揭秘光学产业：智能手机自动驾驶 VR 背后的核心中

　　光学行业是信息技术中最重要的环节之一，从全球光学镜头的应用看，手机、视频监控、车载摄像机是三个最大的终端市场，而近些年火爆的 VR/AR 也很大程度上推动了光学行业的增长。

　　从手机摄像头的发展历程看，几乎每隔 2 到 3 年都会有至少一次光学的性创新，是绝对的成长性行业。随着手机多摄化的持续推进，手机行业仍在很长的一段时间内成为光学行业增长的主要动力。而自动驾驶技术发展，带动车载镜头需求提升，重塑了光学行业天花板。随着 VR/AR 硬件不断升级，应用场景的不断丰富，光学行业开启新巨量赛道。

　　2000 年第一台带摄像头的手机夏普 J-SH04 问世，随之而来的是第一台带有前置摄像头的摩托罗拉 C975；2011 年 2 月 LG P925 的发布，是全球首款支持双摄像头的手机。2018 年华为 P20 开启后置双摄时代，2019 年华为 P30 更是创举性的使用后置四摄，20 年的新品 P40 Pro 更是将后置摄像头升级为 5 颗，多摄化进程进一步加速。

　　手机摄像头向着多摄化方向发展并不是偶然的，它有着其内在逻辑。由于尺寸的限制，手机中的单个摄像头必然无法与专业摄影设备竞争。而引入多摄后，各个摄像头分工合作，在算法软件的配合下，具有主摄 + 广角 + 长焦 + 虚化等优势，目前已成为安卓系手机的主要配置。在不同的镜头组合下，多摄模组具有光学变焦、背景虚化、暗光拍摄等优势，极大提升了拍摄效果。

　　2019 年全球智能手机摄像头总数达到 44 亿颗，平均每部手机搭载摄像头颗数达 3.21 颗，三摄市场渗透率迅猛提升。目前三星三摄及以上手机渗透率最高，达到 27%，华为则以 23% 位居第二。手机摄像头个数增多，逐步推动了“广角”、“长焦”、“微距”和“虚化”等 3D 成像质量的提升，同时促进摄视觉解决方案市场规模稳步增长。

　　除了多摄，光学镜头高像素化仍然是大势所向。像素作为消费者最关注的参数之一，已经从手机搭载摄像头伊始的 11 万像素，迅速发展至千万像素摄像头成为主流。2018 年 12 月，华为发布首款 4800 万像素主摄手机 Nova 4，至 19 年，40/48MP 摄像头已成为手机市场主流。小米于 19 年 11 月发布的 CC9 pro 中首次搭载 1 亿像素后置主摄，开启 108MP 后摄时代。

　　手机镜头过去都采用纯塑胶镜片，随着像素提升带动的镜头升级，相机使用的塑胶镜片数量持续增加。现阶段手机镜头已有 5 片、6 片 向 7 片、8 片 方向升级，镜片数的提升，无疑会带来整机厚度的增加，并且随手机摄像头像素升级、光圈变大，塑料镜头在成像清晰度、失真率等光学性能方面遇到瓶颈。手机镜头在 6 镜片以后，开始出现玻塑混合镜头的方案，1 片玻璃镜头加 5 片塑料镜头或者 2 片玻璃镜片加 3 片塑料镜片能够实现 7 片镜头功能。

　　玻塑混合镜头优点众多，或成未来主流镜头方案。当前玻璃镜片的生产工艺主要包括模造玻璃、WLO 和 WLG，其中模造玻璃以其工艺成熟、成本较低的优点，已经实现量产。玻塑混合镜头以玻璃镜片替代部分塑料镜片，由于玻璃镜片相较塑料镜片透光率更强、进光亮更大，能够提升成像质量，减少镜片数量而降低镜头厚度。自 2017 年 LG 采用玻塑混合镜头以来，玻璃镜片加工工艺的逐渐成熟、成本降低，现在已开始在手机终端规模化应用。

　　镜头升级多元化发展，大光圈、超广角也成为新趋势。光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面光量的装置，通常而言光圈的大小是由镜头孔径和焦距决定的。当光线通过镜片之后，再经由光圈照射到 CMOS 感光元件上。

　　大光圈能够实现背景虚化，同时提升快门速度有效防抖以捕捉动态画面。镜头的光圈越大，单位时间内通过这个光圈的进光量就越多，感光元件获得的信息也就越丰富，最后照片的效果越好。光圈变大会导致光线在折射过程中色差、色散增加，对镜头厂商的光学设计能力（校正像差）和装配调试能力（确保同轴组立精确度）也提出了更高的要求。

　　很多厂商在宣传一款手机的拍照性能时，往往会强调它的摄像头像素、光圈等参数，例如 iPhone 12 Pro 就将配备 F/1.6 的大光圈摄像头。

　　超广角镜头有着宽广的视野，又不像鱼眼镜头有强烈的畸变，是很好消除了畸变的镜头。超广角镜头具有拍摄画面空间纵深感强、景深较长、拍摄景物范围广的特点。广角镜头的设计难度在于画面边缘会受镜片折射影响产生畸变，因此需要更为精细的镜片组合优化光学设计、采用高质量的光学镜片、通过后期算法对镜片成像效果进行处理，来达到更好的广角效果。

　　单反相机可以通过不同焦距的镜头来实现变焦，但手机摄像头无法更换镜头，多摄的渗透让手机拥有了多焦段拍摄的能力。长焦镜头能够在不损失画质的前提下更为真实地呈现远景。

　　手机镜头中除了镜片外，另外一个重要的组成部分是图像传感器。图像传感器主要历经摄像管、光电二极管阵列、CCD、CIS 四个发展阶段。

　　（1）摄像管：1933 年，V.K. 兹沃雷金发明了光电摄像管，可看作第一个图像传感器，此后相继出现超正析像管、光导摄像管、硒砷碲摄像管等类型。

　　（2）光电二极管阵列：1967 年，第一颗以光电二极管为阵列、基于 MOS 管的图像传感器诞生，这是现代 CIS 最早的原型。

　　（3）CCD：1969 年，贝尔实验室发明了 CCD；1982 年，出现了使用 CCD 的相机产品；CCD 在近 20 年里作为主流图像传感器应用。

　　CIS 凭借体积小、成本低、功耗低、集成度高等优点，成为当前主流传感器。由于工艺原因，CCD 无法将敏感元件和信号处理电路集成到同一芯片上，因而会有体积大、功耗大的问题。

　　早期的 CIS 与 CCD 相比差距很大，但随着工艺的进步，CIS 性能有了质的飞跃。CIS 适用范围更广泛，目前已在消费电子领域完成对 CCD 的替代，而 CCD 仅在卫星、医疗等专业领域继续使用。

　　据中国产业信息网统计，2018 年用于手机的 CIS 芯片占比超过 60%；受智能驾驶、超高清建设、医疗成像等需求推动，用于汽车、安防、医疗市场的 CIS 芯片增长最为迅猛，预计五年 CAGR 分别达到 30%、20%、23%。

　　硬件上的进步无疑推动了手机光学的发展，而技术上的革新也是一个不可忽视的因素。技术进步首当其冲的是背照式兴起，使得拍照效果显著增强。传统前照式（FSI）结构中，滤镜与光电二极管存在金属连线，降低了进入传感器的光线%，拍照效果较差。

　　为了提升拍照质量，2008 年 6 月索尼宣布了背照式 CMOS 传感器，即将金属连线转移到光电二极管后面，光线可以直接进入光电二极管，大大降低了光线损耗，夜拍效果也随之增强。

　　另外，堆栈式结构也在技术升级中大放异彩。传统的前照式/背照式 CIS 中，像素和处理电路处于同一层，而堆栈式 CIS 将两个区域分离开来，将处理电路堆叠到像素区域下面，可按不同制程工艺制造像素和处理电路区域的同时，也极大地节省了空间。目前高端机 CIS 通常采用堆栈式结构，减少芯片尺寸的同时像素层面积占比提升至 90%，成像质量得到极大的优化。

　　近年来，手机光学中的一个很重要的创新是 3D Sensing。3D Sensing 是以多摄为基础的功能化升级，深度图像识别将赋予终端人脸识别和手势识别的能力，是未来智能手机应用拓展的功能基础，因此也是光学领域最具机会的方向之一。

　　2017 年苹果 iPhone X 率先大规模将 3D Sensing 技术应用到消费电子终端上，随后小米、OPPO、华为、三星等品牌陆续也将该项技术应用至其核心产品中。这项技术首先在前置摄像头中开始应用，随后在近两年内开始逐渐出被应用到后置摄像头中。

　　3D Sensing 主要有双目立体成像、结构光和飞行时间技术（ToF），其中结构光和 ToF 两种比较成熟的方案，应用场景丰富，需求有望增加。

　　3D 结构光是基于激光散斑原理，结构光原理为通过近红外激光器向物体投射具有一定结构特征的光线，再由专门的红外摄像头进行采集获取物体的三维结构，再通过运算对信息进行深入处理成像。3D 结构光具有成像精度较高、反应速度快与成本适中的特点，但其识别距离有限（有效范围 1 米以内），主要用于近距离 3D 人脸识别，实现手机面部解锁、智能支付等功能。

　　时间飞行法（TOF）利用反射时间差原理，通过向目标发射连续的特定波长的红外光线脉冲，再由特定传感器接收待测物体传回的光信号，计算光线往返的飞行时间或相位差，从而获取目标物体的深度信息。TOF 方案具备抗干扰性强，刷新率较快，能够覆盖中远距离，可广泛应用在手势追踪、手机后置辅助相机等。

　　ToF 具体可以细分为间接测量飞行时间（iToF，indirect Time of Flight）和直接测量飞行时间（dToF，direct Time of Flight）。大部分的 iToF 采用测相位偏移的方法，即发射的正弦波与接收的正弦波之间的相位差，由于基于正向偏压的光电二极管以及其测量电路的时间分辨率比较。