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疫情影响之下,一道新的经济考题摆在政府和企业面前。为打赢这场战“疫”,连日来,鼓楼区携手辖区企业严防死守疫情输入扩散,争分夺秒推进复工复产。截至14日,鼓楼已复工复产6574家企业、61258人,复工率达71.41%。
14日,福建福晶科技股份有限公司的车间里,全副武装的员工们在设备前忙碌。员工返岗率近90%,让公司总经理陈秋华觉得欣喜,却也在意料之中。
“这个春节假期,我们比任何时候都紧张。”陈秋华说,春节前公司就开始备战了,购买口罩、消毒液等防疫用品,动员员工留在福州。长假期间,公司与福州软件园保持密切联系,制定了一系列应急防疫措施,每天对1000多名员工进行“健康打卡”。
随着疫情的发展,福晶科技收到紧急订单,需要生产红外测温设备使用的光学镜头,马上着手准备生产材料。“得到准许开工的通知后,我们立即开足马力、不计成本地生产。”陈秋华说,第一批产品近日顺利出货。
福晶科技主营的激光和光通信领域产品也在第一时间恢复生产经营。“公司的营业额中,出口业务占了三分之二,好在国外客户都表示理解,同意延长交货期,没有一家取消订单。”陈秋华说,为了不辜负客户的信任,公司的部分工序开启24小时运行模式,力争把失去的时间抢回来。






激光大时代即将来临:iPhone引领之规模化量产后 激光应用开启潘多拉魔盒进一步判断认为,随着苹果新机型的创新应用量产之后,
将带动消费级市场的全面启动:
1)一方面,以华为、OPPO、 VIVO 、三星等为首的高端机型第二梯队将快速响应与普及。
2)另一方面,激光器量产供应链形成之后将带动产品价格的全面平民化,AR眼镜、智能驾驶雷达等一系列颠覆式应用将彻底从概念化小众市场得到快速普及。
AR最核心技术在于光学,尤其是激光技术!无论是手势识别、三维重构还是成像,光学技术都是决定性基础。
我们从目前几款主流产品拆解及技术原理进行分析。
HoloLens相比以往任何设备的强大之处,在于其能够实现对现实世界的深度感知并进行三维建模。HoloLens 拥有拥有一组四个环境感知摄像头和一个深度摄像头,环境摄像头获得周围图像RBG信息,深度摄像头则利用TOF技术获得视觉空间深度图(Depth Map)并以此重建三维场景、实现手势识别。

除了3D摄像模块,就是最关键的光学成像模块。目前来看,HoloLens配备两块光导透明全息透镜,虚拟内容采用LCoS(硅基液晶)投影技术,从前方微型投影仪投射至光导透镜后进入人眼。

LCOS(液晶覆硅技术)是小型化AR头显的关键技术之一。三片式的LCOS成像系统,首先将投影光源发出的白色光线,通过分光系统系统分成红绿蓝三原色的光线,然后,每一个原色光线照射到一块反射式的LCOS芯片上,系统通过控制LCOS面板上液晶分子的状态来改变该块芯片每个像素点反射光线的强弱,最后经过LCOS反射的光线通过必要的光学折射汇聚成一束光线,经过投影机镜头照射到屏幕上,形成彩色的图像。在Hololens中,靠近鼻梁处的两处发光点就是LCoS微型投影仪所在处。目前在投影光源上主要有LED和激光两种方案,由于激光在光束质量、亮度、功耗和使用寿命上无可比拟的优越性,我们认为其将是未来的发展方向。

另一款主流AR产品Meta同样采用了基于TOF的3D摄像头技术以及利用基于半反半透镜的投影技术进行成像。
Meta的3D摄像头模块由一对高清摄像头和一个红外探测器组成,利用TOF技术获取图像深度信息,能够实现势识别、QR码(二维码的一种)跟踪、特征跟踪、惯性测量单元等核心功能。
Meta的成像方式则是基于半反半透镜的投影技术,造型极其紧凑的投影仪藏在镜框内,左右各有一个。由LED光源将半透式LCD上的影像投射到半反半透膜上,然后发射进人眼进行成像,从而提供立体视觉。
以色列Lumus的AR眼镜也采用了微型投影技术,成像关键部件由微型投影仪、光导元件(LOE)和反射波导组成。植入眼镜的微型投影仪(例如激光投影)将图像画面进行投放,通过光导元件、反射波导形成全反射。
我们认为,微投成像和3D摄像是未来AR产业两大核心技术,以VCSEL为代表的半导体激光器件将成为AR光学技术的最基础部件,引领消费电子光学时代到来!
随着投影显示技术的发展,对投影系统的亮度、解析度、色彩丰富性的要求将会越来越高,光源作为投影系统的重要部件,其发光特性将直接决定投影系统质量。激光光束色度、照度高度均匀,具有亮度高、单色性好、波长固定等传统光源无可比拟的优势,未来取代LED成为微型投影模块、投影仪、投影电视等设备光源将是大概率事件。
目前,激光显示技术主要有三基色纯激光、荧光粉+蓝光、LED+激光混合光源三种技术,对比来看,三基色纯激光优势较为明显。
三基色激光被业界视为最正统的激光光源,其具有色域广、光效高、寿命长、功耗低、一致性好、色温亮度可调、稳定、安全可靠免维护、应用灵活等优点。三基色光源由单色光,红、绿、蓝三色光分别调制,彩色效果非常理想。
技术进展来看,红光激光二极管技术(包括VCSEL红光阵列)发展已经十分成熟,蓝光激光二极管价格尚高,绿光激光二极管则还有待发展。从已披露专利来看,目前已有“红光VCSEL阵列+蓝光VCSEL阵列+绿色全固体激光器”的解决方案,VCSEL单元用于发出圆化激光光束,经过微透镜阵列准直化后作为R、B光输出。此外,采用VCSEL面阵可以减少VCSEL激光器之间的干涉性,弱化激光散斑,从而提高投影显示质量。
荧光粉激光即目前较为常见的单色激光+DLP技术和单色激光+3LCD技术,单色激光+DLP技术使用可以激发RGB不同颜色光的荧光粉色轮来实现,单色激光+3LCD技术则是通过单色激光照射荧光粉激发了高亮度白色荧光作为投影光源。这种通过激光激发荧光粉的技术从本质上来讲应该不是直接使用激光进行混合,而是使用荧光,这样的好处是消除了激光带来的安全隐患,但是亮度自然就无法达到更加理想的状态,一般最多可以达到5000流明。
采用VCSEL或其他激光二极管+LED的混合光源方案是综合利用LED和激光两种光源的长处而形成的一种新兴光源。这一方案试图规避LED亮度低和激光偏色严重这两个最大的弊端来开拓一条脱离传统光源的新路,目前还处于起步阶段,不过已有公司开始面向商用市场推出混合光源的产品。
上图的混合光源结构是来自蓝色激光、红色LED发光体(或包括蓝色LED),部分蓝色激光发射到磷光体上产生出绿色光线,从而构成RGB三原色光线。混合光源投影机目前也是采用DLP投影技术,三原色光线照射到DMD芯片,经过芯片的调制形成图像并投射出去。混合光源的优势,是生产成本相对较低,在亮度上也相较LED光源有明显优势。
此外,高功率VCSEL阵列有望加速激光雷达商用推进。日本汽车电子厂家日本电装近期公布了对Trilumina公司的战略投资,Trilumina公司主要进行针对雷达设备的高功率VCSEL阵列开发,而这些雷达设备主要面向辅助驾驶和无人驾驶应用。在CES2017上,Trilumina公司展示了自己基于VCSEL阵列的256像素3D激光雷达解决方案,如若进展顺利,公司开发的光源模块可取代目前应用于自动驾驶汽车示范项目的大尺寸、高成本扫描激光雷达,将高清和远距离传感器功能整合进小尺寸、稳定且具成本效益的包装中,进而实现半自动和自动驾驶汽车的成功商业部署。
消费级、工业级应用市场拓展将带来VCSEL市场跨越式增长。根据研究机构Markets and Markets的预测数据,VCSEL的市场空间将在2014年6.1亿美元的基础上以22%的符合年增长率快速增长,预计2020年将达到约21亿美元。我们认为,随着大客户导入基于VCSEL光源的3D摄像头方案,其他厂商高端智能机以及AR产品将迅速跟进,加上VCSEL阵列技术在激光雷达领域逐渐渗透,未来市场空间将远不止于此!
(四)关键点之三——VCSEL激光器光学组件
任何一种工作光源在满足工作需要的之前,都要进行性能调节,以达到需要的工作性能;激光也不例外。只是由于激光的光斑小、光束密集、能量高、速度快等特点,相应的激光器光学处理组件要求会更为严格。加上激光器一直处于工业应用中,本身的市场空间一直没打开,激光器光学处理组件市场显得更为小而杂且专业。目前市场对于该领域的研究尚处于起步阶段,但我们认为随着激光器消费级市场的打开,未来该领域存在大幅爆发的机会;需要深入的剖析,寻找一批“懂激光”的激光器光学组件核心供应商。
1、iPhone8 VCSEL激光器光学组件推测版
通过产业链调研,我们目前能验证到iPhone8十周年用VCSEL激光器光学组件包括微型准直透镜、DOE(衍射光栅)等,(不排除还有其他光学组件没有验证到)。
微型准直透镜:是用来对发散的激光光源进行准直处理,达到平行、均匀光斑的作用;
DOE(衍射光栅):是用来将平行发射的一束或多束光源,通过衍射光栅之后,均匀打出呈倍数的激光束,用以增加测量的精度与信息量,完成全面场景的录入。
滤光片(在接收端镜头上):目前VCSEL发出去的是红外波长的光束,反射回来之后,通过传感器计算出距离。但外部环境对于光束会有影响,反射回来作为测量用的光束不是单纯的发射波段,因此需要滤光片过滤掉非工作波段的光波。
涉及到相关产品线的A股公司包括,VCSEL-光迅科技:2015年宣布自主研发的VCSEL阵列芯片将投入商用;微型准直透镜-福晶科技:为 JDSU (Lumentum)、Finisar等光通信企业供给通信级准直镜头;DOE-福晶科技:为微软HoloLens联合研发相关光学组件;滤光片-水晶科技:为Kinect供应滤光片。
以下分别就三类比较重要的激光光学元件做分析,并对激光光学元件做全面梳理。
2、三种重要激光器光学元件分析之一:DOE
衍射光学元件(DOE,Diffractive Optical Elements)预计将是未来激光光束整形的最核心元件。它是利用计算机辅助设计,并通过半导体芯片制造工艺,在基片上(或传统光学器件表面)刻蚀产生台阶型或连续浮雕结构,形成同轴再现、且具有极高衍射效率的一类光学元件。DOE主要特性包括轻薄体积小、衍射效率高、设计自由度高、热稳定性良好、整形光路结构简单等优良特性,目前已经成为诸多光学仪器的重要元件。
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,光束通过时产生不同的光程差。通过不同表明设计来控制光束的发散角和形成光斑的形貌,实现光束均匀化、准直、聚焦或形成特定图案等功能。
目前DOE已经被应用于消费电子、医疗、激光加工等领域:
大客户新产品有望采用类似Kinect的结构光方案:VCSEL激光器发射出的光束通过准直镜准直后,通过DOE器件得到25*25的激光散斑,然后再利用光栅进行“衍射复制”后得到更大的散斑图案,从而扩大投射角度。之后红外传感器捕捉散斑信息,通过位移量算法计算出环境物体的深度信息。
我们结合HoloLens采用的显示方案来对衍射光学器件(DOE)的应用进行说明。如下图所示,为实现混合现实效果,让自然光与投影图像同时进入人眼,微软在HoloLens单镜片上应用了三块表面刻蚀光栅(SGR, 是DOE的一种),分别是下左图绿点与红点所圈出的三块区域,对应下右图中所标示的52、54、56三部分。
图像首先通过LCoS微型投影仪进入绿点所圈的52号区域,也就是入耦合光栅(in-coupling SGR)。如下左图所示,在给定介质中,光线在特定角度下会实现全内反射。入耦合光栅的主要作用就是通过DOE的微观结构来通过衍射来使光线以特定角度入射,以实现光线在镜片内的全内反射。
光线通过54号折叠光栅(fold SGR)所处的位置,折叠光栅会将图像折叠(偏转)90度,到达下方56号出口光栅处(exit SGR),出口光栅通过衍射来成像并以特定角度输出光线,使光线进入人眼的角度与虚拟物体所在位置重合,以达到增强现实(AR)的效果。
DOE集体积小、衍射效率高、能够自由设计光学功能等优良特点于一身,未来将在激光投影、全息技术等领域大显身手。我们认为,随着准分子激光加工工艺、复制工艺的发展,DOE的制造成本将大幅降低并且能够实现规模化生产,有望成为促进光学系统实现微型化、阵列化和集成化的关键技术!福晶科技已与微软联合研发HoloLens,预计其中就包括DOE等相关光学组件,微软Kincet是体感游戏机的鼻祖,亦是AR眼镜领域最受期待的厂商。
3、三种重要激光器光学元件分析之二:准直镜头
在 3D 摄像技术以及激光投影等消费电子应用领域,对激光器发出的光束进行整形更加具有必要性。在激光投影技
术中光束需要通过匀光、整形单元以满足 LCD、LCoS、DMD 的均匀照明需求;在基于结构光技术的 3D 摄像中也需要将光束进行匀光、分束均匀地分布投射至周围环境中,形成多个散斑来进行捕捉、分析。同时若不进行匀束地话光束中心能量过大还可能对人眼造成伤害。 采用微准直透镜对 VCSEL 出射光束进行准直、形成散斑等整形处理。
准直器属于激光器件中用于输入输出的一个光学元件,其结构简单一般为透镜系统,作用是使发散光通过前置的准直系统变成平行光(高斯光束,越靠中心能量越高)。
在光通信及工业级激光加工领域,均需要通过准直器件将激光光束转变为平行光束,从而保证在高功率光束下的稳定光束质量或者使光最大效率的耦合进入所需的光通信器件。与光通信领域及激光加工领域不同,消费电子领域通常采用多片结构组成微型准直透镜,我们将在后文对制造微型准直透镜的WLO(晶圆级光学制程工艺)进行介绍。福晶科技已为JDSU(Lumentum)、Finisar等光通信企业供给通信级准直镜头。
4、三种重要激光器光学元件分析之三:滤光片
近红外识别系统中所用到的窄带滤光片及超薄高性能镀膜也是基于结构光及TOF的3D摄像头技术关键。3D摄像头在接收反射光时要求只有特定波长的光线能够穿过镜头,拦截频率带之外的光线,即隔离干扰光、通过信号光凸显有用信息。
目前窄带红外滤光片领域主流厂商包括由JDSU分拆出的VIAVI,我国的水晶光电等等。Kinect一代体感设备所用的窄带滤光片即为水晶光电所供应,窄带滤光片置于CMOS之前,仅有近红外线能够通过并给CMOS感光,以获取景深数据。
窄带滤光片的选取需要考虑多个光学指标,包括带宽、中心波长、截止波长、截止深度、峰值透过率、产品厚度等等。
5、一种重要的光学镜头封装方式:WLO将大幅降低生产成本,提升效率和良率
工艺方面,晶圆级别光学制程(WLO)有望被大范围运用至光学传感器及微型光学器件(镜头、DOE等)生产。近年来高精度的紫外压印光刻技术和紫外贴合技术为晶圆级别制程提供了技术基础,晶圆级别制程的运用为大幅降低微型光学透镜提供了可能,从而开始逐渐替代传统的筒形摄像头模组技术。
WLO首先利用紫外压印光刻技术(UV imprint )在晶圆级别生产微型透镜,之后利用紫外贴合技术(UV bonding)将各层透镜进行堆叠。如果是生产光学传感器的话,最后还要在晶圆级别上将透镜部分和传感器进行集成和模组。
因此当我们在谈论晶圆级别光学制程时,实际上包括:透镜制造、传感器制造、传感器封装、透镜堆叠、集成以及模组至少六项晶圆级别工艺。
基于紫外线的压印、固化以及贴合技术是WLO关键技术,从光学元件制造过程来看:首先将涂覆液体聚合物的衬底和透明压模(一般采用石英玻璃或PDMS)装载进对准机,完成光学对准后开始接触,透过压模的紫外曝光促使压印区域的聚合物发生聚合和固化成型。固化后再进行退模、刻蚀等工艺就可以得到微型光学元件,继续进行后续的堆叠、集成等工艺。
与传统光学制造工艺相比,晶圆级别光学制程主要具有以下优点:
1、大幅降低成本(不过设备价格十分高昂);
2、基于紫外压印光刻和紫外贴合技术,能够实现高精度光学元件制造和堆叠;
3、完美切合微型化光学元件和光电器件;
目前WLO领域Know-How主要掌握在四大厂商Heptagon、Aptina、Himax、Visera以及设备厂EV Group手中,其中我们预计Heptagon和Himax有望为大客户新产品光学传感器及微型光学元件提供WLO工艺。中国大陆掌握晶圆级封装技术的厂商有晶方科技华天科技
6、激光器光学组件是激光发射处理的必须且重要环节
以上是针对目前了解到的IR VCSEL激光发射器的光学组件梳理,但必须强调的一点是,目前尚不排除仍然有其他光学组件集成于激光器组件中的可能性。因此,我们有必要对激光器光学组件做整体梳理。
光源之外,用于进行光束整形(包括匀束、分束、耦合等)的精密光学元件正在成为消费电子光学重要一环!激光由激光器发射后通常需要多种光学元件来对光束实现准直、匀束、分束等整形处理,有的时候还要根据特定情况采用Q开关、调谐部件等器件来产生光脉冲或是改变激光波长。我们在下图将目前主要的光束处理光学元件列出,其中DOE和微透镜阵列技术以及准直器在最近几年发展迅速,经常配合半导体激光器进行匀束、分束等整形过程。
我们以激光加工为例说明对光束整形的必要性:未经处理的光束被概称为高斯光束,通常表现为中心处光强最强,向边缘方向光强逐渐减弱,呈高斯型分布。如果不进行处理直接利用高斯光束进行加工会有以下缺点:1、在进行微加工时,高斯光束的大部分能量不能被有效利用;2、高斯光束加工时为了保证均匀性,光斑间要重叠,因此会降低加工效率。因此我们需要利用光学元件来对高斯光束进行整形,将其转换为平顶光束使能量分布均匀,从而大幅提高加工质量,减小热影响区域,提高加工效率。
在3D摄像技术以及激光投影等消费电子应用领域,对激光器发出的光束进行整形更加具有必要性。在激光投影技术中光束需要通过匀光、整形单元以满足LCD、LCoS、DMD的均匀照明需求;在基于结构光技术的3D摄像中也需要将光束进行匀光、分束均匀地分布投射至周围环境中,形成多个散斑来进行捕捉、分析。同时若不进行匀束地话光束中心能量过大还可能对人眼造成伤害。
再以泵浦为例,很多次激光器并非一次激光发射器,需要二次或多次激发;与激光的能耗要求、波形特点等等相关,在使用光泵浦的情况下,需要加入激光晶体作为工作物质,实现功率的提升等要求的改善。
再以波长调控为例,激光器发出的波长在一定的范围内,但要实现特点工作要求的光波就必须使用相关的非线性晶体;进一步,如果要发射脉冲波长的激光,将非线性晶体做成调Q开关实现脉冲控制。
由于种类繁多,结构也比较复杂,我们将再以后针对激光器的变革做单独分析,可以明确的是,随着激光器在消费级以及汽车等领域的爆发,激光器光学组件的用量与产品种类均将快速发展。目前,国内在激光器光学组件做的最好的公司之一是福晶科技,并在激光器晶体与非线性晶体领域稳居全球龙头。
四、几个对于VCSEL模组的思考
(一)Eye-Safe是激光消费应用必须考虑的问题
1、为什么VCSEL要从850nm做成940nm?
从850nm(1代)与940nm(2代)VCSEL性能对比,我们发现,940nm在各方面都具备了压倒性优势。为什么会产生如此大的改变,从而为消费级应用铺平道路呢?我们认为最核心的原因在于芯片激光波长的选择。
右下角是太阳辐射频谱图,我们发现,在传统工业与通信领域使用成熟的850nm波长并不利于在自然界传播,而在850nm附近的940nm波段中,存在环境含量最低的一个波谷。因此,由激光器所发射的940nm的波段在环境中数量很少,继而发出的光受到的干扰很小,第2代比第1代的有效距离将会长很多,测量精度也会有较高提升。
2、940nm VCESL是否考虑了Eye-Safe?
940nm VCESL是否考虑了Eye-Safe?答案肯定是有的,如下图940nm除了在自然界受影响最小的波段的特点以外,也是相邻波长中对于眼镜伤害最小的波段。
但我们通过原理分析发现,940nm并不是绝对安全的波段,且人眼结构将导致此种影响指数级扩大。激光对于人眼的伤害一般来说对比皮肤表面的伤害要更加显著,一平行入射光进人人眼之后,将聚焦于视网膜上的一小区域,由于通过水晶体的聚焦,将使光强度在单位面积上提升至10万倍,即对于波长400nm-499nm的激光,若入射至4眼睛的强度为1m w/cm2,则视网膜却接收到约100w/cm2的强度。同一介质对于不同波段光源的吸收率并不相同,所造成的的伤害也不一样,对于眼球照射的曝光量大于某个临界值,不论哪个波段的光源,都将对眼球造成伤害。辐射波长在400nm以上到700nm的可见光波,会穿透眼睛的视网膜、水晶体和玻璃体,主要对眼睛的视网膜造成伤害;近红外波段(780~1400nm)也会造成白内障、视网膜损伤;但辐射波长在400nm以下以及1400nm以上的激光,几乎都被晶体吸收了,所以不会造成眼球内部的伤害。
注:1线表示不同波长由眼镜穿透到视网膜的百分比;2表示波长在视网膜辐射吸收的百分比
如何解决激光人眼安全安全问题一定是后续我们关注的重点。目前获得人眼安全激光的技术主要有Raman-shift laser技术、Er-doped glass laser技术和Optical Parametric Oscillators(OPO)技术。其中Raman-shift laser需要借助高压气体(CH4甲烷)才能实现,激光器系统结构非常复杂,可靠性差;Er-doped glass laser能够直接实现人眼安全激光输出,但Ev-doped glass是三能级激光系统,振荡阈值高,抗激光损伤能力差,重复频率和激光能量较低。而OPO技术是目前最广泛使用的获取该波段的技术手段,只需在激光谐振腔中插入一块非线性晶体,其结构紧凑、体积小、重量轻、可靠性高,非常适合应用于小型化的固体激光器。
与其它方法相比,OPO技术更具有以下优势:
l 全固态激光器泵浦技术成熟、效率高,OPO信号光波长可做到精确调节;
l 容易获得高光束质量的激光输出,可满足激光光电系统的数据率和作用距离日益增长的需求;
l 有广泛可用的非线性晶体材料;
l 阈值功率密度比Raman-shift laser低,热效应比Er-doped glass laser弱;
l OPO技术亦可以获得1064nm/1570nm双波长的激光,对特殊场合应用有重大意义。
目前,福晶科技全资子公司青岛海泰光电已掌握Eye-Safe OPO技术,同时他是国内最大的该类非线性晶体KTP供应商。
(二)VCSEL会否在结构上优化,达到更低功耗、更高效率的要求
1、一种明确的优化——单模光子晶体
单模光子晶体VCSEL技术发展是VCSEL器件由光通信领域向3D sensing应用演进的一大驱动力。普通VCSEL具有多横模激射以及偏振方向不稳定等缺点,因此要想使VCSEL能够在传感器领域使用,就需要改善 VCSEL的横向模式、实现激光器基横模工作。
光子晶体VCSEL是指在其上DBR中引入了二维光子晶体组成的周期性空气孔结构的VCSEL。这一结构能够有效的控制垂直腔面发射激光器的模式,使器件工作在基横模状态,从而获得更小的远场发散角、更均匀的光强分布、更窄的光谱线宽。
2、会否有其他优化?
我们觉得优化的趋势将一直存在,将会集中表现在效率提升 、成本下降等方面。
我们做个思考,在上面的讨论中提到VCSEL激光器是一种非常好的二次泵浦光源,意味着我们只需要加入一定的工作物质/晶体就能形成一个二次光泵浦结构,实现效率的快速提升;其中Nd:YOV4是性能最为优异的激光晶体(激光工作物质)。它的直接好处就是在同样性能的情况下,实现功率的下降-即省电。
此种推测我们尚不能得到确认,是一种可能性的升级思考。