關(guān)于蘋果將在新一代的iPhone上使用前置3D攝像頭的消息甚囂。根據(jù)凱基證券分析師郭明池所說，這個(gè)攝像頭包含紅外模塊，可以感知攝像頭前的3D空間與物體。郭明池還預(yù)測，iPhone 8的3D前置鏡頭可以將深度信息與2D影像合并，并支持面部識別、虹膜識別和3D自拍等功能。

不僅如此，這個(gè)攝像頭可以掃描用戶的頭部情況，用來更換游戲當(dāng)中人物的頭像，甚至結(jié)合到AR應(yīng)用當(dāng)中，有非常深遠(yuǎn)的意義。前置鏡頭將采用來自PrimeSense的邏輯算法。蘋果早在2013年就收購了該公司。

下面我們細(xì)讀海通電子的報(bào)告《3D視覺深度研究：智能交互進(jìn)入新時(shí)代》，了解蘋果將要使用的這個(gè)顛覆性技術(shù)。

什么是3D深度相機(jī)

3D深度相機(jī)是區(qū)別于我們平時(shí)用到的2D相機(jī)。與傳統(tǒng)相機(jī)不同之處在于該相機(jī)可同時(shí)拍攝景物的灰階影像資訊及包含深度的3維資訊。其設(shè)計(jì)原理系針對待測場景發(fā)射一參考光束，藉由計(jì)算回光的時(shí)間差或相位差，來換算被拍攝景物的距離，以產(chǎn)生深度資訊，此外再結(jié)合傳統(tǒng)的相機(jī)拍攝，以獲得2維影像資訊。

這種深度相機(jī)具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1）相對二維圖像，可通過距離信息獲取物體之間更加豐富的位置關(guān)系，即區(qū)分前景與后景

2）深度信息依舊可以完成對目標(biāo)圖像的分割、標(biāo)記、識別、跟蹤等傳統(tǒng)應(yīng)用

3）經(jīng)過進(jìn)一步深化處理，可以完成三維建模等應(yīng)用

4）能夠快速完成對目標(biāo)的識別與追蹤

5）主要配件成本相對低廉，包括CCD和普通 LED 等，對今后的普及化生產(chǎn)及使用有利

6）借助 CMOS 的特性，可獲取大量數(shù)據(jù)及信息，對復(fù)雜物體的姿態(tài)判斷極為有效，無需掃描設(shè)備輔助工作。

根據(jù)硬件實(shí)現(xiàn)方式的不同，目前行業(yè)內(nèi)所采用的主流3D機(jī)器視覺大約有三種：結(jié)構(gòu)光、TOF時(shí)間光、雙目立體成像。

1）結(jié)構(gòu)光（Structure Light）

通過激光的折射以及算法計(jì)算出物體的位置和深度信息，進(jìn)而復(fù)原整個(gè)三維空間。結(jié)構(gòu)光的代表產(chǎn)品有微軟的Kinect一代。通過發(fā)射特定圖形的散斑或者點(diǎn)陣的激光紅外圖案，當(dāng)被測物體反射這些圖案，通過攝像頭捕捉到這些反射回來的圖案，計(jì)算上面散斑或者點(diǎn)的大小，跟原始散斑或者點(diǎn)的尺寸做對比，從而測算出被測物體到攝像頭之間的距離。

目前是業(yè)界比較成熟的深度檢測方案，很多的激光雷達(dá)和3D掃描技術(shù)都是采用的結(jié)構(gòu)光方案。不過由于以折射光的落點(diǎn)位移來計(jì)算位置，這種技術(shù)不能計(jì)算出精確的深度信息，對識別的距離也有嚴(yán)格的要求。而且容易受到環(huán)境光線的干擾，強(qiáng)光下不適合，響應(yīng)也比較慢。

典型的結(jié)構(gòu)光方案包括：PrimeSense（微軟Kinect1代）、英特爾RealSense（前置方案）。

2）光飛行時(shí)間（TIme of Flight）

TOF系統(tǒng)是一種光雷達(dá) (LIDAR) 系統(tǒng)，可從發(fā)射極向?qū)ο蟀l(fā)射光脈沖，接收器則可通過計(jì)算光脈沖從發(fā)射器到對象，再以像素格式返回到接收器的運(yùn)行時(shí)間來確定被測量對象的距離。TOF系統(tǒng)可同時(shí)獲得整個(gè)場景，確定3D范圍影像。利用測量得到的對象坐標(biāo)可創(chuàng)建3D影像，并可用于機(jī)器人、制造、醫(yī)療技術(shù)以及數(shù)碼攝影等領(lǐng)域的設(shè)備控制。

TOF方案的優(yōu)點(diǎn)在于響應(yīng)速度快，深度信息精度高，不容易受環(huán)境光線干擾，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為移動(dòng)端手勢識別最被看好的方案。代表廠商有微軟（Kinect2代）、意法半導(dǎo)體、英飛凌、德州儀器等。

3）多角立體成像（MulTI-camera）

現(xiàn)在手勢識別領(lǐng)域的佼佼者Leap MoTion使用的就是這種技術(shù)。它使用兩個(gè)或者兩個(gè)以上的攝像頭同時(shí)采集圖像，通過比對這些不同攝像頭在同一時(shí)刻獲得的圖像的差別，使用算法來計(jì)算深度信息，從而多角三維成像。

Leap MoTion方案使用2個(gè)攝像機(jī)獲得左右立體影像，該影像有些輕微偏移，與人眼同序。計(jì)算機(jī)通過比較這兩個(gè)影像，就可獲得對應(yīng)于影像中物體位移的不同影像。該不同影像或地圖可以是彩色的，也可以為灰階，具體取決于特定系統(tǒng)的需求。

雙目多角立體成像方案的優(yōu)點(diǎn)在于不容易受到環(huán)境光線的干擾，適合室外環(huán)境，滿足7*24小時(shí)的長時(shí)間工作要求，不易損壞。缺點(diǎn)是昏暗環(huán)境、特征不明顯時(shí)不適合，目前應(yīng)用在智能安防監(jiān)控、機(jī)器人視覺、物流檢測等領(lǐng)域。

由于3D深度相機(jī)的原理，他的出現(xiàn)將進(jìn)一步解放雙手，打開新的智能人機(jī)交互空間。

回到2011年，蘋果在推出的iPhone4S配備了語音識別助手Siri，利用人工智能技術(shù)，通過與消費(fèi)者的語言對話，實(shí)現(xiàn)信息的交互。隨后，語音交互越來越多地出現(xiàn)在智能終端上，尤其是隨著人工智能語義識別技術(shù)的進(jìn)步，語音交互的準(zhǔn)確性和實(shí)用性大幅提升。亞馬遜于2015年推出的ECHO智能音箱便是典型成功例子。

語音識別可以完全解放雙手，但是在人機(jī)互動(dòng)方面的應(yīng)用場景有一定的局限性，對于游戲娛樂、互動(dòng)體驗(yàn)、拍照等領(lǐng)域，這些必須有用戶肢體參與的場景，語音交互無法滿足需求。因此，比現(xiàn)今觸控屏更高層次的體感交互成為了廣大廠商追求的目標(biāo)。

要實(shí)現(xiàn)體感交互，最重要的就是手勢識別，因?yàn)槭植縿?dòng)作是人體最豐富也是最常用的體感動(dòng)作。對于智能手機(jī)而言，如果手勢識別可以得到應(yīng)用，那么包括手機(jī)自拍、游戲、瀏覽網(wǎng)頁、購物等眾多應(yīng)用場景，在用戶體驗(yàn)上均可以實(shí)現(xiàn)大幅提升，手機(jī)也將從觸控屏?xí)r代走向手勢識別時(shí)代。

同時(shí)，人臉識別與追蹤也是體感交互最具前景的方向之一。我們認(rèn)為，人臉識別在移動(dòng)端具有更加廣闊的應(yīng)用空間。例如目前指紋識別已經(jīng)成為智能手機(jī)的標(biāo)配，通過指紋識別來實(shí)現(xiàn)開機(jī)、支付、登陸確認(rèn)等功能已經(jīng)被大眾所認(rèn)可，并且創(chuàng)造了巨大的市場價(jià)值，但是指紋識別的局限性在于必須通過手指完成，手指放置的位置、手指表面的潔凈度等因素都會(huì)極大地影響使用體驗(yàn)，而人臉識別可以完全解放雙手，只需要借助攝像頭對人臉信息的采集便可以完成識別與交互。

因此無論是消費(fèi)級市場的游戲、娛樂、交互，還是商業(yè)領(lǐng)域的醫(yī)療、工業(yè)、軍事等，都需要豐富的手部動(dòng)作來參與，因此手勢識別具有非常廣泛的應(yīng)用場景。人臉識別也是3D深度相機(jī)所擅長的一個(gè)方向。

主要巨頭在移動(dòng)端3D視覺領(lǐng)域的布局

目前，有很多廠商已經(jīng)在3D視覺領(lǐng)域有了深入的布局，我們來細(xì)看一下：

（1）蘋果——整合行業(yè)先驅(qū)PrimeSense，發(fā)力3D手勢與人臉識別

2013年11月，蘋果收購以色列3D傳感器生產(chǎn)商PrimeSense，收購費(fèi)用為3.45億美元。PrimeSense曾以給微軟Kinect體感控制器提供3D技術(shù)著稱，它將玩家的動(dòng)作作為Xbox游戲的一部分，這些傳感器允許玩家無需使用控制器就可跟游戲系統(tǒng)相連。

2010年年底，PrimeSense 與華碩合作開發(fā)了Xtion Pro，和Kinect采用了同樣的3D傳感器，在PC上使用。2012年，PrimeSense推出了當(dāng)時(shí)世界上體積最小的3D傳感器Capri，它的分辨率是前代產(chǎn)品的3倍，而體型是前代的十分之一，環(huán)境光的檢測性能是前代的50倍。自2013年收購PrimeSense之后，蘋果推動(dòng)PrimeSense的3D體感控制器向小型化發(fā)展，希望可以將其裝配到電視、PC上，最終可以用在未來的iPhone上。

2016年7月，蘋果再次公布新型3D手勢控制專利，是一個(gè)圖形投影儀，內(nèi)嵌在一個(gè)諸如如iPhone手機(jī)這樣的iOS設(shè)備上，可以識別出用戶的手勢操作，由此可以作為把手勢作為游戲的控制桿或者控制器。

2017年1月15日，美國權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)Cowen and Company發(fā)布報(bào)告稱，蘋果的下一代iPhone可能會(huì)包含某種面部識別或手勢識別功能，由安裝在前置攝像頭附近的一款新的激光發(fā)射器和紅外感應(yīng)器支持，新款iPhone可能會(huì)配備一種新的深度感應(yīng)器，可以為未來的iPhone增添手勢識別、人臉識別，甚至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR功能。

（2）英特爾——持續(xù)強(qiáng)化升級RealSense，“結(jié)構(gòu)光+雙目立體光”

早在2012年左右，英特爾便著重研發(fā)實(shí)感技術(shù)，當(dāng)時(shí)叫Perceptual Computing，即感知計(jì)算，并開放英特爾感知計(jì)算軟件開發(fā)套件2013 版。2013年1月，英特爾聯(lián)合Nuance等多家公司推出了“感知計(jì)算”，類似于微軟的Kinect，可進(jìn)行手勢與人臉識別，缺點(diǎn)是設(shè)備體積大，必須借助PC電腦完成。

前置實(shí)感3D攝像頭和Kinect原理一樣，它的工作原理是“結(jié)構(gòu)光”，需要一顆紅外傳感器。遠(yuǎn)距離的3D攝像頭，使用“雙目主動(dòng)立體成像原理”，需要兩顆紅外傳感器。后文我們會(huì)詳細(xì)拆解與分析。

經(jīng)過多年的努力，英特爾目前可以提供包括SR300獨(dú)立攝像頭、R200遠(yuǎn)距離后置攝像頭（3-4米，室內(nèi)室外使用，640*480分辨率）、F200近距離前置攝像頭（0.2-1.2米，室內(nèi)使用，640*480分辨率）等硬件產(chǎn)品。

（3）微軟——從Kinect到Handpose，3D識別精度大幅提升

微軟是最早涉足3D視覺的公司之一，公司在游戲領(lǐng)域推出XBOX游戲機(jī)，志在與索尼和任天堂的游戲機(jī)一較高下，為了形成自己的競爭優(yōu)勢，微軟在2010年與PrimeSense合作，推出了XBOX360體感周邊外設(shè)——Kinect1代。

但是，當(dāng)時(shí)采用結(jié)構(gòu)光原理的Kinect1代的游戲體驗(yàn)并不好，產(chǎn)品的準(zhǔn)確度、圖像的分辨率和響應(yīng)速度一直不理想。最大的問題是精度很難提高，因?yàn)橛?jì)算斑點(diǎn)位移需要用圖像在一個(gè)小范圍區(qū)域內(nèi)的來做塊匹配，導(dǎo)致犧牲了像素級別的細(xì)節(jié)，凸凹不平的表面、物體邊緣、很細(xì)的物體很難檢測準(zhǔn)確的深度。

2012年微軟先后收購了TOF（時(shí)間光）相機(jī)公司canesta和3dv，2013年微軟終止與PrimeSense的合作，自行開發(fā)了Kinect2代（成為Kinect one），采用的是TOF（時(shí)間光）原理，無論精度、分辨率還是響應(yīng)時(shí)間都得到了很大的提升。TOF原理發(fā)射一個(gè)強(qiáng)度隨時(shí)間周期變化的正弦信號，通過獲得發(fā)射、接受信號的相位差來計(jì)算深度，精度高很多。關(guān)于Kinect2代的原理分析我們將在后文詳細(xì)闡述。

（4）谷歌——Tango項(xiàng)目野心勃勃，提前布局移動(dòng)端3D視覺

Project Tango是谷歌公司的明星研究項(xiàng)目，由谷歌先進(jìn)技術(shù)與項(xiàng)目部門和部分研究人員，以及硅谷Movidius（已被英特爾收購）合作研發(fā)，后者提供的芯片技術(shù)可以分析和表達(dá)來自傳感器和攝像頭的數(shù)據(jù)。Project Tango項(xiàng)目的目標(biāo)是希望將人類的視覺帶入移動(dòng)設(shè)備，為移動(dòng)設(shè)備加入類似人類對空間和運(yùn)動(dòng)的感知能力。

Project Tango包含三塊技術(shù)：運(yùn)動(dòng)追蹤(Motion Tracking)，深度感知(Depth Perception)和區(qū)域?qū)W習(xí)(Area Learning)。首先是運(yùn)動(dòng)追蹤，設(shè)備可以通過內(nèi)置的姿態(tài)傳感器（加速度計(jì)和陀螺儀等）來感知當(dāng)前的位置；接下來是更深入的3D識別，可以檢查出周圍世界環(huán)境的形狀，類似于英特爾的RealSense 3D攝像技術(shù)，可以獲得更準(zhǔn)確的姿態(tài)控制以及3D對象渲染；最后就是對周圍的環(huán)境和區(qū)域繪制地圖。

（5）索尼——收購明星企業(yè)SoftKinetic，彌補(bǔ)短板

2015年10月，SONY 宣布收購比利時(shí)傳感器技術(shù)提供商SoftKinetic。SoftKinetic是一家專門從事深度傳感攝像頭技術(shù)的電腦視覺初創(chuàng)型企業(yè)，成立于2007年，專注研發(fā)體感技術(shù)，其傳感器技術(shù)能夠追蹤諸如手勢等相關(guān)的圖像。SoftKinetic技術(shù)能夠部署到安裝在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)硬件上的攝像頭之中，從而增加手勢與面部追蹤的能力。SoftKinetic公司的攝像機(jī)采用TOF方案。

（6）三星——手勢識別助力凌空操作Gear VR

科技公司Gestigon和Pmd在16年6月宣布在三星GearVR上合作研發(fā)手勢識別，結(jié)合Pmd的CamBoard pico flexx深度傳感器和Gestigon的Carnival AR/VR Interaction Suite（增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)互動(dòng)套件），在現(xiàn)有的VR設(shè)備上進(jìn)行無觸摸手勢交互。

移動(dòng)端3D視覺產(chǎn)業(yè)鏈分析

前面提到，目前在移動(dòng)端3D視覺方面，三種主流的方案（結(jié)構(gòu)光、TOF時(shí)間光、雙目立體成像）中，已經(jīng)比較成熟的是結(jié)構(gòu)光和TOF時(shí)間光。其中結(jié)構(gòu)光方案最為成熟，已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)3D視覺領(lǐng)域，但是極易受到外界光的干擾、響應(yīng)速度較慢、識別精度較低，而TOF方案在這幾個(gè)方面均比結(jié)構(gòu)光方案具有一定的優(yōu)勢，因此TOF成為了目前在移動(dòng)端被看好的方案。雙目立體成像方案抗環(huán)境光干擾強(qiáng)，分辨率高，也是移動(dòng)端可選方案之一，但是技術(shù)較新不夠成熟，目前在機(jī)器人、自動(dòng)駕駛領(lǐng)域應(yīng)用較多。

蘋果公司在2017年的iPhone7中使用了意法半導(dǎo)體提供的基于TOF原理的前置距離傳感器（proximity sensor）。而在此之前，蘋果的iPhone5和iPhone6s采用的都是Heptagon提供的LED+光探測器的方案，從LED+光探測器到TOF，表明移動(dòng)端TOF方案在技術(shù)方面已經(jīng)獲得了巨大的進(jìn)步。通過Chipworks網(wǎng)站的拆解，可以看到意法為iPhone7提供的基于TOF原理的距離傳感器，主要包括一個(gè)VCSEL發(fā)射器和兩個(gè)SPAD（單光子雪崩二極管）探測器，被整合于一般的CMOS工藝中。

TOF時(shí)間光相比于結(jié)構(gòu)光更加適合應(yīng)用到智能手機(jī)上，采用TOF原理來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作追蹤和深度感知已經(jīng)出現(xiàn)在谷歌的Project Tango方案中，主要用于空間三維數(shù)據(jù)的采集，與應(yīng)用于手勢/臉部識別是非常接近的。

在景深傳感器方面，采用的是TOF原理，使用的是英飛凌和PMD合作開發(fā)的技術(shù)方案。根據(jù)日本Nomura公司的分析報(bào)告，聯(lián)想Phab2 Pro在紅外發(fā)射方面采用的是Princeton Optronics設(shè)計(jì)的VCSEL（垂直腔面發(fā)射器），由***宏捷科（AWSC）提供代工；在紅外接收方面，英飛凌負(fù)責(zé)提供紅外CIS芯片，PMD提供飛時(shí)測距（TOF）形成景深數(shù)據(jù)部分；整個(gè)TOF模塊由中國舜宇光學(xué)提供封裝。

通過詳細(xì)分析微軟Kinect二代（TOF原理），可以看到TOF方案的主要硬件結(jié)構(gòu)為：紅外光發(fā)射器（IR LD）、紅外光圖像傳感器（IR CIS）、可見光圖像傳感器（Vis CIS）、圖像處理芯片，硬件結(jié)構(gòu)與聯(lián)想Phab2 Pro相機(jī)是非常類似的。

整個(gè)三維視覺系統(tǒng)的工作原理為：首先紅外激光發(fā)射器（IR LD）發(fā)射出近紅外光（IR Light），經(jīng)過人手或人臉的反射之后，被紅外圖像傳感器（IR CIS）所接收，這個(gè)圖像信息用來計(jì)算人手所處的位置（Z軸）；同時(shí)，可見光圖像傳感器采集二維平面（X與Y軸）的人手信息（Vis Light）；兩顆圖像傳感器的信息匯總至專用的圖像處理芯片，從而得到人手或人臉的三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間定位。

TOF與結(jié)構(gòu)光的區(qū)別在于對紅外光的使用方式不同，TOF通過計(jì)算紅外光發(fā)出光線與返回光線之間的向位移變化換算為位置信息，而結(jié)構(gòu)光依靠向物體投射一系列光線圖案組合，然后通過檢測光線的邊緣來測量距離，二者的硬件結(jié)構(gòu)是類似的。二者比較明顯的區(qū)別在于，在紅外光發(fā)射端，結(jié)構(gòu)光由于需要形成特定的光學(xué)圖案，所以需要添加特制的DOE（衍射光柵）和Lens（光學(xué)棱鏡）。

一、硬件層面：VCSEL與紅外CIS攝像頭成為市場新增量

根據(jù)中國***科技時(shí)報(bào)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對于移動(dòng)端3D視覺而言，紅外光發(fā)射器的成本在2-2.5美元/顆，是占比最高的單顆元器件；圖像處理芯片，為1-1.5美元/顆；紅外CIS與可見CIS的價(jià)格接近，為1-2美元/顆，在紅外CIS上還需要添加高質(zhì)量的紅外濾色片（IR Fliter），價(jià)格為0.5-1美元/顆。整個(gè)系統(tǒng)模組的封裝成本為3-4美元/顆。

1）紅外光發(fā)射器

紅外主要波長是700nm-2500nm。目前的攝像頭圖像傳感器對900nm以上的紅外光感應(yīng)差，需要更強(qiáng)的光才能感測到，這就要求紅外發(fā)射器有更大的電流，更多的功耗。而800nm以下的波長，太靠近可見光，極其容易受到太陽光的干擾，所以一般紅外的波長在800nm-900nm。目前，可以提供800-900nm波段的光源主要有三種：紅外LED、紅外LD（激光二極管）和VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）。

三星Note7和富士通ARROWS NX F-04G手機(jī)中搭載的虹膜識別功能，采用的就是紅外LED作為發(fā)光光源，波長為810nm，歐司朗提供。虹膜識別采用紅外LED的重要原因是LED可提供大角度散射光，消費(fèi)者在使用時(shí)位置即使眼睛位置有所偏差，虹膜也可以被照射到。但是紅外LED不適合移動(dòng)端3D視覺，尤其是集成到手機(jī)上的話，因?yàn)槠涔饩€指向性差、功耗大、響應(yīng)速度較慢。

紅外激光二極管是指可在一個(gè)頻率上產(chǎn)生相干紅外光束的半導(dǎo)體二極管，通常是由砷化鎵或摻雜有銦和鋁之類其他材料的砷化鎵制成。與LED相比，具有激光的定向性好、高亮度特點(diǎn)，比較常見的是LD-DFB規(guī)格（以FP腔為諧振腔，發(fā)出多縱模相干光），為邊發(fā)射模式（簡稱EEL）。在激光通信、光存儲(chǔ)、光陀螺、激光打印、測距以及雷達(dá)等方面以及獲得了廣泛的應(yīng)用。

VCSEL可以說是紅外激光LD的一種，全名為垂直共振腔表面放射激光，顧名思義，它是可以垂直發(fā)射模式，與其他紅外LD的邊發(fā)射模式不同。VCSEL的垂直結(jié)構(gòu)更加適合進(jìn)行晶圓級制造和封測，規(guī)模量產(chǎn)之后的成本相比于邊發(fā)射LD有優(yōu)勢，可靠性高，沒有傳統(tǒng)的激光器結(jié)構(gòu)如暗線缺陷的失效模式。相比于LED，VCSEL的光譜質(zhì)量高，中心波長溫漂小，響應(yīng)速度快，優(yōu)勢明顯。

綜合分析三種方案，LED雖然成本低，但是發(fā)射光角度大，必須輸出更多的功率以克服損失。此外，LED不能快速調(diào)制，限制了分辨率，需要增加閃光持續(xù)時(shí)間；邊發(fā)射LD也是手勢識別的可選方案，但是輸出功率固定，邊緣發(fā)射的模式在制造工藝方面兼容性不好。VCSEL比LD-EEL的優(yōu)勢在于所需的驅(qū)動(dòng)電壓和電流小，功耗低，光源可調(diào)變頻率更高（可達(dá)數(shù)GHz），與化合物半導(dǎo)體工藝兼容，適合大規(guī)模集成制造。尤其是VCSEL功耗低、可調(diào)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，使其比LD-EEL更加適合消費(fèi)電子智能終端。

VCSEL的制造依賴于MBE（分子束外延）或MOCVD（金屬有機(jī)物氣相沉積）工藝，在GaAs（80%左右的份額）或InP（15%左右的份額）晶圓上生長多層反射層與發(fā)射層。典型的VCSEL結(jié)構(gòu)包括：激光腔（laser cavity），頂部和底部分布式布拉格反射器（DBR），電極等部分，其中激光腔的主要部分是量子阱（quantum wells）和光限制層（confinement structure）。

由于VCSEL主要采用三五族化合物半導(dǎo)體材料GaAs或InP（含有In、Al等摻雜），因此移動(dòng)端VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈與化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)類似。

目前，全球范圍內(nèi)主要的設(shè)計(jì)者包括Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon、ⅡⅥ等公司，它們在移動(dòng)端VCSEL處于前沿的研發(fā)角色。由IQE、全新、聯(lián)亞光電等公司提供三五族化合物EPI外延硅片，然后由宏捷科（Princeton Optronics合作方）、穩(wěn)懋（Heptagon合作方）等公司進(jìn)行晶圓制造，再經(jīng)過聯(lián)鈞、矽品等公司的封測，便變成了獨(dú)立的VCSEL器件。然后由設(shè)計(jì)公司提供給意法半導(dǎo)體、德州儀器、英飛凌等綜合解決方案商，再提供給下游消費(fèi)電子廠商。

2）紅外光圖像傳感器

紅外CMOS圖像傳感器（IR CIS）用來接收被手部或臉部反射的紅外光，這是一個(gè)比較成熟的器件。在搭載虹膜識別功能的三星Note7和富士通ARROWS NX F-04G手機(jī)中均出現(xiàn)IR CIS，其中三星的紅外CIS中傳感芯片由三星自家提供，鏡頭來自于韓國廠商Kolen，模組由韓國廠商Patron制造。

目前來看，紅外CIS供應(yīng)商主要包括意法半導(dǎo)體、奇景光電、三星電子、富士通等公司。相比于可見光CIS，紅外CIS還是一個(gè)比較小的市場，但是增速很快，隨著熱成像、汽車夜視、安防監(jiān)控、手勢識別、虹膜識別等的普及，紅外CIS出貨量有望快速增長。

對于3D視覺而言，IR紅外攝像頭與RGB可見光攝像頭在濾色片方面存在較大的差異。傳統(tǒng)的RGB可見光攝像頭，需要采用高通紅外濾色片，將不必要的低頻近紅外光過濾掉，以免紅外光線對可見光部分造成影響，產(chǎn)生偽色或波紋，同時(shí)可以提高有效分辨率和彩色還原性。但是紅外攝像頭，為了不受到環(huán)境光線的干擾，需要使用窄帶濾色片，只允許特定波段的近紅外光通過，目前近紅外窄帶濾色片主要采用干涉原理，需要幾十層光學(xué)鍍膜構(gòu)成，相比于RGB吸收型濾色片具有更高的技術(shù)難度和產(chǎn)品價(jià)格。

目前，近紅外窄帶濾色片主要廠商包括VIAVI、水晶光電等。

3）可見光圖像傳感器

可見光圖像傳感器（Vis CIS）是非常成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，隨著智能手機(jī)拍照功能的不斷完善，可見光CIS的分辨率越來越高、功耗越來越小、技術(shù)也越來越先進(jìn)。

4）圖像處理芯片

圖像處理芯片需要將紅外光CIS采集的位置信息與可見光CIS采集的物體平面信息處理成單像素含有深度信息的三維圖像。該芯片具有一定的技術(shù)壁壘，對于算法層面的要求較高，目前全球范圍內(nèi)可以提供該類產(chǎn)品的公司為少數(shù)幾家芯片巨頭，包括意法半導(dǎo)體、德州儀器、英飛凌和恩智浦（已被高通收購）等。

5）紅外光發(fā)射端DOE與Lens

對于結(jié)構(gòu)光方案而言，在紅外光發(fā)射端必須配有DOE（衍射光柵）和Lens（光學(xué)棱鏡），因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)光需要以線條等圖案的形式發(fā)射紅外光，這需要特定的光柵和光學(xué)棱鏡的參與才能夠?qū)崿F(xiàn)。

二、算法與軟件層面：AI人工智能將成為提升精度的重要因素

隨著AI人工智能技術(shù)的大幅進(jìn)步，人工智能方案已經(jīng)在語音識別、語義理解、圖片識別等領(lǐng)域取得成功，在物體識別、人臉識別方面也取得了長足的進(jìn)步，3D視覺在算法方面與人工智能結(jié)合，將實(shí)現(xiàn)識別精度的大幅提升，對于更加復(fù)雜的手部動(dòng)作/面部表情可以進(jìn)行更加深刻的理解和分析，這將極大促進(jìn)3D視覺的推廣和實(shí)用價(jià)值。

國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)公司分析

在主流的三種技術(shù)方案中，TOF方案響應(yīng)速度快，深度信息精度高，識別距離范圍大，不易受環(huán)境光線干擾，因此是移動(dòng)端3D視覺比較可行的方案；結(jié)構(gòu)光方案由于技術(shù)較為成熟，工業(yè)化產(chǎn)品較多，也被部分廠商所采用；雙目立體成像是比較新的技術(shù)，參與的廠商較少，更適合室外強(qiáng)光條件和高分辨率應(yīng)用，目前主要應(yīng)用在機(jī)器人視覺、自動(dòng)駕駛等方面。

一、綜合方案提供商

目前，在深度相機(jī)綜合技術(shù)方案方面，國外參與的公司眾多，既有微軟、英特爾等巨頭，也有德州儀器、意法半導(dǎo)體、英飛凌、AMS（Heptagon）等芯片巨頭，還包括SoftKinetic（索尼收購）、PrimeSense（蘋果收購）、LeapMotion等明星創(chuàng)業(yè)型公司。

目前，國內(nèi)從事深度攝像頭綜合技術(shù)方案的主要公司包括：TOF方案——舜宇光學(xué)、海康威視、深圳樂行天下，結(jié)構(gòu)光方案——深圳奧比中光、南京華捷艾米，雙目立體成像方案——上海圖漾科技。

二、系統(tǒng)模組封裝與集成供應(yīng)商

由于3D視覺方案涉及較多的硬件部分，需要紅外發(fā)射端、紅外接收攝像頭、可見光攝像頭、圖像處理芯片四大部分的協(xié)同合作，紅外光的發(fā)射與接收之間的匹配對整個(gè)3D視覺方案的準(zhǔn)確度和響應(yīng)速度至關(guān)重要，因此整個(gè)系統(tǒng)模組的封裝和集成是非常關(guān)鍵的。

在聯(lián)想Phab2 Pro手機(jī)中，3D深度相機(jī)的模組封裝與集成由舜宇光學(xué)完成。除了舜宇光學(xué)之外，具備移動(dòng)端3D方案模組封裝的廠商還包括歐菲光、LG Innotek、Sharp等。

三、紅外光發(fā)射器-VCSEL

由于VCSEL在高端短距離光通訊領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因此國內(nèi)光通訊器件龍頭光迅科技在VCSEL方面已經(jīng)有商業(yè)化產(chǎn)品推出。但是，致力于移動(dòng)端VCSEL設(shè)計(jì)的公司主要包括Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon、ⅡⅥ等國外公司，國內(nèi)公司涉及較少。

中科院長春光機(jī)所在VCSEL科研領(lǐng)域處于世界前沿地位，2014年5月長春光機(jī)所在國內(nèi)首次研制出堿金屬原子光學(xué)傳感技術(shù)專用的795nm和894nm 垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。可作為核心光源用于芯片級原子鐘、原子磁力計(jì)、原子陀螺儀等堿金屬原子傳感器。

VCSEL主要基于三五族化合物砷化鎵制造而成，目前在VCSEL和制造和封測方面，目前主要是***化合物半導(dǎo)體廠商參與，包括外延片提供商IQE（英國）、全新、聯(lián)亞光電，晶圓代工宏捷科、穩(wěn)懋，封測廠聯(lián)鈞、矽品等。國內(nèi)方面，三安光電在化合物半導(dǎo)體外延生長和晶圓制造領(lǐng)域發(fā)展迅速，具備較強(qiáng)的實(shí)力，公司在國家大基金的支持下建設(shè)年產(chǎn)30萬片GaAs和6萬片GaN的6寸生產(chǎn)線，建設(shè)進(jìn)程順利。

四、紅外與可見CIS攝像頭

紅外CMOS圖像傳感器（IR CIS）用來接收被手部反射的紅外光，這是一個(gè)比較成熟的芯片。

紅外CIS供應(yīng)商主要包括意法半導(dǎo)體、奇景光電、三星電子、富士通等公司。相比于可見光CIS，紅外CIS還是一個(gè)比較小的市場，但是增速很快，隨著熱成像、汽車、監(jiān)控、手勢識別、虹膜識別等的普及，紅外CIS出貨量有望快速增長。

中國大陸目前已經(jīng)在攝像頭方面形成了完善的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，在CIS芯片方面有北京君正（OV）、格科微電子、比亞迪電子等公司，在光學(xué)透鏡方面有舜宇光學(xué)、聯(lián)創(chuàng)電子等，在模組制造方面有歐菲光、舜宇光學(xué)、丘鈦科技等公司。

根據(jù)前文我們的分析，對于3D視覺而言，IR紅外攝像頭與RGB可見光攝像頭在濾色片方面存在較大的差異。紅外攝像頭為了不受到環(huán)境光線的干擾，需要使用窄帶濾色片，只允許特定波段的近紅外光通過。目前，近紅外窄帶濾色片主要廠商包括VIAVI、水晶光電等。

五、圖像處理芯片

該芯片具有一定的技術(shù)壁壘，對于算法層面的要求較高，目前全球范圍內(nèi)可以提供該類產(chǎn)品的公司為少數(shù)幾家芯片巨頭，包括意法半導(dǎo)體、德州儀器、英飛凌、恩智浦、安霸，以及索尼、東芝、富士通等日本芯片巨頭。

在圖像處理芯片方面，國內(nèi)公司全志科技、北京君正和瑞芯微具備一定的實(shí)力，尤其是在幾年前平板電腦爆發(fā)時(shí)得到了快速成長。

六、國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)芤婀緟R總

經(jīng)過我們前文的分析，移動(dòng)端3D視覺作為一個(gè)嶄新的技術(shù)，已經(jīng)出現(xiàn)在微軟Kinect、英特爾RealSense等產(chǎn)品中，隨著硬件端技術(shù)的不斷進(jìn)步，算法與軟件層面的不斷優(yōu)化，3D視覺的精度和實(shí)用性不斷得到提升，尤其是TOF方案與VCSEL的快速成熟，使得“深度相機(jī)+手勢/面部識別”具備了大規(guī)模進(jìn)入移動(dòng)智能終端的基礎(chǔ)。

分析整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)，無論是結(jié)構(gòu)光方案、TOF方案，還是雙目立體成像方案，主要可以劃分為：綜合技術(shù)方案提供商、算法與軟件商、硬件供應(yīng)商三部分，其中硬件又可以劃分為四大元器件（紅外發(fā)射器、紅外CIS攝像頭、可見光CIS攝像頭、圖像處理芯片，另外紅外攝像頭需要特制的窄帶濾色片，結(jié)構(gòu)光方案需要發(fā)射端光學(xué)棱鏡與DOE光柵，雙目立體成像方案多一顆紅外CIS攝像頭）。

（1）綜合技術(shù)方案提供商

國內(nèi)從事深度攝像頭綜合技術(shù)方案的主要公司包括：TOF方案——舜宇光學(xué)（2382.HK）、深圳樂行天下，結(jié)構(gòu)光方案——深圳奧比中光、南京華捷艾米，雙目立體成像方案——上海圖漾科技。

（2）系統(tǒng)模組封裝與集成供應(yīng)商

在聯(lián)想Phab2 Pro手機(jī)中，3D深度相機(jī)的模組封裝與集成由舜宇光學(xué)完成。歐菲光、丘鈦科技等相機(jī)模組制造商，由于在相機(jī)模組制造方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，具備發(fā)展相應(yīng)技術(shù)的潛力。

（3）算法與軟件商

目前，算法方面還沒有成為獨(dú)立的一環(huán)，因?yàn)榇蟛糠志C合技術(shù)方案供應(yīng)商已經(jīng)在算法層面進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)是為客戶提供硬件+算法一體化的方案。

（4）硬件供應(yīng)商

1）紅外發(fā)射器

國內(nèi)在VCSEL方面起步較晚，在設(shè)計(jì)方面還不具有有競爭力的公司，長春光機(jī)所在VCSEL科研領(lǐng)域處于世界先進(jìn)水平；光迅科技曾開發(fā)出光通信使用的VCSEL芯片。由于VCSEL主要材料為GaAs（摻雜In、Al等），在工藝方面與化合物半導(dǎo)體類似，在化合物晶圓制造方面，三安光電具有較強(qiáng)的實(shí)力。

2）紅外與可見光CIS

中國大陸目前已經(jīng)在攝像頭方面形成了完善的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，在CIS芯片方面有北京君正（擬收購OV和思必科）、格科微電子、比亞迪電子等公司，在光學(xué)透鏡方面有舜宇光學(xué)、聯(lián)創(chuàng)電子，在模組制造方面有歐菲光、舜宇光學(xué)、丘鈦科技等公司。

3D視覺方案需要克服環(huán)境光線的干擾，因此在紅外CIS上需要添加窄帶濾色片，國內(nèi)公司水晶光電具有深厚的技術(shù)基礎(chǔ)和較高的國際知名度，有望受益。

3）圖像處理芯片

在圖像處理芯片方面，國內(nèi)公司全志科技、北京君正和瑞芯微具備一定的實(shí)力，尤其是在幾年前平板電腦爆發(fā)時(shí)得到了快速成長。

4）結(jié)構(gòu)光DOE與Lens

對于結(jié)構(gòu)光方案而言，需要通過衍射光柵DOE和光學(xué)棱鏡Lens，獲得特定形狀的光斑，一般采用MEMS工藝制造加工。