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2018 年在 iPhoneX 初次亮相的 Face ID,除了讓智慧型手機的安全及便利性更上了一層樓,也正式引爆了 3D 感測(3D Sensing)在消費市場端的需求。今天這系列的文章將會帶各位讀者了解 3D 感測的原理、概況及未來前景,接下來還會推出分析介紹 3D 感測概念股 穩懋(市:3105)的單篇文章。

看完這篇文章,你將會了解以下幾件事:

  1. 什麼是 3D 感測?未來市場有多大?
  2. 3D 感測原理:立體視覺 vs 結構光 vs ToF 飛時測距
  3. 支撐 3D 感測的重要雷射技術,VCSEL 是什麼?
  4. VCSEL 未來展望及台廠供應鏈誰受惠?
 
什麼是 3D 感測?未來市場有多大?

在 2D 的世界中,我們只有 x 軸和 y 軸的資訊,所以得到的影像資料也都是平面的,比如說我們在拍照時只會知道這個人的身高體型,卻無從得知他鼻子突出來多少、眼眶凹下去多少。

而 3D 的世界則加入了 z 軸,也就是深度的資訊,這麼一來,我們得到的影像就會是立體的。而所謂的 3D 感測,顧名思義就是在感應偵測 3D 的立體影像,我們其實可以把它想成是人類的眼球運作。

一但能感測出立體的資訊,整個應用的場景就可以大幅增加,小到智慧型手機上的人臉解鎖、3D 相機、智能音箱、自駕車的偵測系統、人臉鑰匙、手勢感應,大到 AI 機器人的感測、工廠控制、醫療、AR/VR 等應用,3D 感測的普及將大幅顛覆我們對世界的想像。

Source: Yole Développement

不過 3D 感測也不是什麼新技術,早在 10 幾年前微軟發布的 Xbox Kinect 就已經亮相,但當時受限於體積及價格,技術也不夠成熟,因此一直未能普及。

隨這幾年晶片運算能力越來越強,以及 AI 運算的普及, 3D 感測再次成為市場的焦點,而 Apple 在 2018 年 iPhoneX 首次亮相的 Face ID,則正式引爆了 3D 感測在消費品端的需求。 

根據研調機構 Yole Développement 研究指出,全球 3D 影像及感測市場將由 2019 年的 50 億美元成長到 2025 年的 150 億美元,CAGR 超過 20%,其中又以智慧型手機及車用為主要應用,在 2025 年市場規模分別可達到 81 億美元及 37 億美元,兩者合計份額達 80%, CAGR 分別達 26% 及 28%。除了表示 3D 感測未來的成長潛力,也顯示消費端的需求增加是帶動這波趨勢成長的關鍵。

Source: Yole Développement、自行整理

 

3D 感測 原理:立體視覺 vs ToF 飛時測距 vs 結構光

知道了 3D 感測的前景後,讓我們簡單看看他的原理吧!
目前 3D 感測的技術主要有三種,依成熟度高低分別是立體視覺(Stereo Vision)、
結構光(Structured Light)、及飛時測距(Time of Flight,俗稱 ToF),以下簡單介紹他們的原理及優劣。

 

立體視覺(Stereo Vision):

我們人類看東西之所以會有立體感,是由左右兩眼的視差所造成的。而立體視覺主要就是在模仿人的雙眼,利用兩個投影點成像之間距離的落差算出立體的資訊(也就是 Duo Camera)。

其中最具代表性的應用就是 3D 電影了,想必大家都有看過 3D 電影或玩過 3D 電玩,每次都要帶上一個眼鏡,否則畫面就會很模糊。其實這種電影就是利用左右兩台投影機分別將影像投在同一個螢幕上,再利用 3D 眼鏡進行濾波,使觀看者左眼只會收到左投影機投射的影像、右眼只會收到右投影機的,因此我們看起來就會是立體的畫面。

立體視覺由於技術成熟、成本又低,是目前應用最廣的技術,舉凡 3D 電影、深度相機、AR/VR 眼鏡、機器人、工控、導航等都能看到他的蹤跡。但致命缺點就是他是被動式測距(完全是靠拍攝的兩張影像來計算深度,並不會主動投出光源感測),所以延遲比較高、精確度也低。此外,也無法在昏暗的環境使用。因此就較難單獨應用在像智慧型手機、自駕車這種要求低延遲、又要能全場景使用的場景上。       

Source:科學傳播網

 

結構光(Structured Light)

結構光則是一種主動式的感測技術,原理就是透過打出特定圖案的光(通常為紅外光)到目標物體上,這個光的圖案可以是條紋、光點,也可是其他形狀,而每個圖案都有特定的編碼(Light Coding),由於不同深度的物體會導致光的扭曲變形,因此接收端就可藉由比較傳回來的影像編碼差異,來算出不同的深度距離。

Source: REVOPOINT

結構光的準確度高、延遲也低,目前相關技術專利主要掌控在 Apple 手中,也已被廣泛用在 iPhone 的 Face ID 上。但缺點就是技術複雜,下圖可看到光是 Face ID 就需要好幾個不同功能的鏡頭、感測器和接收器才能運作,這也是為何 iPhone 這幾年一直拿不掉瀏海的原因。(但我們推估 Apple 也在往沒有瀏海的方向發展)

此外,結構光能感測的距離也短(最遠大約 3 公尺),又因容易被自然光影響,較難以在戶外大範圍使用。因此我們認為結構光因成本高、距離短等限制,應用場景有限。

Source: Apple

 

飛時測距(俗稱 ToF,Time of Flight)

而最後一種技術, ToF ,和結構光一樣也是主動感測,打紅外光到物體上,由感測器接收折回來的反射光,不過 ToF 是利用光打出去到回來的時差算出目標的距離深度。由於光速(v)和時間(t)都是已知的,因此就可以簡單算出距離。相比結構光的運算簡單不少。

Source: STEMMER

雖然 ToF 辨識的精準度沒結構光好,但他能感測的距離遠,且複雜度、成本也相對低、對光干擾的抵抗性也很好。

因此隨著 ToF 技術逐漸成熟,我們認為 ToF 將會是未來 3D 感測的主流技術,而智慧型手機後鏡頭、車用將可能是最大的應用場景(像 Apple 在 2020 年發布的 iPad Pro 採用的 ToF LiDAR 光達鏡頭,其 AR 的應用非常廣,例如下圖,可以在家模擬新傢俱擺放位置等等。)

Source:Apple

 

Source: Yole Développement

 

  Source:Money DJ、自行整理

介紹完 3D 感測的原理後,細心的讀者會發現除了立體視覺是被動接受物體的光進行感測外,結構光及 ToF 都需要發射雷射光做為感測光源(通常是紅外線),那麼什麼是雷射呢?未來有什麼投資機會?

 
什麼是雷射?他是怎麼產生的?

其實雷射早已普遍出現在我們生活中,舉凡雷射筆、醫療手術、工業控制、軍事、投影機等,到處都有它的蹤影。不過雷射到底是什麼呢?他和一般的光又有什麼不同?

LASER(雷射)是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的縮寫,將英文簡單翻譯,其實雷射是將單一波長的光源透過一系統的結構進行放大,使得雷射光具有高強度、高同調性以及高指向性(光束集中)等特色。可以說雷射是被人為「創造」出來的,因此可以做到很多自然光做不到的事。

那麼雷射是怎麼被「創造」出來的呢?主要就牽涉到三個重要元件:激發源(Pumping Source)、增益介質(Gain Medium)和共振腔(Resonant Cavity)。

高中物理有學過,當電子處在高能階時,就會透過釋放能量(這邊指光子)的方式來回歸穩定,而這個釋放出的光子波長則由材料決定,因此是單一波長(頻率),這些釋放出來的光子就會在兩面反射鏡所形成的共振腔內反覆震盪,每次震盪通過增益介質後都會讓光越來越強,最後產生高能量的「光」,再從其中一面設計過的鏡子發射出去就形成高能量的雷射光。

Source:自行整理

而雷射依照增益介質的不同可以分為氣體雷射、液體雷射、固體雷射及半導體雷射四種,其中半導體雷射就是以三五族化合物,例如砷化鎵(GaAs ) 作為增益介質。這種雷射因體積小、功耗小、壽命長、容易控制等優點,應用非常廣,包括本篇介紹的 3D 感測也都是用半導體雷射,因此以下介紹都將以半導體雷射為主。

到這邊大家可能有點頭昏腦脹了,沒關係,還好我們不是物理學家,我們身為投資人只要記得雷射是被「創造」出來的,因此他發出的光和自然光相比不只能量大、純、光束集中、波長單一,還具有方向性,而其中的半導體雷射又因為半導體的製程發展快速,在體積、製造成本以及特性上都非常適合用在 3D 感測。而再來要談的 VCSEL 就是半導體雷射技術的一種,常關注市場題材的投資人對這個名詞應該也不陌生。

 
VCSEL 是什麼?為何最近那麼紅?

要談 VCSEL,就必須先了解半導體雷射的技術。目前半導體雷射技術有兩種,分別是由「側邊」發出光的邊射型雷射(EEL:Edge Emitting Laser),以及由「表面」發光的面射型雷射(SEL:Surface Emitting Laser),也就是 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直共振腔面射雷射)。

EEL 和 VCSEL 都是利用三五族化合物半導體,例如砷化鎵(GaAs)做為基板及增益介質,並利用 P/N 半導體及發光區產生的共振腔來產生雷射光。

Source:自行整理

由上圖可以看出,EEL 是由半導體晶粒(Chip)的側邊發光,這種雷射發出的光功率高,距離遠,且技術成熟,目前看到的雷射應用基本上都是用 EEL。

但因 EEL 是用晶粒側邊發光,因此用來共振放大的兩面反射鏡就是直接由晶圓切開的兩邊形成,這種方法註定了 EEL 一定要先將晶粒一顆顆切開後才能加工封裝、測試功能是否正常,在製程上相對複雜麻煩。

而 VCSEL 則省去了這些困擾,由於是直接由晶粒表面發光,因此不用一顆顆切開就可以直接一次做加工,因此和 EEL 相比成本降低許多。

Source:Tech Briefs、自行整理

VCSEL 除了製程方便、生產成本低之外,還具備低耗能、光束較集中等優點。而雖然 VCSEL 發射距離沒有 EEL 遠,但瑕不掩瑜,只要使用 VCSEL Array(就是一次用很多顆 VCSEL )就可以彌補這個缺陷。

因為以上優點,具性價比的 VCSEL 越來越受市場重視,成為近期發展的重點。

不過這邊要特別提的是,VCSEL 其實也不是新技術,早在 1996 年就已用在數據通信的一些小眾市場,直到 2018 年 iPhoneX 首度使用 Face ID 後,才讓大家發現 VCSEL 應用的全新可能。

看到這邊大家可能會有疑問,既然 VCSEL 不是什麼新技術,為何目前還沒有被大量量產、廣泛使用呢?

這是因為以前對 VCSEL 的需求量不大,因此只要在小尺寸的晶圓材料製作就足以供給。但近期隨著智慧型手機帶起的需求量大增,廠商為了降低成本就必須使用更大尺寸的晶圓來製作(這樣才能一次在一片晶圓上做更多產品、才會有規模效應。雖然初期會很痛苦,但這是必經的路程,就像矽晶圓一路從 6 吋、8 吋做到現在的 12 吋一樣)。

不過一但使用更大的晶圓製作,良率就越難控制。因此現階段的市場除了幾間歐美 IDM 大廠及台灣的穩懋、宏捷科的 6 吋製程較成熟外,其餘廠商大都還在 4 吋製程,整個製程都還有很大的改進空間。

註:VCSEL 由於有高頻、高能的需求,和一般 IC 製程使用矽晶圓(俗稱第一代半導體)做為基板材料不同,用的是能承受高頻高壓的化合物半導體:砷化鎵(GaAs ) 晶圓(俗稱第二代半導體),而第三代半導體則是指氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)。

以氮化鎵(GaN)、碳化矽(SiC)為主的第三代半導體是未來發展潛力非常大的產業。這部分由於篇幅有限,未來會再專門寫報告來獨立研究。

 

VCSEL 未來市場有多大?目前市場玩家有誰?

根據研究機構 Yole  Développement 指出,全球 VCSEL 市場將從 2020 年 11 億美元成長到 2025 年的 27 億美元,CAGR 約達 18.4%,主要受惠於智慧型手機鏡頭、車用、無人機等應用需求增加的帶動。 

以目前來看,VCSEL 供應鏈上游的砷化鎵晶圓、磊晶主要由英國大廠 IQE 以市占率約 50% 牢牢掌握,再來是台灣的全新(市:2455)約 25%、日本的佳友化學 13%

而中游的砷化鎵代工廠(不只做 VCSEL,還有做智慧型手機的 PA、Wi-Fi 等等,這部分在之後穩懋的文章會再介紹)則是台灣的天下,分別由穩懋(櫃:3105) 70% 市占率、宏捷科(櫃:8086) 20% 瓜分。

最後終端元件市場則是由 IDM 大廠 Lumentum 把持約 50% 市場、剩餘則由 II-VI、AMS、博通、創浦等歐美大廠均分。

目前整個化合物半導體的供應鏈局勢很像 IC 供應鏈,技術門檻高,上、中、下游都屬於寡占市場,而台灣廠商在原料、製造端都佔據著關鍵的角色。

 

Source:拓墣產業研究院

 
總結

今天這篇文章介紹了 3D 感測、VCSEL 的原理,及他們的市場概況和未來前景,我們認為以 VCSEL 為主的 3D 感測市場未來幾年將在智慧型手機、車用及工業的帶動下大放異彩、快速成長。那在這樣的趨勢下台灣相關公司有沒有投資機會?

預期未來整個產業鏈將繼續呈現大者恆大的局勢,而早已充分卡位的台灣廠商像全新(市:2455)、穩懋(櫃:3105)、宏捷科(櫃:8086)等廠商將有望搭著 3D 感測及化合物半導體這波未來趨勢的順風車持續受益。

 

自我揭露與聲明:

本人/本撰寫相關團體(以下簡稱我)目前無持有本文提到之股票的多方部位,且預計不會在未來 72 小時內建/減倉。我與本文所提到的公司沒有商業關係,撰寫本文僅為分享,並無收取任何報酬。本文之資訊僅供分析參考,不保證內容之完整性與正確性,也不構成任何買賣有價證券之要約或宣傳。

責任編輯:邱翊雲(合格證券投資分析人員)
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Min Lin
Author

Fugle 富果團隊研究員 / 台大財金 / Min 的投資說書小棧版主
台大、師大、政大、成大、北大、東吳、淡大各校課程講師
持有高級證券商業務員、投信投顧業務員等證照
堅信價值投資,並從產業及財報分析出投資機會
一個熱愛旅行並重視多元吸收成長的自我實現者

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