TOF行业专题研究：TOF有望成为3D感测主流方案.pdf

Table_Title TOF行业专题研究 TOF有望成为 3D感测主流方案 2019 年 12 月 31 日 Table_Summary 【投资要点】 智能手机 3D 感测渗透加速， TOF 有望成为主流技术。 2018 年 8 月 23日 OPPO 发布了首部搭载 TOF 摄像头的智能手机 OPPO R17 Pro,拉开智能手机领域 TOF 模组应用的序幕。随后 vivo、华为、三星、 LG、联想等公司也纷纷发布搭载 TOF 摄像头的机型。 通过对 3D 结构光和 TOF两种方案进行对比分析，可得出结论 在人脸识别等短距离、精度要求较高的应用场景， 3D 结构光方案更为适合，因此预计苹果未来仍将沿用前置 3D 结构光的方案 ； 在 AR 应用、手势识别等较长距离、精度要求较低的应用场景， TOF 方案更为适合，预计未来包括苹果以及安卓主流厂商都会导入后置 TOF 镜头。 另外 据腾讯科技、集微网、韩国网站 The Elec 等多家媒体报道，供应链消息称苹果将在 2020 年的 iPad Pro 和两款 iPhone 中搭载 TOF 后置镜头。苹果的入局有望加快安卓端的 渗透速度，我们对主要品牌手机厂商的 TOF 机型 2019 年和 2020 年的渗透率进行了假设，预测 2019/2020 年全球搭载 TOF 模组的智能手机出货量分别为 4300 万和 1.5 亿部。考虑到华为、三星等部分高端机型搭载前后 TOF 模组，预测 2019/2020 年全球智能手机的 TOF 模组合计为 5700 万和 1.83 亿个。 5G 时代物联网 /VR/AR 应用拉动 TOF 需求。 尽管目前已经推出的 TOF手机功能众多，如美图、体型测量、 AR 尺子、 Emoji 表情等，但以上功能对于用户而言更多是尝鲜，并不实用。实际上，在智能手机之外，TOF 模 组还有更广阔的应用市场，包括智慧驾驶、机器人、智能家居、智慧电视、智能安防和 VR/AR 等。 5G 时代推动物联网应用，从而带来各类智能设备对三维感知能力的需求。 TOF 凭借其成本优势、优秀的实时感知能力将成为主流的 3D 感测方案。据 IHS Markit 预测， 2022年 全球 TOF 市场规模将达到 15 亿美元， 约 占整个 3D 感测市场的 50%。 国内厂商在镜头、滤光片和模组环节占据较大优势。 整个 TOF 产业链包括 方案厂商、算法厂商、发射端泛光照明器以及接收端近红外摄像头等环节。 TOF 主要方案 厂商有微软、索尼、松下、英飞凌 /pmd、 AMS、ST、 TI、 Melexis、 ESPROS 等海外公司， 国内 相对领先的 有 聚芯微电子、炬佑智能等 公司 。 在泛光照明器中的 VCSEL 环节，从上游的砷化镓晶圆、外延片、 IC 涉及到下游的晶圆代工等都基本由国外主导，国内三安光电、乾照光电等厂商也在积极布局。近红外摄像头的 CMOS传感器环节，索尼和三星具备绝对领先优势。国内舜宇光学、联创电子在镜头领域具备一定优势，水晶光电在窄带滤光片环节具备较大优势，舜宇光学、欧菲光等在模组环节具备较大优势。 Table_Rank 强于大市 （维持） Table_Author 东方财富证券研究所 证券分析师：王好 证书编号： S1160519090001 联系人： 马建华 电话： 021-23586480 Table_PicQuote 相对指数表现 Table_Report 相关研究 封测行业复苏在即，先进封装需求强劲 2019.12.27 5G 助力云 VR 规模化，视频业务率先落地 2019.12.26 关注“ 5G+光学 ” 创新主线以及国产替代机遇 2019.12.09 2019 年三季报分析：业绩逐步回暖，关注具备增长空间板块 2019.11.06 2019 年中报分析：行业逐步触底，把握国产替代和 5G 发展主线 2019.09.05 -1.74%16.30%34.33%52.37%70.40%88.44%12/31 2/28 4/30 6/30 8/31 10/31 12/31电子设备 沪深 300Table_Title1 行业研究 /电子设备 / 证券研究报告 挖掘价值 投资成长 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 2 Table_yemei TOF 行业专题研究 【配置建议】 看好 手机摄像头模组龙头厂商欧菲光 ，谨慎看好 窄带滤光片龙头厂商水晶光电 ，建议关注 国内镜头领先厂商联创电子。 【风险提示】 智能手机领域 TOF 渗透不及预期； 物联网应用落地不及预期； 其他 3D 感测技术替代风险。 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 3 Table_yemei TOF 行业专题研究 正文目录 1.智能手机 3D 感测渗透加速， TOF 有望成为主流技术 . 6 1.1.3D 感测渗透加速，主流手机厂商加入 TOF 阵营 . 6 1.2. 3D 结 构光 vs TOF：手机厂为何选择 TOF 方案？ . 10 1.2.1.原理和系统组成对比 . 10 1.2.2.性能和应用场景对比 . 14 2.5G 时代物联网 /VR/AR 应用拉动 TOF 需求 . 17 3.国内厂商在镜 头、滤光片和模组环节具备优势 . 19 3.1.产业链全景图 . 19 3.2.发射端 泛光照明器（ Flood Illuminator） . 22 3.2.1.VCSEL . 22 3.2.2.Diffuser（扩散器） . 27 3.3.接收端 近红外摄像头（ NIR Camera） . 28 3.3.1.传感器芯片 . 28 3.3.2.光学镜头 . 29 3.3.3.窄带滤光片 . 29 3.4. 模组厂商 . 29 4.A 股推荐标的 . 30 4.1.欧菲光 . 30 4.2.水晶光电 . 32 4.3.联创电子 . 33 5.风险提示 . 34 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 4 Table_yemei TOF 行业专题研究 图表目录 图表 1：不同应用领域采用的 3D 感测技术 . 6 图表 2： 3D 结构光技术发展大事记 . 7 图表 3：目前已发布的搭载 3D 结构光的智能手机 . 7 图表 4： TOF 技术发展大事记 . 8 图表 5：目前已发布的搭载 TOF 3D 感测模组的智能手机 . 9 图表 6：搭载 TOF 摄像头的智能手机出货量（百万台）预测 . 9 图表 7： 3 种主流 3D 感测方案原理对比：立体视觉 vs 3D 结构光 vs TOF . 10 图表 8： iPhoneX 3D 结构光模组和 OPPO R17 Pro TOF 模组构成对比 . 11 图表 9： iPhone X 3D 结构光模组光路图 . 11 图表 10： TOF 3D 感测系统 . 12 图表 11： AMS 的两款分别用于 3D 结构光和 TOF 模组的泛光照明器产品参数对比 . 12 图表 12： Finisar 的 Diffuser 产品 . 13 图表 13：窄带滤光片工作原理 . 13 图表 14：窄带滤光片光谱图 . 13 图表 15：光源类型决定了 3D 结构光和 TOF 的测量距离范围 . 14 图表 16： vivo TOF 方案的 10 倍有效深度信息宣传系概念混淆 . 15 图表 17： 3D 结构光方案的最大可检测深度范围 Z 与基线 B 成正比 . 15 图表 18： 3 种主流移动端 3D 感测技术对比 . 16 图表 19： TOF 的应用场景 . 17 图表 20：三种结构光技术的适用领域 . 18 图表 21： 2013-2022 年各应用领域 TOF 市场规模 . 18 图表 22： 3D 感测产业链全景图 . 19 图表 23： 3D 结构光和 TOF 方案厂商阵营 . 19 图表 24： AMS 公司 3D 感测产品系列 . 20 图表 25： Sony 背照式 TOF 传感器 IMX456QL 尺寸 . 20 图表 26：英飞凌 -pmd 合作模式 . 21 图表 27：华为 Mate 30 Pro TOF 摄像头供应链 . 21 图表 28：智能手机中用到的 VCSEL . 22 图表 29： iPhone 中 VCSEL 成本 . 22 图表 30： 2018-2024 全球 VCSEL 市场规模 . 23 图表 31： VCSEL 产业链 . 23 图表 32：各产品中 3D 结构光模组和 TOF 模组采用的 VCSEL 厂商 . 24 图表 33：乾照光电现有 VCSEL 产品版图 . 25 图表 34： 2013-2018 年全球 GaAs 晶圆市场规模（亿美元） . 25 图表 35： 2014-2018 年全球 GaAs 外延片市场规模（亿美元） . 26 图表 36： 2018 年全球 GaAs 外延片市场竞争格局 . 26 图表 37： 2014-2018 年全球 GaAs 晶圆代工市场规模（亿美元） . 27 图表 38： 2018 年全球 GaAs 晶圆代工市场竞争格局 . 27 图表 39： VIAVI 的 Diffuser 产品系列 . 28 图表 40：历年 CIS 厂商市场份额 . 28 图表 41： 2017 年全球手机镜头市场份额 . 29 图表 42：历年 CCM（ 摄像头模组）厂商市场份额 . 30 图表 43：推荐标的估值（截至 2019-12-30） . 30 图表 44：欧菲光业务和产品构成 . 31 图表 45：欧菲光近 5 年营业收入（亿元）及 YoY . 31 图表 46：欧菲 光近 5 年归母净利润（亿元）及 YoY . 31 图表 47：欧菲光营业收入按业务拆分 . 31 图表 48：欧菲光主要业务毛利率 . 31 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 5 Table_yemei TOF 行业专题研究 图表 49：水晶光电业务和产品构成 . 32 图表 50：水晶光电近 5 年营业收 入（亿元）及 YoY . 33 图表 51：水晶光电近 5 年归母净利润（亿元）及 YoY . 33 图表 52：水晶光电营业收入按业务拆分 . 33 图表 53：水晶光电主要业务毛利率 . 33 图表 54：联创电子近 5 年营业收 入（亿元）及 YoY . 34 图表 55：联创电子近 5 年归母净利润（亿元）及 YoY . 34 图表 56：联创电子营业收入按业务拆分 . 34 图表 57：联创电子主要业务毛利率 . 34 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 6 Table_yemei TOF 行业专题研究 1.智能手机 3D 感测渗透加速， TOF 有望成为主流技术 1.1.3D 感测渗透加速，主流手机厂商加入 TOF 阵营 3D 感测技术路线很多，不同技术的性能不同，适合的应用领域也不同。在消费电子应用领域，目前主流的 3D 感测技术有两种： 3D 结构光（ 3D Structure Light）和时间飞行法 (TOF, Time of Flight)。 图表 1：不同应用领域采用的 3D 感测技术 资料来源： Yole，东方财富证券研究所 注： Projection based 指 3D 结构光， Time of flight 指基于连续波强度调制的 TOF，Time gated 指基于脉冲波调制的 TOF 3D 结构光在消费电子领域的商用最早可追溯到 2009 年，微软与以色列3D 感测公司 PrimeSense 合作发布了搭载 3D 结构光模组 的体感设备 Kinect 一代， 2010 年 11 月上市后，该产品成为 2011 年销售最快的消费电子设备。尽管产品大获成功，但第一代 Kinect 的准确度、图像分辨率和响应速度并不理想，微软在 2009 年和 2010 年先后收购了以色列 TOF 相机公司 3DV Systems 和 3D手势识别公司 Canesta，并在 2013 年终止了与 PrimeSense 的合作，自行研发推出搭载 TOF 摄像头的 Kinect 2 代产品。然而好景不长，由于缺乏爆款游戏应用、硬件亏本销售等问题的存在， 2017 年 10 月微软表示已经停止生产 Kinect，自 2011 年上市以来累计销量仅 3500 万部。尽管 Kinect 失败，但在游戏市场的沉淀使得 3D 感测技术日益成熟， 2017 年苹果发布 iPhone X，首次搭载 3D结构光模组，可实现 3D 人脸识别技术，成为苹果近两年最大的创新。 此前由于半导体工艺等多方面技术的限制， 3D 感测很难应用到体积非常有限、功耗要求低的手机上，因此 iPhone X 的发布是 3D 结构光技术的重大突破，市场对 3D结构光技术的热情重新点燃。 苹果的 3D 结构光方案正是来自为微软 Kinect 一代提供技术方案的 PrimeSense，苹果在 2013 年 11 月宣布以 3.6 亿美元收购该公司。苹果之外，主要 3D 结构光方案厂商还有美国的英特尔、高通 /Himax，以色列 Mantis Vision 以及国内华为、奥比中光等公司。 2014 年英特尔发布全球首款内嵌于各种智能设备的 3D景深摄像头 RealSense，采用 3D结构光技术，应用在联想、戴尔等多款超极本电脑以及无人机等设备中。同年高通宣布与影2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 7 Table_yemei TOF 行业专题研究 像 IC 设计公司奇景光电 Himax 合作提供高分辨率、低功耗的 3D 结构光模组SLiMTM。 iPhone X 发布后，国内小米、华为和 OPPO 也先后发布了首款搭载 3D结构光模组的智能手机，其中小米 采用的是以色列 Mantis Vision 公司的解决方案，华为采用的是自研方案， OPPO 采用的是国内公司奥比中光的解决方案。苹果在 2018 年和 2019 年的 iPhone 新产品中也全部搭载了 3D 结构光模组。 图表 2： 3D 结构光技术发展大事记 资料来源：各公司官网，东方财富证券研究所 目前已经发布的搭载 3D 结构光模组的智能手机包括苹果的 iPhone X 以后的所有机型，华为的 Mate20 Pro、荣耀 Magic 2 和 Mate 30 Pro,小米的小米 8探索版以及 OPPO 的 OPPO FindX。据 DigiTimes 数据， 2018 年搭载 3D 结构光的智能手机整体约 1 亿台，其中苹果占比约 88%。 图表 3：目前已发布的搭载 3D 结构光的智能手机 品牌 型号 上市时间 发布价格 苹果 iPhone X 2017.9.13 999 美元起 iPhone XR 和 XS 系列 2018.9.13 749 美元起 iPhone 11 系列 2019.9.11 700 美元起 华为 华为 Mate20 Pro 2018.10.16 5399 元起 荣耀 Magic 2 2018.10.31 3799 元起 华为 Mate30 Pro 2019.9.26 5799 元起 小米 小米 8 探索版 2018.5.31 3699 元起 OPPO OPPO FindX 2018.6.20 4999 元起 资料来源：各手机公司官网，东方财富证券研究所 TOF 最早的商用可追溯到 2006 年 7 月，衍生自 CSEM（瑞士电子与微技术中心）的 MESA Imaging公司成立，并推出商用 TOF摄像头产品系列 SwissRanger，最开始应用于汽车的被动安全检测。 2014 年， MESA 被新加坡微型光学器件厂2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 8 Table_yemei TOF 行业专题研究 商 Heptagon 收购， Heptagon 在 2016 年又被奥地利知名传感器厂商 AMS 收购，在小型化 TOF 传感器领域已经具备了一定优势。 2013 年，微软在第二代 Kinect中采用了 TOF 技术，方案来自 2010 年收购的 TOF 相机公司 3DV Systems。 2015年，索尼索尼收购比利时手势识别技术公司 SoftKinetic，该公司拥有知名DepthSense TOF 感测系统，两年后索尼就发布了全球最小的 TOF 模组。 TOF 技术首次应用到智能手机是在 2016 年， Google 和联想合作推出了全球首个搭载TOF 模组的智能手机 Phab2 Pro，采用的是 pmd/英飞凌的 TOF 方案，该手机可实现一些如三维测量等简易的 AR 应用，但并没有引起市场较大的反响。英飞凌和德国 3D 感测公司 pmd 在 TOF 领域合作了数十年，并开发出了知名的 REAL3 TOF 传感器芯片，其中 pmd 主要提供 TOF 像素矩阵，英飞凌主要提供芯片上系统（ SoC）集成的所有功能组件，并开发相应的制造工艺，该方案还用在了 华硕 2017 年发布的 AR 智能手机 Zenfone 上。 2018 年 8 月 6 日 ,OPPO 在北京召开了 TOF 技术沟通会 , 并在 8 月 23 日发布了其首部搭载 TOF 摄像头的智能手机OPPO R17 Pro,采用了 Sony 的解决方案。随后在 2018 年 12 月， vivo 发布了其首部搭载 TOF 摄像头的智能手机 vivo NEX 双屏版，采用了松下的解决方案；华为发布了其首部搭载 TOF摄像头模组的智能手机荣耀 V20,采用的是 OPPO R17 Pro 相同的 TOF 方案。 进入 2019 年后，安卓厂商纷纷加入 TOF 镜头的阵营， 2019年 2 月，三星 发布了 Galaxy S10 5G，前后分别各搭载一颗 TOF 镜头； LG 发布了 LG G8 ThinQ，搭载后置 TOF 镜头， 采用了英飞凌的解决方案 ；联想发布了Z6 Pro 5G 手机，搭载了后置 TOF 镜头。华为在 6 月份在中端机型 nova 5 Pro上也搭载了后置 TOF 镜头。 图表 4： TOF 技术发展大事记 资料来源：各公司官网，东方财富证券研究所 目前除小米以外，主要安卓手机厂商均发布了搭载 TOF 模组的智能手机，其中华为和三星发布的机型数量相对较多。 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 9 Table_yemei TOF 行业专题研究 图表 5：目前已发布的搭载 TOF 3D 感测模组的智能手机 品牌 型号 发布时间 发布价格 备注 OPPO OPPO R17 Pro 2018.8.23 4299 元起 采用 Sony TOF 方案（ IMX316 传感器） OPPO Reno3 Pro 2019.12.26 3999 元起 vivo vivo NEX 双屏版 2018.12.19 4998 元 采用松下 TOF 方案，搭配 ADI 控制芯片 华为 荣耀 V20 2018.12.26 2999 元起 采用 Sony TOF 方案（ IMX316 传感器） 华为 Mate X 2019.2.24 16999 元起 华为 P30 Pro 2019.3.26 5488 元起 华为 nova 5 Pro 2019.6.21 2999 元起 华为 Mate 30 Pro 2019.9.19 5799 元起 前后两颗 三星 三星 S10 5G 2019.2.21 8270 元 前后两颗，采用 Sony TOF 方案 三星 A80 2019.4.10 4440 元 三星 Note 10+ 2019.8.8 1099 美元起 采用 Sony TOF 方案 联想 联想 Z6 Pro 5G 2019.4.23 3299 元 LG LG G8 THINQ 2019.2.25 5300 元 采用英飞凌 /pmd TOF 方案 资料来源：各手机公司官网，东方财富证券研究所 据腾讯科技、集微网、韩国网站 The Elec 等多家媒体报道，供应链消息称苹果将在 2020 年的 iPad Pro 和两款 iPhone 中搭载 TOF 后置镜头，前置人脸识别摄像头则还是沿用 3D 结构光的技术。报道还表示苹果或借助定制 CMOS的方式模拟人眼功能，实现 AR 实景导航等应用，突破当前 TOF 镜头缺乏“硬 ”用的瓶颈。苹果的入局有望加快安卓端的渗透速度，业界普遍看好 TOF 模组将在 2020 年迎来放量。我们对主要品牌手机厂商的 TOF 机型 2019 年和 2020 年的渗透率进行了假设，预测 2019/2020 年全球搭载 TOF 模组的智能手机出货量分别为 4300 万和 1.5 亿部。考虑到华为、三星等部分高端机型搭载前后 TOF模组，预测 2019/2020年全球智能手机的 TOF模 组合计为 5700万和 1.83亿个。 图表 6：搭载 TOF 摄像头的智能手机出货量（百万台）预测 2018 2019F 2020F 苹果 手机出货量 209 193 212 后置 TOF 渗透率 0% 0% 21% TOF 出货量 0 0 45 华为 手机出货量 206 230 230 后置 TOF 渗透率 0% 10% 20% 前后 TOF 渗透率 0% 5% 12% TOF 出货量 0 46 97 三星 手机出货量 292 323 320 后置 TOF 渗透率 0% 1% 5% 前后 TOF 渗透率 0% 1% 3% TOF 出货量 0 10 35 小米、 OPPO、 vivo 等其他手机 2017 敬请阅读本报告正文后各项声明 10 Table_yemei TOF 行业专题研究 手机出货量 698 625 626 后置 TOF 渗透率 0.3% 0.3% 1% TOF 出货量 2 2 6 全球手机出货量合计 1400 1371 1388 全球 TOF 手机出货量合计 2 43 150 全球 TOF 模组出货量合计 2 57 183 资料来源： IDC， Strategy Analytics，东方财富证券研究所 1.2. 3D 结构光 vs TOF：手机厂为何选择 TOF 方案？ 1.2.1.原理和系统组成对比 3D 结构光方案的原理 是采用红外光源，发射出来的光经过一定的编码投影在物体上，这些图案经物体表面反射回来时，随着物体距离的不同会发生不同的形变，图像传感器将形变后的图案拍下来。基于三角定位法，可以通过计算拍下来的图案里的每个像素的变形量，来得到对应的视差，从而进一步得到深度值。 TOF 方案的原理 是采用红外光源发射高频光脉冲到物体上，然后接收从物体反射回去的光脉冲，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来计算被测物体离相机的距离。 图表 7： 3 种 主流 3D 感测方案原理对比：立体视觉 vs 3D 结构 光 vs TOF 资料来源： semanticscholar，东方财富证券研究所 对比 iPhone 的 3D 结构光模组和 OPPO R17 Pro 的 TOF 模组，可看出二者的组成结构类似， 3D 结构光只是在发射端多了一个点阵投影仪，但实际上两种方案中采用的泛光照明器和近红外摄像头有很大区别。 3D 结构光模组中最复杂的器件为点阵投影仪， TOF 模组中最复杂的器件为近红外摄像头（即 TOF Sensor，TOF 传感器）。