。另外两种技术路线包括成像+景深和两颗相同的摄像头，成像效果相对较差，主要应用在中端机型上，但两种方案成本相对较低。未来，受国际国内一流厂家带动，且随着消费电子领域微创新差异化竞争激烈及成本下降空间较大，我们预计广角+长焦、彩色+黑白方案将成为旗舰机主流技术方案。图4：苹果iPhone7 Plus采用广角+长焦图5：华为荣耀P9采用彩色+黑白图6：红米Pro采用成像+景深图7：华为荣耀6Plus采用两颗相同的摄像头对应两种工艺方案：共基板抗跌

5、落，但成本高；共支架成本相对低，但抗摔落性差。基于摄像头不同的技术路线，当前主要存在两种工艺方案，分别为共基板和共支架。“彩色+黑白”和“成双成对”对应共基板方案，共基板方案优点在于两个相机传感器在同一个平面，抗跌落，但制造良率低，成本较高。“成像+景深”和“广角+长焦”对应共支架方案，共支架方案优点在于生产良率高，价格相对较低，但两颗独立传感器模组需通过校准使其在同一个平面，抗摔落性差。华为是当前共基板方案的主导厂商。表1：双摄现有技术路线和工艺方案对比市场空间：双摄未来呈爆发式增长，2020年市场规模有望达750亿元近期受国际大客户拉动，预计2017年双摄手机出货量将同比+227%。201

6、6年下半年，多款双摄像头手机集中发布。据我们对2016年全球采用双摄的手机厂商出货量所做的统计，16年采用双摄像头的手机达7500万部，渗透率5%左右，其中国际大客户出货量约4500万部，掀起双摄像头风潮，带动更多手机品牌跟进。我们预计17年双摄像头手机出货量将达2.42亿部，同比+223%，其中国际大客户为1.35亿部，安卓机型将超1亿部，渗透率增至15%，华为、vivo、小米等国产手机将成为主要推动力。表2：2016年采用双摄的手机销量表3：2017年采用双摄的手机销量预计长期将受益于技术标准化，2020年市场规模有望达750亿元，未来四年CAGR约65%。目前双摄存在多种技术路线，且产品

7、处在导入初期，良率仍较低，共基板产品良率仅 40%左右，共支架产品良率也仅到 70%；且由于当前应用方向较多，包括补光、背景虚化、3D建模等，需配搭不同的软件解决方案，生产过程较为复杂，故2016年双摄手机渗透率仅5%，市场规模仅100亿元左右。未来，随着技术路线的统一和应用方向的明确，预计双摄将呈爆发式增长，渗透率和市场规模都将快速提升，届时将不断取代单摄成为市场主流。根据智研咨询预测，全球双摄渗透率在2020年将增至60%，届时双摄像头市场规模将达750亿元左右，预计未来四年双摄市场空间年复合增长率达65%，而全球单摄市场规模受双摄挤占，将持续呈下降态势。图8：全球双摄市场规模（单位：亿元

8、）图9：全球手机单摄像头市场规模（单位：亿元）表4：手机摄像头市场空间测算竞争格局：传感器、镜头及马达海外为主，模组端国内机会大摄像头产业链包括CMOS图像传感器、镜头、VCM马达和模组封装，其中CMOS图像传感器和镜头是摄像头的关键部件。移动设备摄像头关键部件包括CMOS图像传感器、Lens（镜头）、VCM马达（Voice Coil Motor，音圈马达）和PCB等配件，由模组厂进行封装。其中，CMOS图像传感器是手机摄像头的关键部件，2016年在手机镜头市场规模中占比达 54.2%，其次是模组封装和光学镜片。摄像头是垂直分工行业，一般由上游厂商提供CMOS图像传感器、镜头和VCM马达，模组

9、厂进行封装测试。图10：移动设备摄像头关键部件及成本占比图11：2016年手机摄像头市场规模占比情况CMOS图像传感器：大厂市占集中，日韩企业引领高端市场。CMOS行业壁垒突出，主要体现在工艺复杂，投入资本大，人才要求高并且研发周期长，尤其是对于8MP以上的高端产品，行业壁垒更高，故先发优势明显。目前全球CMOS图像传感器龙头为索尼，其产品主要为8MP以上的图像传感器，2015年市占率高达35.2%，其次是三星和豪威电子，豪威电子目前为国内CMOS图像传感器龙头，在中低端CMOS图像传感器（主要是5MP和 8MP）出货量占领先地位。由于产品更新换代快，出货量大的厂商能更快摊薄产品研发费用，CM

10、OS图像传感器未来市场份额有望持续朝龙头公司聚集。图12：2015年全球CMOS图像传感器厂商市场份额镜头：高端镜头技术壁垒高，大立光一家独大。摄像头镜头厂商相对集中，CR5达65.66%，其中大立光以34.46%的市场份额处于龙头地位，其技术同样处于领先地位。目前大多高端手机均使用6P镜头，仅有大立光能保证良率和产能，几乎包揽了各大手机品牌的6P镜头订单，其10M以上产品占比基本维持在70%-80%之间。大立光与玉晶为国际大客户手机镜头的主要供货商，主要产品为1300万像素以上的6P镜头。大陆来看，舜宇光学科技2016年已处于行业第二，市占达9.42%，且产品结构不断改善，1000万像素以上

11、产品占比不断提升，2016年已达28.9%，主要供货国内安卓手机厂商，瑞声科技也开始出货lens，未来有潜力成为其有力竞争者。图13：2015年全球摄像机镜头厂商市场份额图14：2016年全球摄像机镜头厂商市场份额VCM马达：市占相对集中，国外厂商占据较大市场份额。VCM马达因其体积小，结构简单而得以在手机中大量应用，主要厂商包括阿尔卑斯、三美、TDK 等，市场份额分别为21.3%，13.1%和12.6%，同时技术也较为先进。国内由于起步较晚，产品研发实力对比国外较弱，产品结构相对落后，良率低，同时竞争剧烈，目前暂无较大供应商。随着国内手机产业链的逐渐形成，目前国内VCM马达生产厂商已超过50

12、家，但所占市场份额均较小，新思路和比路是国内相对较大的VCM马达厂商，但全球市场份额分别仅9.6%和3.5%。图15：2015年全球VCM马达厂商市场份额单摄模组市场较为分散，CR5仅31.8%，一线厂商超过20家。目前双摄产量较低，模组厂商摄像头模组仍以单摄为主，从出货量来看，2016 年上半年五家最大厂商分别为舜宇光学科技、欧菲光、富士康、高伟和SEMCO，市场占有率分别为8.9%、8.7%、5.0%、4.7%和4.5%，行业CR5仅31.8%，市场集中度相对较低。单摄模组集中度低的主要原因是行业定制化要求较多，不同厂商产品差异较大，从设计方案用料到价格差距都比较大，此外还需要配合整机厂、

13、软件厂商、CPU平台等，协同联合调试，行业属性造成集中度天然较低。图16：2016上半年单摄模组市场份额图17：2016年双摄像头市场竞争格局双摄模组厂商集中度高，CR3达83%，毛利净利均优于单摄。受益于行业爆发初期，获得双摄技术开发能力的厂商相对较少，双摄模组行业当前高度集中，行业前三LG、舜宇、欧菲光三家份额合计超过80%。由于尚处在技术导入初期，包括LG、舜宇等在内的龙头厂商良率也仅在 40%-70%之间，且需要和终端大厂密切配合以调试软硬件，这在一定程度上加剧了行业集中度。我们认为在2019年其他小厂掌握双摄技术之前，行业走向高度集中的趋势仍将延续，龙头厂商有望在市场空间和份额两端受

14、益。双摄毛利率高出单摄2%左右，净利率高出5%左右，双摄模组厂商盈利水平将显著改善。图18：2015-2017年主要摄像模组厂产能（单位：KK/月）模组端国内机会大，舜宇、欧菲光、丘钛等有望持续受益双摄爆发。舜宇光学科技作为国内首家量产双摄模组的公司，目前在双摄模组生产上依旧具有先发优势，客户以华为为主。欧菲光2016年全面导入自动化产线，加速扩产，同时收购索尼华南，有望加速进军国际大客户的摄像头产业链，我们判断公司未来可能通过多种渠道切入大客户双摄。丘钛科技是目前国内另一家能够供货双摄的厂商，当前主要供货vivo和360等手机厂商，其优势主要在于图像算法处于行业前列，产业链相较更为完善，产品

15、竞争力较强，同时易于控制成本。未来双摄的持续渗透将不断拉动对双摄模组的需求，目前国内包括舜宇光学、欧菲光、信利国际和丘钛科技等主要厂商已针对双摄进行扩产，预计2017年底产能将对应超过3亿部手机。表5：国内主要摄像模组厂商双摄产能情况比较从2D到3D：A客户前置或用结构光，千亿市场待发掘技术路径：结构光技术成熟，A客户大概率应用前置结构光方案结构光技术成熟，适用于面部识别、背景虚化等静态场景。结构光的基本原理是投射光学图形到被观测物体上，从而使激光在最终物体表面的落点产生位移。此时使用红外摄像头来检测物体表面上的图形，通过位移变化就能够算出物体的位置和深度信息。结构光的优点在于一次成像就可以得

16、到深度信息，能耗低，分辨率高。缺点在于对光源和光学器件有较高要求。结构光因其不用多次成像，能耗较低，便于安装和维护等特点，使得其在人脸识别的静态应用场景较为突出。虽然TOF方案的FPS更高，但手机面部识别主要针对静态应用场景，不需要高刷新频率。结构光的功耗较小有利于节省电量，同时算法较为简单。综合来看结构光是当前面部识别，背景虚化等静态场景的首选。图19：结构光原理示意图图20：结构光用于3D建模为实现3D建模，结构光组件额外需要准直镜头与DOE。结构光技术路线代表为Intel的Realsense摄像头。Realsense是Intel公司于2014年发布的3D摄像模组，其基于结构光技术，并具备

17、手势识别和面部识别等新型功能。RealSense 3D摄像头内含1个传统的彩色CMOS图像传感器、1个红外图像传感器、1个红外发射器以及1个图像处理器。此外，结构光技术路线需要将点光源处理为平行光源的准直镜头，以及将光源散射成为特定光学图案的DOE（diffraction optical elements，衍射光学元件）。结构光摄像头如果探测距离偏远，会多加红外图像传感器，一般不超过2个。结构光技术在探测距离较大时会与双目摄像头技术互补。厂商倾向于在探测距离小时用单独的结构光技术，探测距离大时多加一个红外摄像头，并补充双目摄像头的算法进行3D感知。图21：结构光方案发射端示意图图22：结构光方

18、案接收端示意图国际大客户收购3D体感技术公司PrimeSense，积累结构光技术。Primesense是结构光技术路线的重要厂商，为微软Kinect一代提供结构光技术和研发的支持，而国际大客户上一次相等规格收购的是 2012 年的指纹识别公司 AuthenTec，随后大客户在 2013 年的iPhone5S便配备了指纹识别功能。大客户此次收购Primesense积累了3D摄像头的结构光技术方案，其大概率是为将来iPhone8的前置3D感应作技术储备。表6：A客户公司在生物识别领域收购情况大客户新机型大概率采用前置3D识别系统。2017年为iPhone系列十周年，近年来智能手机硬件更新换代放缓，

19、价格竞争趋于激烈。iPhone的出货量和销量增长速度下滑，大客户需要抓住iPhone新品推出带来的契机，推广其收购带来的技术储备，重新赢得市场份额。基于结构光的3D成像技术可实现面部信息及手势的采集和识别，更可以实现立体空间的定位和AR等功能，易切中消费者痛点。大客户很可能在新机型的前置摄像头增加3D深度摄像模块，用以面部识别或手势识别，技术路线大概率为子公司Primesense的结构光方案。我们推测新版本iPhone将延续iPhone7Plus的供应链。图23：Kinect1代正面结构图24：Kinect1代利用结构光进行3D景深处理结构光未来尚有技术进步空间。（1）建模精度可通过DOE质量

20、提高与光栅宽度减小不断提升。随着光学系统小型化、微型化和集成化的发展,使DOE的特征尺寸逐步减少,而同时离子刻蚀、激光直写等微加工技术的进一步成熟使加工精度逐渐提高，进一步提高结构光建模精度。（2）单模光子晶体 VCSEL 的引入可进一步降低结构光方案功耗。单模光子晶体VCSEL克服了普通VCSEL偏振方向不稳定的缺点，在DBR中引入了二维光子晶体组成的空气孔结构，这一结构能够使VCSEL获得更小的远场发散角及更均匀的光强分布，提高单模的输出功率，从而减小功耗，提升效率。光子晶体VCSEL可以支持低至5.4kA/平方厘米的工作电流，传统VCSEL的工作电流约为22.5KA/平方厘米，可以有效节

21、省能量。3）VCSEL激光器波长有望由850nm向940nm转变，利用太阳频谱的波谷避免可见光干扰。通常太阳光中包含有大量红外线在室外环境将严重影响结构光测量的准确度，将波长移置 940nm将有效提高结构光的应用范围。图25：单模光子晶体VCSEL功耗小，效率高图26：940nm红外光源为太阳频谱波谷市场空间：渗透率加速提升，2020年市场空间达38亿美元结构光方案预计于2018年大幅放量。国际大客户2017年新机型料采用前置结构光方案，预计2018年开始大幅放量。假设2017年国际大客户新版手机中的1款使用结构光，渗透率达到20%，至2018年全部使用结构光；安卓系统的产品于2018年渗透率

22、达到15%，则结构光方案的平均渗透率将于2020年达到25%，市场空间将达到38亿美元，增长速度可观。表7：结构光方案市场空间预测产业链格局：接收端国产替代化程度大发射端国外为主，接收端国产化替代程度较大。目前结构光方案设备成本约为20美金，其中算法芯片4-6美金，接收端5-6美金，发射端10美金左右。发射端的激光器和光学元件行业壁垒较高，目前国内厂商较少涉及该领域。而接收端的滤光片，镜头和模组业务壁垒相对较低，国内水晶光电，舜宇光学，欧菲光，丘钛科技等厂商已切入该领域并实现量产。未来随着VCSEL激光器制作技术的提升及晶圆级镜头技术的引入，国内的晶方科技和华天科技有望切入结构光产业链的发射端

23、市场。表8：结构光方案产业链汇总国产化替代公司梳理AR与体感解决方案华捷艾米公司具备完整AR技术体系与产品体系。华捷艾米是全球除苹果和微软之外少数完全拥有体感各项技术与知识产权的公司，华捷艾米在3D体感交互具有充分的研发优势与自主核心技术。公司主打产品IMI光学模组芯片、体感摄像头和SDK开发软件。体感芯片如已量产的IMI-1180可以实时输出空间三维数据和深度图信息。较高级的IMI-1280将内置运算处理单元，可以进行高分辨率的彩色图像传输。体感摄像头与微软的Kinect相似，并采用骨骼跟踪和即时定位的自主芯片，具有毫米级精度。在应用端公司开发了IMI-SDK二次开发工具软件，能够实现人物识

24、别重现，动作识别和三维建模。结合芯片+摄像头+二次开发软件，公司完整的产品体系能够覆盖教育、安防、家庭娱乐和电商等领域。图27：华捷艾米IMI体感芯片图28：华捷艾米AR体感传感器华捷艾米主攻电视、机顶盒、手机AR市场，华捷艾米产品具备开放系统，支持windows、linux和android系统，可以切入大多数终端市场。公司与2016年与创维电视合作推出AR电视，将儿童教育，运动识别和可交互引导游戏应用于客厅环境。在客厅应用和手机应用方面与创维、海信等电视厂商和联想、小米、华为等手机厂商合作，将IMI摄像头和智能电视，体感游戏机与机顶盒等智能设备连接，以加速在客厅和手机市场的渗透。体感技术的发

25、展依赖整个市场和配套技术的成熟，华捷艾米凭借自主产品体系切入成熟市场，未来有望成为AR市场的主要技术提供厂商。表9：国产化3D光学方案对比算法芯片和综合服务方案奥比中光奥比中光是国内唯一一家量产全自主知识产权消费级3D传感器的公司。2016年9月，奥比中光获得全球第二大芯片方案商联发科的战略投资。其已实现消费级3D传感器Astra的量产销售，公司目前已经与乐视、创维、TCL等电视厂商进行渠道合作，电视用户可以在电视的选购过程中选择是否购买Astra等外设配件。各厂商的电视操作系统中也植入了Astra游戏大厅等相关软件。同时奥比中光也自行设计了基于结构光技术的ASIC芯片，具有全自主知识产权。图

26、29：奥比中光Astra图30：奥比中光Astra传感器成像效果奥比中光定位体感+智能电视两大市场。前者包括微软 Xbox+Kinect 方案的体感游戏。奥比中光提供体感器硬件、驱动、中间件的业务和服务。任何基于Android的设备都可以使用奥比中光的Astra传感器，游戏厂商经过简单适配可以将游戏集成在Android设备中。智能电视是也是3D感应技术很好的切入点，虚拟触控技术将实现对电视的远程控制，类似于遥控器的功能可以使交互更加方便快捷。奥比中光已开始和国内的电视厂商进行渠道合作。窄带滤光片水晶光电红外滤光片产业集中，水晶光电市场份额大。红外识别系统中，窄带滤光片起到过滤可见光，通过红外光

27、的作用，以避免可见光对红外光源信号的干扰。目前窄带红外滤光片的主流厂商包括欧菲光，水晶光电，VIAVI等。根据智研咨询的数据，2015年，水晶光电市场份额占20%，其余主要厂商有田中技研，哈维特和晶极光电。滤光片的单价约为0.3-0.8美元。图31：2015红外滤光片市场份额图32：水晶光电红外滤光片接收端镜头舜宇光学光学镜头技术壁垒高致市占率高，供应商数量相对有限。2015年全球前五的手机镜头厂商占据65.7%的市场份额，其中大立光以34.5%的市占率稳居行业龙头，而舜宇的市场份额为 9.4%居第二位。镜头行业整体技术壁垒较高，大立光与舜宇凭借技术领先及成本控制优势将持续挤压中小企业市场份额

28、。受益智能手机镜头供应链调整战略，舜宇有望持续提升市场份额。 2017年1月舜宇手机镜头出货量为93KK，与大立光147KK的差距仍然明显。大立光主要供给国际大客户，考虑到供应链安全问题，大陆品牌更倾向于选择舜宇。随着国产化手机出货量和市场份额不断提升，集中于大陆市场的舜宇有望进一步缩小与大立光的市场份额差距。准直镜头晶方科技，华天科技晶方科技，华天科技晶圆级集成技术有望切入发射端产业链。晶圆级摄像模组（WLC，Wafer Level Camera）是集成晶圆级镜头和CMOS图像传感器，其外观尺寸小，装配简单人工耗费少，具有高度一致性。传统摄像模组随着摄像头像素的增加，其厚度也会增加，这与手机

29、轻薄化的趋势相矛盾。而WLC制作工艺可以大幅减小摄像模组的厚度，可以同时兼顾高像素和轻薄化，是未来摄像模组的大趋势。同时Waferlevellens技术也可以用于制作准直镜头。晶方科技与华天科技具备WLC的制作技术，未来有望切入摄像模组的晶圆级制造产业链。表10：WLC和传统摄像模组比较从2D到3D：TOF方案是后置3D建模的另一种可能技术路径：TOF方案功率大，更适用于动态场景TOF技术通过计算发射光的反射时间差来换算物体距离。TOF（TimeofFlight）技术的原理是发射红外光遇物体反射后计算发射光的反射时间差，来换算物体的距离。TOF的优点在于逐个计算像素点，近距离情况下精度较高。缺

30、点是在室外受自然光红外线影响较大，测量范围窄。目前主流TOF技术使用SPAD（single-photon avalanche diode）阵列来检测反射光的时间空间信息。SPAD是具有较高灵敏度的半导体光电检测器，能对弱光信号进行较为精确的识别。图33：TOF原理示意图图34：结构光用于3D建模为实现3D建模，TOF组件额外需要3颗红外激光二极管。TOF技术路线的代表为微软的Kinect2。Kinect2是微软针对PC和Xbox推出的3D感应摄像机。根据Chipworks对Kinect2的拆解，其主要核心部件为3颗红外激光二极管、1颗红外光图像传感器、1颗可见光图像传感器和1颗图像处理主芯片。

31、主要工作原理为：红外激光二极管发射近红外激光，光碰到环境中的物体发生反射，红外光图像传感器采集反射光，计算反射信号与发射信号的时间差，从而得知位置距离信息，采用:3颗红外激光二极管的原因在于提供空间自由度更大的探测，可见光相机的作用是获取环境实时的XY平面物体信息。图35：Kinect2采用的红外摄像头TOF高功率高FPS，更加适用于动态场景。TOF由于不需要平行光束或特定的光学图案，故不需要准直镜头和DOE。其响应速度快，近距离精度高，但测量范围较窄。高FPS的特点使之易于用在动态识别领域，如体感识别，手势控制等，多用于游戏机或计算机的辅助设备。结构光则因为能耗较低，分辨率较高，因此较为适合使用在智能手机上，如面部识别，背景虚化等。未来，随着TOF能耗降低，测量精度进一步提高，其可能进入智能手机的