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一、 、3D sensing 成趨勢，ToF 應用前景廣闊

1.1 ToF 為移動端載搭載 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 3Dsensing 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，已經大規模應用於工業 3D 視覺，TOF 則憑藉自身優勢成為在移動端較被看好的方案。

3D 結構光最早應用於蘋果旗艦 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徵的光線，再由專門的紅外攝像頭進行採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，因此被廣泛應用於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，這將其應用侷限在了手機前臵攝像，主要用於 3D 人臉識別屏幕解鎖、人臉支付及 3D 建模等。

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衝，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，將其應用於手機後臵攝像。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。但相對於結構光技術，ToF 技術的缺點在於其 3D 成像精度和深度圖分辨率相對較低，功耗較高。

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。但由於需要通過大量的 CPU/ASIC 演算取得它的深度和幅度信息，其算法極為複雜較難實現，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徵，因而拍攝暗光場景時表現差。由於以上原因，雙目立體成像技術在手機上較少應用。

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，目前相較於 ToF，結構光技術在應用上更為成熟，出貨量上明顯佔優。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，由於能夠支持更遠的作用距離，ToF 技術可以被應用於包含 3D 人臉識別、3D 建模以及手勢識別、體感遊戲、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 的模組複雜度低，堆疊簡單，可以做到非常小巧且堅固耐用，在屏佔比不斷提高的外觀趨勢下，更得到手機廠商的青睞。

1.2 ToF 讓 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於對深度信息的感知。對於人們來說，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 建模技術應運而生並迅速發展。3D 建模即通過相機等設備對物體進行採集照片，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”。

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 具備更好的景深採集功能，加入智能手機後攝模組後，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範圍的 3D 建模，而且由於自帶紅外光源，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。

體感遊戲。通過TOF技術能夠採集到被拍攝人的身體深度信息，捕捉和採集身體的動作，進行手勢判定，控制預製的 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、動作和手勢做遊戲交互。

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，遊戲控制器的優勢在於控制反饋及時、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，遊戲控制器的優勢在於控制反饋及時、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，環境感知攝像頭用於人腦追蹤，深度攝像頭用於輔助手勢識別並進行環境的三維重構。

HoloLens 相比以往任何設備的強大之處，在於其能夠實現對現實世界的深度感知並進行三維建模。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）並以此重建三維場景、實現手勢識別。

下一波創新性革命，AR 應用前景巨大。外觀系列創新之後，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，前臵人臉識別+後臵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。

二、 下一波創新性革命，TOF 市場空間巨大

外觀系列創新之後，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，前臵人臉識別+後臵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 後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。

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 感應中佔比有望達到 40%。

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。

我們預計在這個 TOF 模組中，芯片的成本仍佔主要的部分，大約佔到整體 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。

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 中的核心部件包括髮射端的 VCSEL 光源、Diffuser 等，接收端的鏡頭、窄帶濾光片、近紅外 CMOS 等。

4.1 VCSEL ：垂直髮射光源， 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。 垂直於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 單價貴於 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製造和封測，並且規模量產之後具有成本優勢。

VCSEL 具有 效率高、功耗低、傳輸速率快、製造成本低等優良特點了 ，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，用於信息傳輸；後者可以通過壓縮垂直腔體的容積用於體積較小的應用中，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 感知領域性能優於 LED，逐漸替代了 LED 成為主流選擇。

VCSEL 主要進入壁壘在於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 並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 產業鏈被美國和日本少數廠商把控。去年蘋果推出 iPhone X 後，VCSEL 需求持續發酵。蘋果已與幾家供應商簽訂協議，對他們進行大規模的投資，對其產能進行了封鎖。從整個 VCSEL 產業來看，供應鏈還是比較緊俏的，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。

4.2 Diffuser ： 將光調製成均勻的面光源

Diffuser 主要功能為顯示器提供一個均勻的面光源，基材需選擇光透過率高的材料如PET/PC/PMMA。一般傳統的擴散膜主要是在擴散膜基材中，加入一顆顆的化學顆粒，作為散射粒子，而現有之擴散板其微粒子分散在樹指層之間，所以光線在經過擴散層時會不斷的再兩個折射率相異的介質中穿過，在此同時光線就會發生許多折射、反射與散射的現象，如此便造成了光學擴散的效果。未來手機 3D 成像的 Diffuser 將會更加複雜化與定製化，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，一般小於中心波長的 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，位於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，將其餘的環境光剔除。

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 VIAV 合作的方式供應。公司的強項在於鍍膜工藝，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，憑藉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和一般的圖像處理芯片有所區別，其通過複雜的算法將 IR接收端採集的空間信息和鏡頭成像端採集的色彩信息相結合，生成具備空間信息的三維圖像。由於芯片設計壁壘高，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製造商、模組封裝廠商、鏡頭廠商、馬達供應商、濾光片供應商等。由於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。

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 圖像傳感器市場複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。

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%，舜宇光學的市佔率為 7.9%和 9.5%，丘鈦科技的市佔率為 5.3%和 6.5%。2017 年，全球 TOP 攝像頭模組廠商佔據了全球超過 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。

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。

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

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