光學行業：光變之路，誰是下一代顯示技術明星？

▌次世代顯示技術明星—MicroLED

MicroLED是指在晶片上整合的高密度微尺寸LED陣列，每個畫素點定址化、單獨驅動，具有自發光特性。

相比於當前顯示技術主流OLED和LCD，MicroLED結構更加簡單，效能優勢更加明顯，具有高亮度、低能耗、使用壽命長、無影像烙印、響應速度快等優點，可廣泛應用於面板顯示器、AR/VR裝置、戶外顯示器、頭戴式顯示器(HMD)、擡頭顯示器(HUD)、無限光通訊、投影機等領域。

目前，蘋果收購LuxVue科技公司，佈局MicroLED在可穿戴裝置市場應用。

三星、索尼佈局MicroLED大屏顯示應用，分別推出MicroLED產品「CLEDIS」和「TheWall」。

美國Vuzix和英半導體公司Plessey共同合作開發MicroLED顯示引擎用於下一代AR智慧眼鏡。

據預測，至2025年MicroLED顯示市場出貨量可達3.3億片，市場產值將達到28.91億美元。

▌MicroLED顯示技術的過渡—MiniLED

MicroLED由於巨量轉移等關鍵性技術和裝置上等難題，短期內難以實現量產。

MiniLED作為MicroLED顯示技術的過渡，製造技術更加成熟、生產裝置更加齊全，容易實現相關產品量產。

MiniLED採用背光設計、微縮晶片等技術，可獲得輕薄、高畫質、低功耗等特性，效能水平接近於OLED，在亮度、顯色等方面優於OLED。

MiniLED以背光源應用為訴求，可適用於車用面板、戶外顯示屏、大尺寸電視、手機、電競筆電等領域。據集邦諮詢預估，2023年整體MiniLED產值將達到10億美元。

目前，臺系LED產商佈局MiniLED十分積極，晶電、隆達、聚積、群創、友達、巨集齊、億光均表示今年將實現MiniLED產品量產。大陸廠商也在緊鑼密鼓佈局。

MiniLED顯示技術對比

MiniLED與MicroLED

MicroLED作為新一代顯示技術，在效能表現上具有諸多優勢，但其最大難題「巨量轉移」，阻礙了MicroLED量產的程序。

MiniLED是晶粒尺寸約在100微米以上的LED，相比於MicroLED，製程工藝技術相對容易，生產良率高，具有異性切割特性，並且MiniLED可採用現有大部分裝置進行製造，更容易實現產品量產。

在顯示器應用方面，將MiniLED晶片做成自發光顯示器成本過高，並且解析度可能無法滿足現有產品要求。因此，MiniLED搭載背光模組，主要面向背光源應用領域。

MiniLED雖然沒有自發光特性，但其搭配軟性基板可製成高曲面背光的形式，通過區域性調光設計，可使MiniLED顯示具有好的演色性，實現HDR，同時具有節能特性。

MiniLED對於畫質的提升雖不如MicroLED，但依然可大幅提升現有LCD顯示畫質，且成本相對容易控制。

OLED自發光特性使其擁有高色飽和度、高對比度、畫質好以及響應速度快等優點，在顯示應用方面具有很大的優勢。而MiniLED利用LCD顯示器架構，微縮晶片尺寸至100-200μm，在背光模組中通過矩陣式排列布滿LED，可以同樣實現高對比，並可擁有1000nit以上的高亮度。

MiniLED可通過分割槽調光實現HDR，擁有好的畫質。因此，MiniLED在顯示器效能上並不弱於OLED，並可在亮度、顯色等方面實現效能超越。

在小尺寸顯示應用方面，如手機，MiniLED在顯示效果各方面可達到接近於OLED面板。MiniLED與OLED在相同效能要求時，成本問題成為兩者競爭的關鍵。

MiniLED生產鏈與製造技術成熟，隨著技術發展生產成本的進一步降低，MiniLED在手機市場的普及應用值得期待。

但在大尺寸電視市場，MiniLED具有與OLED叫板的能力。在大尺寸電視市場，OLED的印刷上色技術仍未成熟，現行技術方法的材料利用率低於30%。

目前在電視上以WOLED為主，即以黃/綠色搭配藍色發光層合成白光，通過使用彩色濾光片完成全綵化。而MiniLED採用背光設計的液晶電視面板，畫質水平與OLED接近。並且在生產成本上具有小幅優勢。

以65吋UHD為例，OLED生產成本約為950-1000美元。而採用MiniLED背光的65吋UHD，以使用30000-40000顆LED估算，其生產成為約為900-1000美元。因此，MiniLED在大屏電視市場，具有應用的前景。

MiniLED產業應用及市場情況

MiniLED採用背光設計、微縮晶片等技術，可獲得輕薄、高畫質、低功耗等特性，效能水平接近於OLED，在亮度、顯色等方面優於OLED。

MiniLED以背光源應用為訴求，可適用於車用面板、戶外顯示屏、大尺寸電視、手機、電競筆電等領域。據集邦諮詢預估，2023年整體MiniLED產值將達到10億美元。

目前，因MicroLED相關技術暫未突破，眾多廠商已紛紛轉向MiniLED的相關應用的開發。其中，臺灣地區在MiniLED佈局十分積極。

面板廠有友達、群創等，LED芯片廠有晶電、隆達等、LED封裝有億光、榮創等，IC設計有聚積、瑞鼎等廠商。

▌3DSensing核心元件—VCSEL

VCSEL集高輸出功率和高轉換效率和高質量光束等優點於一身，相比於LED和邊發射鐳射器EEL，在精確度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面佔優。

隨著VCSEL晶片技術的成熟，以其作為核心元件的3DSensing走入應用，在活體檢測，虹膜識別，AR/VR技術以及機器人識別和機器人避險、自動駕駛輔助等領域得到發展。

近期，3DSensing的主要應用以手機為主，iPhoneX首次搭載3D結構光模組，引領3DSensing消費市場。

目前，全球3DSensing供應鏈趨於完善，VCSEL設計廠商Lumentum、II-VI、Finisar、AMS，VCSEL外延片供應商IQE、全新光電以及臺灣晶圓代工廠穩懋、晶電等均紛紛佈局3DSensing領域。

據預測，未來幾年3DSensing市場規模將呈幾何式增長，到2020年3DSensing市場規模可達到108.49億美元2023年3D感測的市場空間達到180億美元，2018年-2023年複合增速達到44%。

其中，3DSensing在智慧手機市場上的滲透率不斷提高，3DSensing滲透率有望從2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。

新型半導體鐳射器—VCSEL

VCSEL(Vertical-cavitysurface-emittinglaser)，即垂直腔面發射鐳射器，與傳統的邊發射鐳射器不同，其鐳射出射方向垂直於襯底表面。

半導體鐳射器主要分為邊發射半導體鐳射器EEL(edge-emittinglaser)和垂直腔面發射半導體鐳射器VCSEL兩種型別。邊發射半導體鐳射器具有高的光電轉換效率和高的輸出功率。

但是邊發射半導體鐳射器發散角較大，並且平行和垂直於PN接面的兩個方向發射角相差較大，這一缺陷極大的限制了邊發射半導體鐳射器的應用範圍。垂直腔面發射半導體鐳射器具有較好的光束質量和圓對稱的光斑分佈，發散角較小。

KUZNETSOV等研究人員製備得到的光泵浦垂直腔面發射半導體鐳射器，其集高輸出功率和高轉換效率和高質量光束等優點於一身。

VCSEL具有完美的光束質量、小的發散角和圓對稱光場分佈使其與光纖的耦合效率較高，其與多模光纖的耦合效率可大於90%。其較小的有源層體積，使其產生鐳射的閾值電流較低。

極短的諧振腔長度，使得縱模間距變大，易於實現單縱模鐳射運轉。

具有垂直於襯底表面光出射方向，易於通過高密度整合實現高功率鐳射輸出。高的傳輸速率和調製頻率，也有利於高速光纖網路傳輸通訊。

VCSEL在感測器應用方面也展現出優異的效能，相比於早期3D攝像頭系統使用的LED紅外光源，結構更加簡單、體積更小、功耗更低、距離檢測更加精確。

VCSEL廣泛的應用範圍，3DSensing市場可期

隨著VCSEL研究的不斷髮展，以其作為核心元件的3D攝像頭可以更快、更好的走入應用，產品進入市場。

3D成像對比傳統的2D成像技術有著更好的技術特性，全面的三維資訊可以更好的應用在智慧化裝置中，如活體檢測，虹膜識別，AR/VR技術以及機器人識別和機器人避險、自動駕駛輔助等領域，隨著時間演進，到2023年3D感測的市場空間達到180億美金，2018年-2023年複合增速達到44%。

據TrendForce統計，到2017年年底，全球3DSensing市場規模僅為8.19億美元。但受益於消費電子市場可預見的爆發式增長，全球3DSensing市場規模將不斷擴大。

TrendForce預測，未來幾年3DSensing市場規模將呈幾何式增長，到2020年，3DSensing市場規模可達到108.49億美元。其中，3DSensing在智慧手機市場上的滲透率不斷提高，3DSensing滲透率有望從2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。

據DeutscheBank統計，2017年搭載3DSensing模組的智慧手機(僅有iPhone)數量為3800萬臺，在智慧手機上搭載率僅為3%。

2018年隨著3DSensing模組在Android手機上進行使用，智慧手機市場3DSensing模組需求擴大。

據預測，2020年搭載3DSensing模組的iPhone手機數量將達4.4億臺，搭載3DSensing的Android手機數量將達4.65億臺，3DSensing在智慧手機上搭載率將達到38%。

3DSensing技術成熟，蘋果iPhoneX搭載3D結構光模組，推動消費升級

3D成像，3D成像就是在二維影象，包括顏色，亮度，細節的基礎上增加了景深的資訊，在拍照的同時，獲取物件的景深資料，應用於人臉識別，虹膜識別，手勢控制，機器視覺，計算攝影。

3D攝像頭模組:RGB攝像頭+深度攝像頭，並搭載核心3DSensing演算法一起來提供3D成像。其中深度攝像頭在整個3D攝像頭模組中起了非常關鍵的作用，可提供場景的深度影象，是影象由二維轉換為三維的關鍵技術點。爲了實現3D成像，目前需要解決的是深度攝像頭的方案，目前已有的3D成像方案有:結構光法，飛行時間法(TOF)和雙目測距法。

蘋果積極佈局3DSensing領域，iPhoneX搭載3DSensing人臉識別

在光學領域，蘋果始終保持行業領先地位。當下熱門的3D攝像頭技術，蘋果早在2010年便展開佈局。如今，蘋果已收購多家相關技術領域的公司。

2017年蘋果推出十週年紀念版機型iPhoneX，其搭載的3DSensing人臉識別成為業界熱捧的智慧手機新功能。該產品再次引領手機產業開啟新一輪10年週期的升級風潮。

iPhoneX採用的3DSensing核心元件包括點陣投影器(Dotprojector)、接近感測器(TOF)和泛光照明(Floodilluminator)等。iPhoneX紅外點陣投影器通過採用VCSEL二極體配合主動式衍射光學元件和摺疊光學元件得以實現。

其中，VCSEL晶片安裝在氮化鋁的DPC陶瓷基板上，氮化鋁基板貼裝於HTCC陶瓷基座底部。主動式光學元件的電極和陶瓷基板中的IC通過元件側方的金屬聯結器相連。

系統工作時，由VCSEL晶片發出紅外光束，經過摺疊光學元件引導至主動式衍射光學元件，再由主動式衍射光學元件將光束分成30000個點光束髮射而出。

這種非常獨特的裝配方案獲得了最優化的熱管理效能，並能為所有的光學元件提供更高的對準精度。

iPhoneX泛光照明器採用近紅外VCSEL，通過發射輔助紅外光確保系統在較暗環境下正常執行。

TOF接近感測器可測得使用者和手機距離，當用戶在接聽電話時，會自動關閉螢幕。

蘋果作為手機行業龍頭，率先在智慧手機上大規模採用3DSensing技術，引領3DSensing消費市場。最近，最新發布的安卓手機小米8探索版中也搭載了MantisVision編碼結構光方案。

OPPO的FINDX手機也採用3D結構光模組，通過向人臉投射15000個光點，建立毫米級精度的3D深度圖，並快速與使用者資訊進行比對。同樣，華為預計今年下半年相關機型也將會搭載3DSensing裝置。

VCSEL供貨商看好手機3DSensing市場，蘋果3DSensing供應鏈趨於完善

自蘋果手機iPhoneX搭載3DSensing攝像頭引爆市場後，國內各手機品牌在新推出的智慧手機上也紛紛搭載3D結構光元件。

據估計，2018年全球手機鏡頭顆數總量可達約37億顆，YoY達11.5%，2020年達45億顆，攝像頭總量增加高於智慧手機增速。

這主要由於雙或多攝像頭普及率越來越高，且每臺手機搭載不同功能的鏡頭數量越來越多。三星和華為出產的手機預計有90%以上將搭載雙或多攝像模組。

預計2020年每臺手機將搭載2.94顆，到2021年每臺手機搭載顆數將超過3顆。3DSensing產業的良好前景，已引起了國內廠商注意，晶電、三安等廠商積極進入該市場。(浙商證券：孫芳芳 )