光学传输与摄像头光学技术

光学传输与摄像头光学技术
时域全反射和波导
麦克斯伟方程在时间和空间具有一定的对偶性(duality)，比如空间上高斯光束的衍射与时间上高斯脉冲在具有负群速度色散的光纤中传输就具有这样的关系。科学家们对光的空间传输性质已经进行了几百年的研究，取得了丰硕成果。通过考察时空对偶性，借鉴光的空间传输现象，有利于理解甚至发现崭新的由超短脉冲参与的超快现象。
比如，根据斯涅尔定律，光在空间介质分界面会发生反射和折射现象，那么可以问:(1)相对应的时域界面是什么?(2)脉冲在时域界面又有哪些有趣的 “反射”和“折射”现象?

图1. 空间折反射和时域折反射示意图
空间折反射和时域折反射类比如图1所示。空间折反射过程中，反射光和折射光的波矢量发生改变，而频率保持不变；时间折反射则表现出相反的特性，折反射过程中光频率变化而波矢量守恒。
2015年，G． P． Agrawal等人研究了色散介质中脉冲在时域边界的反射和折射现象。将传播常数在入射脉冲中心频率做泰勒展开至二阶色散项，忽略脉冲自身的非线性效应，计算时域折反射过程脉冲和光谱演化如图2所示:白色虚线为时域边界的位置。
图2a显示，脉冲在时域折反射过程中，大部分能量发生折射进入时域边界，伴随着脉冲宽度减小和群速度降低；反射脉冲宽度和入射脉冲相等，对这些现象的解释可以通过色散曲线和波矢量守恒条件得到。折反射前后光谱的演化如图2b所示，入射光谱频移至两个不同的频率处，分别对应时域的折射和反射。

图2. 时域折反射现象的脉冲演化(a)和光谱演化(b)；虚线:时域边界
利用折反射前后波矢量守恒条件和材料的色散曲线，可以计算反射脉冲和入射脉冲的中心波长。在时域折反射过程中，材料的色散曲线在确定反射和折射脉冲的频移量时起着重要作用。对于反射脉冲而言，频移量由脉冲相对时域边界的群速度和材料群速度色散共同决定。正色散导致脉冲红移，负色散导致蓝移；群速度色散越小，频移量越大；在色散零点附近将不发生时域反射。
对于折射脉冲，在任何情况下，折射脉冲频移量都小于反射脉冲频移量。将时域上反射和折射的频移表达式写成空间上折射定律和反射定律的形式，发现，当由折射率突然变化引起的传播常数的变化量足够大时，等效折射角失去物理意义，发生全内反射(如图3所示)。时域脉冲在时域边界处被全部反射，光谱全部频移至反射波中心频率处。

图3. 时域全反射现象的脉冲演化(a)和光谱演化(b)
2016年，G． P． Agrawal等人在时域上全内反射的基础上，利用两个时域界面构建了时域波导，与单个时域界面不同之处在于，脉冲在到达第二个时域界面时，会再次经历全内反射，中心频率逆向频移至入射脉冲中心频率，如此反复进行，将脉冲捕获在两个时域边界之内(如图4所示)。

图4. (左)脉冲在时域波导中的演化，(右)频域的演化
模拟结果显示，随着传播距离的增加，群速度色散使得脉冲出现明显的展宽。在时域边界处，入射脉冲和反射脉冲的光谱干涉导致周期性的波纹结构。这与空间波导中传输层尺寸远大于光束宽度时发生的现象类似。在时域波导的理论研究中，引入无量纲参数V，以此确定时域波导中支持的模式数量，当V<(m+1)π/2时，支持m个模式；当m=0时，即V<π/2，时域波导为单模波导。时域波导的单模和多模传输如图5所示，单模传输时，脉冲在时域边界之间保持稳定，光谱也保持稳定，但中心频率移动至相对群速度为零处，以保证脉冲和时域边界以相同的群速度运行；多模传输时，时域出现多峰结构，在频域表现为以单模传输频率为中心对称分布的双峰结构；模式数量越多，时域强度峰越多，频域双峰间隔越远。

图5. 模式阶数分别为0，2，10的时域以及频域演化
空间单模波导得到了广泛的应用，单模光纤就是典型的例子。实验中将光束耦合进入单模光纤时，光束与光纤的轴对准和角度对准严重影响了耦合效率。时域波导中也面临着同样的问题。图6显示了当输入脉冲形状与单模脉冲形状有差异时，脉冲的时域和频域演化。
在开始阶段，脉冲和时域边界发生强烈相互作用，大量能量以色散波的形式进入时域边界的“包层”，随后被整形成单模形状稳定运行，类似于空间的角度对准。光谱的演化图中，输入光谱与时域波导的基模光谱重叠的部分被引导，经过一段距离的振荡之后保持稳定。类似于光束与光纤的轴对准。

图6 3．5ps的脉冲进入10ps时域波导的演化(a)；被引导的光谱成分的演化(b)
除了光束与光纤的轴和角度外，光束的宽度与光纤纤芯的匹配同样影响着耦合效率。G． P． Agrawal等人研究了不同脉宽的基模脉冲入射到时域单模波导后的现象，结果如图7所示。
对于入射到时域单模波导中的脉冲，无论其脉宽和形状如何，均会被整形。脉冲宽度较小时(图7a)，群速度色散导致脉冲展宽，大量能量流出时域波导，少部分能量自整形成为单模脉冲稳定于时域波导内；脉冲宽度较大时(图7b)，时域波导之外的能量大量流失，波导内的能量自整形成单模脉冲最终稳定。

图7 宽度2．5ps(左)和10ps(右)的脉冲在时域波导中的演化
对时域波导的理论研究和数值模拟得到了很多与空间波导类似的结果。然而，在实验中实现时域波导依然是一个难题，主要问题是如何控制脉冲对于时域边界的相对速度，G． P． Agrawal等人提出利用同向传播的微波脉冲驱动的行波电光相位调制器产生两个移动的边界。
另一个替代方法是，利用高能量矩形泵浦脉冲的泵浦-探测装置，通过交叉相位相调制产生时域界面，这种情况下，将探测脉冲入射到两个泵浦脉冲中间，泵浦脉冲的两个边缘形成波导边界，选择色散曲线合适的光纤，就能实现时域波导，为上述时域折反射理论提供可靠的实验验证。
光学摄像头
无论是像素升级、光学防抖，还是大光圈、双摄像头，光学一直是消费电子的创新主战场之一。光学行业发展到今天出现了新的动向，3D Sensing 与三摄、潜望式成为未来创新的重点。
3D Sensing 正逐步取代指纹识别成为手机标配。三摄像头和潜望式则在双摄的基础上再次大幅提升拍照质量，有望在华为、OPPO 的带动下成为下一阶段的发展趋势。

光学新动向精彩纷呈
光学始终是智能手机创新的主战场
光学创新因为能给用户带来非常直观而明显的体验提升，成为各大手机厂商进行差异化竞争的焦点，也让光学成为智能手机创新的主战场之一。
回顾历史，发现围绕着带来更好的拍照体验这个目标，光学经历了像素升级、光学防抖、大光圈、长焦镜头、光学变焦、多透镜设计、双摄像头等多种创新，其中以像素升级和双摄像头最为典型。iPhone 作为智能手机的开创者和标杆，其像素升级历史最为典型。
第一代iPhone的后置摄像头像素只有200万，随后逐步升级到现在的1200万；前置摄像头则从 iPhone 4 的30万像素，逐步升级到了现在的 700 万像素。在苹果的带动之下，安卓手机厂商也积极升级手机摄像头像素，并在2011-2015年形成了“像素大战”。
▲iPhone X 的 3D Sensing 发射端拆解
3D Sensing 是一个全新的增量市场，将给产业链带来新的成长动力。
发射端的元器件大部分是创造了新的产业，价值量较大，在 VCSEL 激光源、准直镜头、DOE 光学衍射元件、模组等领域给相关企业带来了巨大的全新需求。
但发射端元器件的难度较高，需要较多的技术积累，所以目前主要是海外企业参与供应链，这也给未来大陆厂商的突破带来了契机。
接收端的元器件主要是在对存量产品应用领域的进一步的扩大，价值量相对发射端要小。
大陆企业在窄带滤光片、光学镜头、模组等领域已经具有较强的实力，完全可以参与进去。但在红外 CIS 方面还是空白，需要未来的进一步突破。

▲3D Sensing 产业链供应商及单机价值量
VCSEL 激光源
技术难度大，海外厂商主导
VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直共振腔表面射型激光）具有光束集中、精度高、小型化、低功耗、高可靠、转换效率高、成本低等诸多优点，从而顺理成章地击败红外 LED 和 EEL 成为 3D Sensing的主流红外光源，被苹果等厂商所使用。
在 VCSEL 中，发光层被称为多量子阱（MQW），其中由铟镓砷（InGaAs）和铝镓砷（AlGaAs）组成的 MQW 最为合适。
铟（In）的比例可以决定最后发射激光的波长，当铟（In）的比例为 0 时，发射的是波长 850nm 的红外激光，这时的外延工艺较为简单，这也是 850nm 红外激光被广泛使用的原因；
当铟（In）的比例为 20%时，发射的是 940nm 波长的红外激光，这也是 iPhone X 所使用的红外激光的波长。
在 MQW 发光层的上下部分是 p-DBR 与 n-DBR，用于筛选出特定波长的“纯净”光。
由于出射光的方向一般是顶部，所以在底部还需要一层衬底。
阳光中的 940nm 红外光会在长距离传播中被空气中的水分吸收掉，而iPhone X 所用的 940nm 红外光则因距离面部近而不会被吸收，这样可以避免阳光中的红外光干扰产生“红暴”现象，所以苹果才选用这个波长的红外光。
850nm 红外光则一般用于光通信中。

▲VCSEL 激光器的内部结构示意图
VCSEL 产业由设计、外延片、晶圆代工、封测等四个环节组成，整个产业高度分工、专业化程度很高，拥有较高的技术门槛。
大部分设计厂商都是从光通信领域切入消费电子领域，主要厂商包括Lumentum、Finsar、Princeton 等。
Lumentum 为苹果核心供应商，其一方面采用 IDM 模式自行制造 VCSEL，另外也与代工厂合作生产。
除了Lumentum，苹果正在积极扶持 Finsar，以降低供应链集中的风险。
Princeton已在 2017 年被 AMS（艾迈斯）所收购，并已在新加坡建设新工厂，用于生产高功率 VCSEL，已成为小米 8 透明探索版的 VCSEL 供应商，未来可能是安卓厂商的首选。
外延片领域，英国公司IQE是全球最大的独立外延片供应商，市场份额大约为 80%，是苹果核心供应商。
其外延片供应商还包括台湾地区的全新和联亚光电。
在代工领域，台湾地区的稳懋为全球最大的化合物半导体代工厂，其在化合物半导体代工市场的市占率超过 50%，并与 Lumentum 紧密合作而成为苹果核心供应商。
而宏捷科则拥有 AMS（艾迈斯）入股，未来有望随着AMS 而切入消费电子 3D Sensing 产业。
在封测领域，主要厂商均来自台湾地区，主要包括联均、欣品和同欣等厂商。
准直镜头
技术难度高VCSEL 发出的光具有较宽的波瓣，不利于后续的衍射过程，需要将这些光汇聚校准为窄波瓣的近似平行光。
这种将激光校准为平行光的器件就是准直镜头。
由于准直镜头靠近 VCSEL 红外激光源，VCSEL 产生的大量热量会影响准直镜头的形状、尺寸及折射率，所以耐热性成为了准直镜头的关键。
现在准直镜头的制造工艺有 WLO、WLG 和模造工艺三种。
WLO（Wafer Level Opticals，晶圆级光学镜头）采用晶圆和特殊液体聚合物作为光学材料，被苹果选为 iPhone X 的准直镜头方案。
目前大部分 WLO 专利都在 Heptagon（已被 AMS 收购）手中，形成了非常高的壁垒，苹果 iPhone X 所使用的 WLO 就是由 Heptagon 所提供。
除了 WLO 方案，目前还有 WLG 工艺和模造工艺涌现，同样可以解决耐热性问题，可能在未来成为准直镜头的选择。未来准直镜头的技术路径存在较大的不确定性。
WLG（Wafer Level Glass，晶圆级玻璃）采用半导体级工艺生产玻璃镜头，具有良好的耐热性，可能在未来取代 WLO 成为准直镜头的首选方案。
目前 WLG 方案进展最快的厂商是瑞声科技，公司拥有来自丹麦的 WLG模具设计和制造团队（Kaleido）、日韩光学设计团队和高效的本土管理团队。
瑞声除了可将 WLG 用作准直镜头，还可以用于手机前后置摄像头等成像镜头，具有较大的想象空间。
但目前 WLG 方案仍不成熟，产能、良率、成本等方面仍需要时间才能突破。

▲WLG 的制造流程示意图
模造工艺即首先使用模造工艺生产玻璃透镜和塑胶透镜，然后将玻璃透镜或塑胶透镜组合到一起制成准直镜头。
在具体材料组成方面，有全玻璃、玻塑混合、全塑胶三种组合。
尽管塑胶的耐热性不如玻璃，但台湾的大立光通过在塑胶镜头中多增加一片透镜，并增加音圈马达，也可以具有较强的耐热性。
根据大立光最新的股东常会透露，其全塑胶方案已向客户送样。
模造工艺是目前制造镜头的最成熟工艺，目前手机摄像头所用的成像镜头都是使用模造工艺制成的，所以模造工艺在产能、良率、成本上都有较为明显的优势，大立光、舜宇光学、瑞声科技等均可大规模制造模造镜头。
如果模造工艺成为准直镜头的方案，将对这些传统手机镜头供应商带来较大的增量市场空间。
光学衍射元件
精度控制是关键经过准直镜头校准后的激光束并没有特征信息，因此下一步需要对激光束进行调制，使其具备特征结构，光学衍射元件（DOE）就是用来完成这一任务的。
VCSEL 射出的激光束经准直后，通过 DOE 进行散射，即可得到所需的散斑图案（Pattern）。
DOE 的基本原理是利用衍射原理在元件表面制备一定深度的台阶（光栅），光束通过时产生不同的光程差，满足布拉格衍射条件。
通过不同的设计来控制光束的发散角和形成光斑的形貌，实现光束形成特定图案的功能。
DOE 是一个单一光学元件，可将入射光束分散成无数个光束再射出。
每一个分散之后再射出的光束，都与原先入射进来的光束拥有相同的光学特性，包括偏振性、相位等。
DOE 可产生 1D（1xN）或 2D（MxN）的光束矩阵，视DOE 的表面微结构而定。
DOE的特点是能够在保持较高衍射效率的同时对光强分布进行精确控制，因此 DOE 成为让激光生成随机散斑的理想元件。

▲DOE 工作原理示意图
DOE 的制造门槛较高，苹果是由其自行设计 pattern，然后交由台积电采购玻璃后进行图案化过程，精材科技将台积电 pattern 后的玻璃进行堆叠、封装和研磨，然后交采钰进行 ITO 工序，最后由精材科技进行切割。
台湾地区的奇景光电也具有生产 DOE 的能力，目前正与高通合作。
大陆地区还没有具备 DOE 设计和加工能力的公司。
接收端镜头
使用普通手机镜头，产业链十分成熟传统的手机镜头需要达到非常好的成像效果，所以需要非常复杂的光学设计和制造工艺。
但接收端红外摄像头对光学镜头的要求远不如可见光摄像头那么高，对光线的通光量、畸变矫正等指标容忍度较高，所以目前 3D Sensing 接收端镜头主要使用已成熟的普通镜头。
苹果 iPhone X 接收端镜头为 4P 结构，供应商为台湾地区的大立光和玉晶光。
除了这两大厂商，还有关东辰美、舜宇光学、瑞声科技等均可提供接收端镜头。
随着大陆手机厂商开始普及 3D Sensing 功能，舜宇光学和瑞声科技可能凭借本土供应链优势而获得较大的份额。
窄带滤光片
所起作用十分重要，镀膜工艺是关键
窄带滤光片是只允许特定波长的光通过而滤除其余波长的光的光学元件。
3D Sensing 的发射端会发射 940nm 波长的红外光，接收端需要滤除其余波长的光而仅仅接受 940nm 红外光，所以需要使用窄带滤光片。
窄带滤光片的通带相对比较窄，一般要求在中心波长值的 5%以下。

▲窄带滤光片的原理示意图
窄带滤光片的薄膜一般由低折射率和高折射率的两种膜组成，叠加后层数达几十层，每一层薄膜的参数漂移都可能影响最终性能；
而且窄带滤光片透过率对薄膜的损耗非常敏感，所以制备峰值透过率很高、半带宽又很窄的滤光片非常困难。
制备薄膜的方法有很多种，包括化学气相沉积、热氧化法、阳极氧化法、溶胶凝胶法、原子层沉积（ALD）、原子层外延（ALE）、磁控溅射等，而不同方法制备的薄膜性能差异很大。
窄带滤光片的难度和价值量都高于传统摄像头所用的滤光片，目前仅有VIAVI 和水晶光电的技术较为成熟，这两家也是苹果 iPhone X 的窄带滤光片供应商。
随着国产手机厂商将在 2019 年开始快速普及 3D Sensing 功能，水晶光电作为本土的窄带滤光片供应商，将有望占据更为重要的位置。
红外 CIS
技术较为成熟，定制化是行业主要特点
红外 CIS（CMOS Image Sensor）即红外 CMOS 图像传感器，是用来将接收到的红外光转换为数字信号的器件，在技术上已经比较成熟。
在原理上，红外 CIS 与可见光 CIS 是一致的，但可见光 CIS 需要识别RGB 三种颜色，并且需要呈现非常清晰的图像，所以对分辨率的要求很高。
而红外 CIS 只需要获取结构光的深度信息，不需要产生清晰的成像，所以分辨率要求不高，通常2M 像素即可满足要求。
目前红外 CIS 的供应商主要有意法半导体、奇景光电、三星电子、富士通、东芝等，其中意法半导体是 iPhone X 红外 CIS 的供应商。
由于各厂商使用的 3D Sensing 方案差异较大，各个厂商对红外 CIS 的要求也有很大的差异，所以需要供应商提供定制化的红外 CIS。
例如 iPhoneX 所用的接收端红外 CIS 使用了独创的 SOI 衬底和深沟隔离（DTI）两种技术，用于满足苹果的定制化要求。
红外 CIS 成像系统的有效范围与其灵敏度直接相关，并由两个关键性的测量参数所确定：量子效率（QE）和调制传递函数（MTF）。
红外 CIS 的QE 代表其捕获光子与其转换为电子的比率，QE 越高，NIR 照明所能达到的距离越远，并且图像亮度越高。
MTF 所测量的是在特定的分辨率下图像传感器将成像物的对比度传送到图像中的能力，MTF 越高，图像越清晰。
模组
行业门槛并不高，良率提升是盈利关键
3D Sensing 模组环节就是把上述各元件组装形成一个整体的过程。
模组环节技术难度并不大，并且受益于摄像头模组行业的发展，已经拥有众多厂商可以生产 3DSensing 模组，所以行业门槛并不高。
尽管行业进入门槛不高，但如何把产品良率维持在一个较高的水平是稳定盈利的关键。影响 3D Sensing 模组良率的环节主要体现在以下几个方面：
1）发射端拥有准直镜头、衍射光学元件等非常精密的光学元件，在组装时需要保证非常高的精度；
2）发射端的 VCSEL 激光器需要进行光谱检测和校准；
3）发射端、接收端、泛光感应器件需要通力合作，三者在位置上的准确度和稳定性对于最终 3D Sensing 效果有非常重要的影响，需要高难度的匹配和校准。
以上环节主要是对精度的要求，稍有不慎就会产生废品降低良率，所以这是一个需要精密和准确的行业，而不是一个依靠技术创新的行业。
▲iPhone X 3D Sensing 模组拆解
目前，具备 3D Sensing 模组制造能力的厂商包括 LG Innotek、富士康、夏普、欧菲科技、舜宇光学等。
其中 LG Innotek 是 iPhone 3D Sensing 发射端模组的独家供应商，富士康和夏普是 iPhone 3D Sensing 接收端模组的供应商。
欧菲科技、舜宇光学等大陆厂商在模组领域也具备很强的实力，已经可以大规模量产 3D Sensing 模组。
随着国内手机厂商在 3D Sensing 领域快速推进，欧菲科技、舜宇光学将有望深度受益。
无论是三摄像头、潜望式摄像头还是 3D Sensing，都是智能手机的增量创新，都将带来全新的增量市场空间。

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