光學傳輸與攝像頭光學技術
時域全反射和波導
麥克斯偉方程在時間和空間具有一定的對偶性(duality)，比如空間上高斯光束的衍射與時間上高斯脈沖在具有負群速度色散的光纖中傳輸就具有這樣的關系。科學家們對光的空間傳輸性質已經進行了幾百年的研究，取得了豐碩成果。通過考察時空對偶性，借鑒光的空間傳輸現象，有利于理解甚至發現嶄新的由超短脈沖參與的超快現象。
比如，根據斯涅爾定律，光在空間介質分界面會發生反射和折射現象，那么可以問:(1)相對應的時域界面是什么?(2)脈沖在時域界面又有哪些有趣的 “反射”和“折射”現象?

圖1. 空間折反射和時域折反射示意圖
空間折反射和時域折反射類比如圖1所示。空間折反射過程中，反射光和折射光的波矢量發生改變，而頻率保持不變；時間折反射則表現出相反的特性，折反射過程中光頻率變化而波矢量守恒。
2015年，G． P． Agrawal等人研究了色散介質中脈沖在時域邊界的反射和折射現象。將傳播常數在入射脈沖中心頻率做泰勒展開至二階色散項，忽略脈沖自身的非線性效應，計算時域折反射過程脈沖和光譜演化如圖2所示:白色虛線為時域邊界的位置。
圖2a顯示，脈沖在時域折反射過程中，大部分能量發生折射進入時域邊界，伴隨著脈沖寬度減小和群速度降低；反射脈沖寬度和入射脈沖相等，對這些現象的解釋可以通過色散曲線和波矢量守恒條件得到。折反射前后光譜的演化如圖2b所示，入射光譜頻移至兩個不同的頻率處，分別對應時域的折射和反射。

圖2. 時域折反射現象的脈沖演化(a)和光譜演化(b)；虛線:時域邊界
利用折反射前后波矢量守恒條件和材料的色散曲線，可以計算反射脈沖和入射脈沖的中心波長。在時域折反射過程中，材料的色散曲線在確定反射和折射脈沖的頻移量時起著重要作用。對于反射脈沖而言，頻移量由脈沖相對時域邊界的群速度和材料群速度色散共同決定。正色散導致脈沖紅移，負色散導致藍移；群速度色散越小，頻移量越大；在色散零點附近將不發生時域反射。
對于折射脈沖，在任何情況下，折射脈沖頻移量都小于反射脈沖頻移量。將時域上反射和折射的頻移表達式寫成空間上折射定律和反射定律的形式，發現，當由折射率突然變化引起的傳播常數的變化量足夠大時，等效折射角失去物理意義，發生全內反射(如圖3所示)。時域脈沖在時域邊界處被全部反射，光譜全部頻移至反射波中心頻率處。

圖3. 時域全反射現象的脈沖演化(a)和光譜演化(b)
2016年，G． P． Agrawal等人在時域上全內反射的基礎上，利用兩個時域界面構建了時域波導，與單個時域界面不同之處在于，脈沖在到達第二個時域界面時，會再次經歷全內反射，中心頻率逆向頻移至入射脈沖中心頻率，如此反復進行，將脈沖捕獲在兩個時域邊界之內(如圖4所示)。

圖4. (左)脈沖在時域波導中的演化，(右)頻域的演化
模擬結果顯示，隨著傳播距離的增加，群速度色散使得脈沖出現明顯的展寬。在時域邊界處，入射脈沖和反射脈沖的光譜干涉導致周期性的波紋結構。這與空間波導中傳輸層尺寸遠大于光束寬度時發生的現象類似。在時域波導的理論研究中，引入無量綱參數V，以此確定時域波導中支持的模式數量，當V<(m+1)π/2時，支持m個模式；當m=0時，即V<π/2，時域波導為單模波導。時域波導的單模和多模傳輸如圖5所示，單模傳輸時，脈沖在時域邊界之間保持穩定，光譜也保持穩定，但中心頻率移動至相對群速度為零處，以保證脈沖和時域邊界以相同的群速度運行；多模傳輸時，時域出現多峰結構，在頻域表現為以單模傳輸頻率為中心對稱分布的雙峰結構；模式數量越多，時域強度峰越多，頻域雙峰間隔越遠。

圖5. 模式階數分別為0，2，10的時域以及頻域演化
空間單模波導得到了廣泛的應用，單模光纖就是典型的例子。實驗中將光束耦合進入單模光纖時，光束與光纖的軸對準和角度對準嚴重影響了耦合效率。時域波導中也面臨著同樣的問題。圖6顯示了當輸入脈沖形狀與單模脈沖形狀有差異時，脈沖的時域和頻域演化。
在開始階段，脈沖和時域邊界發生強烈相互作用，大量能量以色散波的形式進入時域邊界的“包層”，隨后被整形成單模形狀穩定運行，類似于空間的角度對準。光譜的演化圖中，輸入光譜與時域波導的基模光譜重疊的部分被引導，經過一段距離的振蕩之后保持穩定。類似于光束與光纖的軸對準。

圖6 3．5ps的脈沖進入10ps時域波導的演化(a)；被引導的光譜成分的演化(b)
除了光束與光纖的軸和角度外，光束的寬度與光纖纖芯的匹配同樣影響著耦合效率。G． P． Agrawal等人研究了不同脈寬的基模脈沖入射到時域單模波導后的現象，結果如圖7所示。
對于入射到時域單模波導中的脈沖，無論其脈寬和形狀如何，均會被整形。脈沖寬度較小時(圖7a)，群速度色散導致脈沖展寬，大量能量流出時域波導，少部分能量自整形成為單模脈沖穩定于時域波導內；脈沖寬度較大時(圖7b)，時域波導之外的能量大量流失，波導內的能量自整形成單模脈沖最終穩定。

圖7 寬度2．5ps(左)和10ps(右)的脈沖在時域波導中的演化
對時域波導的理論研究和數值模擬得到了很多與空間波導類似的結果。然而，在實驗中實現時域波導依然是一個難題，主要問題是如何控制脈沖對于時域邊界的相對速度，G． P． Agrawal等人提出利用同向傳播的微波脈沖驅動的行波電光相位調制器產生兩個移動的邊界。
另一個替代方法是，利用高能量矩形泵浦脈沖的泵浦-探測裝置，通過交叉相位相調制產生時域界面，這種情況下，將探測脈沖入射到兩個泵浦脈沖中間，泵浦脈沖的兩個邊緣形成波導邊界，選擇色散曲線合適的光纖，就能實現時域波導，為上述時域折反射理論提供可靠的實驗驗證。
光學攝像頭
無論是像素升級、光學防抖，還是大光圈、雙攝像頭，光學一直是消費電子的創新主戰場之一。光學行業發展到今天出現了新的動向，3D Sensing 與三攝、潛望式成為未來創新的重點。
3D Sensing 正逐步取代指紋識別成為手機標配。三攝像頭和潛望式則在雙攝的基礎上再次大幅提升拍照質量，有望在華為、OPPO 的帶動下成為下一階段的發展趨勢。

光學新動向精彩紛呈
光學始終是智能手機創新的主戰場
光學創新因為能給用戶帶來非常直觀而明顯的體驗提升，成為各大手機廠商進行差異化競爭的焦點，也讓光學成為智能手機創新的主戰場之一。
回顧歷史，發現圍繞著帶來更好的拍照體驗這個目標，光學經歷了像素升級、光學防抖、大光圈、長焦鏡頭、光學變焦、多透鏡設計、雙攝像頭等多種創新，其中以像素升級和雙攝像頭最為典型。iPhone 作為智能手機的開創者和標桿，其像素升級歷史最為典型。
第一代iPhone的后置攝像頭像素只有200萬，隨后逐步升級到現在的1200萬；前置攝像頭則從 iPhone 4 的30萬像素，逐步升級到了現在的 700 萬像素。在蘋果的帶動之下，安卓手機廠商也積極升級手機攝像頭像素，并在2011-2015年形成了“像素大戰”。
▲iPhone X 的 3D Sensing 發射端拆解
3D Sensing 是一個全新的增量市場，將給產業鏈帶來新的成長動力。
發射端的元器件大部分是創造了新的產業，價值量較大，在 VCSEL 激光源、準直鏡頭、DOE 光學衍射元件、模組等領域給相關企業帶來了巨大的全新需求。
但發射端元器件的難度較高，需要較多的技術積累，所以目前主要是海外企業參與供應鏈，這也給未來大陸廠商的突破帶來了契機。
接收端的元器件主要是在對存量產品應用領域的進一步的擴大，價值量相對發射端要小。
大陸企業在窄帶濾光片、光學鏡頭、模組等領域已經具有較強的實力，完全可以參與進去。但在紅外 CIS 方面還是空白，需要未來的進一步突破。

▲3D Sensing 產業鏈供應商及單機價值量
VCSEL 激光源
技術難度大，海外廠商主導
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、轉換效率高、成本低等諸多優點，從而順理成章地擊敗紅外 LED 和 EEL 成為 3D Sensing的主流紅外光源，被蘋果等廠商所使用。
在 VCSEL 中，發光層被稱為多量子阱（MQW），其中由銦鎵砷（InGaAs）和鋁鎵砷（AlGaAs）組成的 MQW 最為合適。
銦（In）的比例可以決定最后發射激光的波長，當銦（In）的比例為 0 時，發射的是波長 850nm 的紅外激光，這時的外延工藝較為簡單，這也是 850nm 紅外激光被廣泛使用的原因；
當銦（In）的比例為 20%時，發射的是 940nm 波長的紅外激光，這也是 iPhone X 所使用的紅外激光的波長。
在 MQW 發光層的上下部分是 p-DBR 與 n-DBR，用于篩選出特定波長的“純凈”光。
由于出射光的方向一般是頂部，所以在底部還需要一層襯底。
陽光中的 940nm 紅外光會在長距離傳播中被空氣中的水分吸收掉，而iPhone X 所用的 940nm 紅外光則因距離面部近而不會被吸收，這樣可以避免陽光中的紅外光干擾產生“紅暴”現象，所以蘋果才選用這個波長的紅外光。
850nm 紅外光則一般用于光通信中。

▲VCSEL 激光器的內部結構示意圖
VCSEL 產業由設計、外延片、晶圓代工、封測等四個環節組成，整個產業高度分工、專業化程度很高，擁有較高的技術門檻。
大部分設計廠商都是從光通信領域切入消費電子領域，主要廠商包括Lumentum、Finsar、Princeton 等。
Lumentum 為蘋果核心供應商，其一方面采用 IDM 模式自行制造 VCSEL，另外也與代工廠合作生產。
除了Lumentum，蘋果正在積極扶持 Finsar，以降低供應鏈集中的風險。
Princeton已在 2017 年被 AMS（艾邁斯）所收購，并已在新加坡建設新工廠，用于生產高功率 VCSEL，已成為小米 8 透明探索版的 VCSEL 供應商，未來可能是安卓廠商的首選。
外延片領域，英國公司IQE是全球最大的獨立外延片供應商，市場份額大約為 80%，是蘋果核心供應商。
其外延片供應商還包括臺灣地區的全新和聯亞光電。
在代工領域，臺灣地區的穩懋為全球最大的化合物半導體代工廠，其在化合物半導體代工市場的市占率超過 50%，并與 Lumentum 緊密合作而成為蘋果核心供應商。
而宏捷科則擁有 AMS（艾邁斯）入股，未來有望隨著AMS 而切入消費電子 3D Sensing 產業。
在封測領域，主要廠商均來自臺灣地區，主要包括聯均、欣品和同欣等廠商。
準直鏡頭
技術難度高VCSEL 發出的光具有較寬的波瓣，不利于后續的衍射過程，需要將這些光匯聚校準為窄波瓣的近似平行光。
這種將激光校準為平行光的器件就是準直鏡頭。
由于準直鏡頭靠近 VCSEL 紅外激光源，VCSEL 產生的大量熱量會影響準直鏡頭的形狀、尺寸及折射率，所以耐熱性成為了準直鏡頭的關鍵。
現在準直鏡頭的制造工藝有 WLO、WLG 和模造工藝三種。
WLO（Wafer Level Opticals，晶圓級光學鏡頭）采用晶圓和特殊液體聚合物作為光學材料，被蘋果選為 iPhone X 的準直鏡頭方案。
目前大部分 WLO 專利都在 Heptagon（已被 AMS 收購）手中，形成了非常高的壁壘，蘋果 iPhone X 所使用的 WLO 就是由 Heptagon 所提供。
除了 WLO 方案，目前還有 WLG 工藝和模造工藝涌現，同樣可以解決耐熱性問題，可能在未來成為準直鏡頭的選擇。未來準直鏡頭的技術路徑存在較大的不確定性。
WLG（Wafer Level Glass，晶圓級玻璃）采用半導體級工藝生產玻璃鏡頭，具有良好的耐熱性，可能在未來取代 WLO 成為準直鏡頭的首選方案。
目前 WLG 方案進展最快的廠商是瑞聲科技，公司擁有來自丹麥的 WLG模具設計和制造團隊（Kaleido）、日韓光學設計團隊和高效的本土管理團隊。
瑞聲除了可將 WLG 用作準直鏡頭，還可以用于手機前后置攝像頭等成像鏡頭，具有較大的想象空間。
但目前 WLG 方案仍不成熟，產能、良率、成本等方面仍需要時間才能突破。

▲WLG 的制造流程示意圖
模造工藝即首先使用模造工藝生產玻璃透鏡和塑膠透鏡，然后將玻璃透鏡或塑膠透鏡組合到一起制成準直鏡頭。
在具體材料組成方面，有全玻璃、玻塑混合、全塑膠三種組合。
盡管塑膠的耐熱性不如玻璃，但臺灣的大立光通過在塑膠鏡頭中多增加一片透鏡，并增加音圈馬達，也可以具有較強的耐熱性。
根據大立光最新的股東常會透露，其全塑膠方案已向客戶送樣。
模造工藝是目前制造鏡頭的最成熟工藝，目前手機攝像頭所用的成像鏡頭都是使用模造工藝制成的，所以模造工藝在產能、良率、成本上都有較為明顯的優勢，大立光、舜宇光學、瑞聲科技等均可大規模制造模造鏡頭。
如果模造工藝成為準直鏡頭的方案，將對這些傳統手機鏡頭供應商帶來較大的增量市場空間。
光學衍射元件
精度控制是關鍵經過準直鏡頭校準后的激光束并沒有特征信息，因此下一步需要對激光束進行調制，使其具備特征結構，光學衍射元件（DOE）就是用來完成這一任務的。
VCSEL 射出的激光束經準直后，通過 DOE 進行散射，即可得到所需的散斑圖案（Pattern）。
DOE 的基本原理是利用衍射原理在元件表面制備一定深度的臺階（光柵），光束通過時產生不同的光程差，滿足布拉格衍射條件。
通過不同的設計來控制光束的發散角和形成光斑的形貌，實現光束形成特定圖案的功能。
DOE 是一個單一光學元件，可將入射光束分散成無數個光束再射出。
每一個分散之后再射出的光束，都與原先入射進來的光束擁有相同的光學特性，包括偏振性、相位等。
DOE 可產生 1D（1xN）或 2D（MxN）的光束矩陣，視DOE 的表面微結構而定。
DOE的特點是能夠在保持較高衍射效率的同時對光強分布進行精確控制，因此 DOE 成為讓激光生成隨機散斑的理想元件。

▲DOE 工作原理示意圖
DOE 的制造門檻較高，蘋果是由其自行設計 pattern，然后交由臺積電采購玻璃后進行圖案化過程，精材科技將臺積電 pattern 后的玻璃進行堆疊、封裝和研磨，然后交采鈺進行 ITO 工序，最后由精材科技進行切割。
臺灣地區的奇景光電也具有生產 DOE 的能力，目前正與高通合作。
大陸地區還沒有具備 DOE 設計和加工能力的公司。
接收端鏡頭
使用普通手機鏡頭，產業鏈十分成熟傳統的手機鏡頭需要達到非常好的成像效果，所以需要非常復雜的光學設計和制造工藝。
但接收端紅外攝像頭對光學鏡頭的要求遠不如可見光攝像頭那么高，對光線的通光量、畸變矯正等指標容忍度較高，所以目前 3D Sensing 接收端鏡頭主要使用已成熟的普通鏡頭。
蘋果 iPhone X 接收端鏡頭為 4P 結構，供應商為臺灣地區的大立光和玉晶光。
除了這兩大廠商，還有關東辰美、舜宇光學、瑞聲科技等均可提供接收端鏡頭。
隨著大陸手機廠商開始普及 3D Sensing 功能，舜宇光學和瑞聲科技可能憑借本土供應鏈優勢而獲得較大的份額。
窄帶濾光片
所起作用十分重要，鍍膜工藝是關鍵
窄帶濾光片是只允許特定波長的光通過而濾除其余波長的光的光學元件。
3D Sensing 的發射端會發射 940nm 波長的紅外光，接收端需要濾除其余波長的光而僅僅接受 940nm 紅外光，所以需要使用窄帶濾光片。
窄帶濾光片的通帶相對比較窄，一般要求在中心波長值的 5%以下。

▲窄帶濾光片的原理示意圖
窄帶濾光片的薄膜一般由低折射率和高折射率的兩種膜組成，疊加后層數達幾十層，每一層薄膜的參數漂移都可能影響最終性能；
而且窄帶濾光片透過率對薄膜的損耗非常敏感，所以制備峰值透過率很高、半帶寬又很窄的濾光片非常困難。
制備薄膜的方法有很多種，包括化學氣相沉積、熱氧化法、陽極氧化法、溶膠凝膠法、原子層沉積（ALD）、原子層外延（ALE）、磁控濺射等，而不同方法制備的薄膜性能差異很大。
窄帶濾光片的難度和價值量都高于傳統攝像頭所用的濾光片，目前僅有VIAVI 和水晶光電的技術較為成熟，這兩家也是蘋果 iPhone X 的窄帶濾光片供應商。
隨著國產手機廠商將在 2019 年開始快速普及 3D Sensing 功能，水晶光電作為本土的窄帶濾光片供應商，將有望占據更為重要的位置 。
紅外 CIS
技術較為成熟，定制化是行業主要特點
紅外 CIS（CMOS Image Sensor）即紅外 CMOS 圖像傳感器，是用來將接收到的紅外光轉換為數字信號的器件，在技術上已經比較成熟。
在原理上，紅外 CIS 與可見光 CIS 是一致的，但可見光 CIS 需要識別RGB 三種顏色，并且需要呈現非常清晰的圖像，所以對分辨率的要求很高。
而紅外 CIS 只需要獲取結構光的深度信息，不需要產生清晰的成像，所以分辨率要求不高，通常2M 像素即可滿足要求。
目前紅外 CIS 的供應商主要有意法半導體、奇景光電、三星電子、富士通、東芝等，其中意法半導體是 iPhone X 紅外 CIS 的供應商。
由于各廠商使用的 3D Sensing 方案差異較大，各個廠商對紅外 CIS 的要求也有很大的差異，所以需要供應商提供定制化的紅外 CIS。
例如 iPhoneX 所用的接收端紅外 CIS 使用了獨創的 SOI 襯底和深溝隔離（DTI）兩種技術，用于滿足蘋果的定制化要求。
紅外 CIS 成像系統的有效范圍與其靈敏度直接相關，并由兩個關鍵性的測量參數所確定：量子效率（QE）和調制傳遞函數（MTF）。
紅外 CIS 的QE 代表其捕獲光子與其轉換為電子的比率，QE 越高，NIR 照明所能達到的距離越遠，并且圖像亮度越高。
MTF 所測量的是在特定的分辨率下圖像傳感器將成像物的對比度傳送到圖像中的能力，MTF 越高，圖像越清晰。
模組
行業門檻并不高，良率提升是盈利關鍵
3D Sensing 模組環節就是把上述各元件組裝形成一個整體的過程。
模組環節技術難度并不大，并且受益于攝像頭模組行業的發展，已經擁有眾多廠商可以生產 3DSensing 模組，所以行業門檻并不高。
盡管行業進入門檻不高，但如何把產品良率維持在一個較高的水平是穩定盈利的關鍵。影響 3D Sensing 模組良率的環節主要體現在以下幾個方面：
1）發射端擁有準直鏡頭、衍射光學元件等非常精密的光學元件，在組裝時需要保證非常高的精度；
2）發射端的 VCSEL 激光器需要進行光譜檢測和校準；
3）發射端、接收端、泛光感應器件需要通力合作，三者在位置上的準確度和穩定性對于最終 3D Sensing 效果有非常重要的影響，需要高難度的匹配和校準。
以上環節主要是對精度的要求，稍有不慎就會產生廢品降低良率，所以這是一個需要精密和準確的行業，而不是一個依靠技術創新的行業。
▲iPhone X 3D Sensing 模組拆解
目前，具備 3D Sensing 模組制造能力的廠商包括 LG Innotek、富士康、夏普、歐菲科技、舜宇光學等。
其中 LG Innotek 是 iPhone 3D Sensing 發射端模組的獨家供應商，富士康和夏普是 iPhone 3D Sensing 接收端模組的供應商。
歐菲科技、舜宇光學等大陸廠商在模組領域也具備很強的實力，已經可以大規模量產 3D Sensing 模組。
隨著國內手機廠商在 3D Sensing 領域快速推進，歐菲科技、舜宇光學將有望深度受益。
無論是三攝像頭、潛望式攝像頭還是 3D Sensing，都是智能手機的增量創新，都將帶來全新的增量市場空間。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的光学传输与摄像头光学技术的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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