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发表于 2019-3-4 07:28:55 |显示全部楼层
机器之心原创
撰文:四月


一年前,iPhone X 将具备深度信息的人脸识别方案带入消费级市场,打响了深度视觉在手机市场的第一炮。
随后,OPPO Find X、荣耀 Magic 2、小米 8 探索版等高配「3D 刷脸」的安卓机发布迅速成为行业热议。
需求端的兴起带动了生产力的升级,沉睡多年的深度视觉产业链随即被点燃。一匹「清华系」的黑马闯入赛道——以 DOE 为核心技术的驭光科技——为终端的微型深度视觉产业链补齐关键短板。


iPhone X 前置 3D 结构光摄像模组
从上图可以看到,在 iPhone X 的前置 3D 结构光摄像模组中,最右端的投射模组正在向外发射光束,它的底部是一个激光器——投射模组的核心器件,名为衍射光学器件(DOE)。
这是一种表面形貌具有复杂设计结构的光学器件,并身处三维传感器内的核心组件位置,DOE(衍射光学器件)能够将传感器的激光在识别目标上衍射成不同的散斑编码,通过一套特定的算法解码带有编码信息的图片便能够产生带有深度信息的图像。
基于深度图像与事先储存的真实人脸等深度图像进行对比,设备将具备高可靠度地进行身份认证的能力,是金融与支付、风险管理、安全认证等场景中必不可少的一环。
据多份行业研报显示,目前具有先进 DOE 设计与制造的公司较少,全球范围内主要供应商有德国 CDA、法国 Silios、德国 Holoeye 等,特别是在移动端微小型 DOE 器件方面更是稀缺。根据台湾科技媒体中时电子报的分析,国内目前未见具有可用的 DOE 设计与加工能力的公司。
而来自中国的驭光科技不仅填补了这项空白,并且推动了全球在 DOE 研发、设计及量产能力的进一步发展。
拿下国内最大手机厂商的订单


2018 年初,国内知名手机厂商正为新款旗舰机的 3D 深度视觉模组进行方案招标。领域内的顶尖厂商将方案摆上台面,驭光科技迎来了和手机供应链领域两家国际知名上市公司的直面竞争。竞标方案采取器件设计公司与代工厂两两配对的方式,共同提供成型方案,然后逐一进行角逐。
最终,一家公司因技术未能中标遭遇淘汰,而另一家公司在样品、试产和量产爬坡过程中的三次考核均未通过,驭光顺利成为其旗舰型手机 3D 视觉方案中的 DOE 器件的唯一供应商。
2018 年 10 月,该手机厂商的年度旗舰机型发布,采用滑盖全面屏设计,前摄搭载有三颗摄像头,采用 3D 结构光解锁方案。在这套方案中采用的 DOE 微纳元件正是来自驭光科技。
针对目前市面上三类典型的结构光解锁方案,驭光科技创始人兼 CEO 田克汉分析,这三套投射系统都需要 VCSEL 激光发射器和 DOE 衍射器件配合,但在具体器件的组合和配置方面具有明显差异,比如,相比另外两套方案,驭光提供的方案具备三个明显优势:
第一,成本更低,驭光提供的方案因为采用单 DOE 元件方案,成本相对传统方案 I 可节省五美元以上,相比传统方案 II 可节省一个多美元。
第二,体积更小,因为减少了 2-3 个准直透镜,能够有效减少模组高度。
第三,可消除零级和中心亮点,以提高人眼安全。
基于以上三个方面的性能优势,田克汉认为,驭光提供的旗舰机型方案在难度上具备挑战性,同时相比已有的主流方案具备更高性价比。
一个值得注意的细节,该旗舰机型的 3D 深度视觉方案竞标中,最初有能力提供 DOE 器件供应商也不过三家,这与手机市场一般的多套备选方案商情况有所不同。田克汉对此解释,这是非常少见的情况。在衍射光学器件领域,供应商非常有限。而 DOE 本身又是 3D 结构光光视觉方案中的核心器件,衍射图案的发散角大小、发散角、均匀性、光效率等均由 DOE 来决定。
「目前全世界真正能够批量生产只有四家,我们,奇景光电、AMS,以及德国 CDA。」田克汉谈道,「而这其中,能够通过技术创新,成功降低整体系统的成本和组装难度的,目前只有我们一家」。
就芯片而言,制程工艺节点越先进,挑战就会更大。而对于 DOE 器件,它的难度挑战在哪里?为什么即使在全球范围内,供应商数量也十分有限?


田克汉表示,普通的半导体芯片注重平面尺寸,横向尺度一般在几十 nm 的级别;但光学器件对纵向尺度上的准确性要求也很高高,即上图左上角的阶梯状,深度在微米量级。这对半导体工艺提出更高要求,同时在深度和宽度两个不同维度上进行精确控制。
「尺寸当然是越小越难,但批量量产的实力同样不容小觑,我们创新性地采用了标准的半导体光刻工艺,效率非常高,能够保证批量出货。」田克汉介绍道。
比如,德国某公司采用电子束工艺,2mm~3mm 尺寸的 DOE 生产需要以天来计;而驭光团队利用主流半导体光刻工艺生产一个 6 寸、8 寸或者 12 寸的晶圆大概需要几十分钟,而且使用不同的工艺生产出的 DOE,在精度、一致性和稳定性等方面具有较大差异,主流的半导体光刻工艺在这些方面都具有很多优势。
需要说明的是,虽然 DOE 采用了与芯片生产相同的光刻工艺,但在形态上二者并不相同。田克汉形象地将前者表述为「看上去就像是一块毛玻璃」,用硅片上的光刻工艺生产「毛玻璃」还是业界首创。
目前在消费级市场,三维传感器的大规模市场场景有两个,一是游戏主机领域的体感设备,比如微软 XBox 游戏机;第二个就是手机。「在其他领域还没进入到真正的量产阶段,所以它的稀缺性还没有完全体现出来。」田克汉认为。
而在大多数报告中常提到的「工业领域应用」,多指传统常采用的结构投影技术。比如,在激光拼焊焊缝表面质量检测系统中 , 通过投影以获得焊缝结构光条纹中心线和特征点的位置。80-90 年代,大部分工业采用该套方案,一直延续至今。但是由于其投影光亮度不够,图案精细度不够,使用效果受限。而激光方案则具有很多优势,现在正在逐步取代旧有方案。
田克汉认为,目前只有在消费电子领域,才正式对微纳器件体积和成本等方面提出了严格和明确的要求。
他谈道,团队开创的是一个更通用的光学精密加工技术,不局限于三维传感。当然三维传感是一个突破性的应用。「我一直坚信光学器件的趋势是越来越小,越来越集成,这也是光学精密仪器公司未来的方向。」
根据法国市场研究与战略咨询公司 Yole 报告,预计 2022 年全球 3D 视觉市场规模将达到 90 亿美元,从 2017 年到 2022 年的复合年均增速将达到 38.05%,增长的动力主要来自于消费级市场的放量,预计 2022 年消费级 3D 视觉市场规模将达到 60 亿美元。
海通证券给出了手机市场更细分的数据,2020 年全球智能手机端 3D 视觉硬件市场规模将到达 99.25 亿美元,其中苹果手机为 31.48 亿美元,安卓手机为 67.77 亿美元;前置结构光 3D 视觉市场规模为 66.78 亿美元,后置时间光 3D 视觉市场规模为 32.47 亿美元。
Yole 预计,全球 3D 成像和传感市场将从 2017 年的 21 亿美元增长至 2023 年的 185 亿美元,复合年增长率高达 44%。由于消费类市场的带动(复合年增长率为 82%),汽车电子(复合年增长率为 35%)、工业和商业应用(复合年增长率为 12%)和其它高端市场也将进入快速增长通道。
尽管上述市场分析机构针对 3D 视觉市场均给予了乐观期望值,但从 2018 年全球智能手机市场的整体表现而言,3D 视觉方案的普及率仍然不如上半年的万众期待,在华为、小米、ov 等厂商给出旗舰款的示范设计之后,其他机型的追随和跟进的步伐有所迟疑。
但田克汉仍然表示,目前落地节奏放缓很大程度还在于供应链与器件市场不够成熟,导致成本过高、供货不够稳定等原因导致。而三维技术的发展方向毋庸置疑。
此外,田克汉表示,长久来看,驭光将不只局限在做三维传感领域,公司的发展包括两个维度。在横向维度上,驭光将会为多种应用设计和制造精密光学器件。在纵向维度上,还会向模组、算法、传感系统拓展。
田克汉表示,三维传感系统的市场和衍射光学器件的市场有一定重合,全年智能手机出货量在数十亿规模,手机市场的规模在数十亿美元,足够成就一家公司。
目前,驭光是中国唯一一家拥有完整 in-house 的三维传感系统设计与制造能力的供应商,同时是国际上用半导体芯片工艺加工加工精密光学器件的少有厂商之一,其技术水平也处于国际领先水平。
角色进化


在基础工艺之上,还需要明确的场景来推动应用,田克汉团队认为,三维传感里面的衍射光学器件就是第一步应用;结合团队自有算法,能够建立一套完整的三维传感系统。
在手机市场,驭光为模组厂提供核心器件;在智能门锁、安防监控、在车载(导航)、自动驾驶,工业自动化检测等领域,驭光将提供整套的三维传感模组和系统。
1、智能门锁的蓝海市场
以智能门锁为例,据公开数据显示,2017 年家庭端销量 600 万套,公寓端 200 万套,行业总产值超过 100 亿元,在 2016 年的基础上实现了翻倍,增长迅猛。根据测算,到 2022 年,我国智能门锁的年销量将超过 4600 万把,达到 4604 万把;总市场规模将超过 400 亿人民币,达到 437 亿元。
在巨大的市场规模和高速增长的背景下,田克汉认准智能门锁市场还有一层更深刻的判断——它和手机产业链的协同效应。
事实上,智能门锁从密码锁升级到目前的指纹锁的根本原因就在于手机产业链的发展——因为手机指纹模组的普及,降低了模组成本,丰富了模组厂商资源,因而能够将手机上的指纹模组搬到了门锁上。比如汇顶科技,就是在智能门锁市场升级中收获红利的手机供应链厂商之一。而在此之前,很多尝试指纹门锁方案的厂商由于成本、供应链不够成熟而止步。
此外,将手机作为先验市场的意义还不局限于出货,更为重要的在于迅速积累供应链市场经验和快速迭代工艺程序。「因为手机几乎是所有消费产品中难度最高、技术含量最高的市场,所以为手机供货就成为了器件厂商和方案厂商的试金石。」田克汉谈道,「如果能做手机,那其他市场肯定没问题。」手机的成熟低成本指纹方案在过去三年迅速扩展到智能门锁,类似的颠覆性扩展有望重演,智能门锁厂商积极向驭光寻求三维人脸识别门锁的解决方案,将高端手机上安全便捷的三维人脸识别体验迁移到门锁上,在激烈的竞争中获得差异化优势。
谈到智能门锁市场的实际需求,田克汉表示,目前市场格局整体还比较分散,中国的锁厂上千家,但最大的锁厂也不过占 2%-3%。我们主要向重点厂商出售整个三维传感 / 识别模块,甚至包括后续数据的分析,建立标杆方案后再推而广之。
目前驭光科技已经和小米以及联想生态链的多家厂商达成合作,同时针对投射模组进行小批量出货,给到目标厂商进行试用和评测。「我个人判断,今年第三、四季度将会有搭载驭光模组的智能门锁产品出货。」田克汉谈道。
2、泛安防市场大有可为
安防行业龙头企业也在探索三维传感新产品。前段时间,在我国江浙某地区,信号灯人脸识别系统将董明珠广告牌误认为本人事件引起了业界广泛讨论:如果采用双目视觉或者采集到深度信息,就能避免这种情况;但不少人也认为,如果要在马路用量这么大的场景下推广,投入成本会过高。手机行业三维传感的大规模应用,将解决方案的成本进一步降低,也让三维传感在其它行业的普及应用创造了条件。
田克汉表示,通过和行业客户交流反馈来看,安防领域的成本并不是首要考虑。目前,用于城市级的天网摄像头价格均在千元至万元量级,其中不仅包括了摄像头器件本身的价格,更多溢价还分摊在计算芯片、传输、分析等部分;在这个基础之上,增加一个三维深度传感投射模组并不会抬升过多成本,却能将数据质量和智能方案提升一个维度。


对于可观的泛安防市场,驭光科技尝试先从新零售的支付场景切入,提供金融级的三维传感模组和系统两套方案。目前,驭光正在与银行、互联网金融等厂商跟进方案。在更狭义的公共安全场景中,驭光则选择与安防巨头厂商探讨更长远的落地计划。
田克汉表示,短期内,手机市场是重中之重,但该领域以提供器件方案为主。在模组方案层面,第一步是打开智能门锁市场,工业领域的物流和勘测;第二步的中期目标包括安防监控;第三步长期来看即自动驾驶。
模组和系统的很多部分在不同场景里都是通用的,但其中的核心 DOE 需要根据使用场景和深度图算法去配合调整,其核心难点在于 DOE 的设计和量产。田克汉提到,驭光已经完成了核心难点的攻关,定制化的解决方案是我们的强大优势。因此谈到与其他方案厂商的竞合关系时,「更偏向上下游合作」,和客户一起针对应用场景定制高效的创新解决方案。


通过深入分析从微纳器件到投射模组、深度算法、视觉系统等不同环节的技术、量产和定制化难度,田克汉认为,如果将整个系统比作一座桥梁,那么微纳器件和深度算法构成了它的两个桥墩,而这同时也是驭光科技的两大核心优势。
中年「清华帮」
驭光的早期骨干团队均来自清华,整合了来自光学和半导体行业两个领域的人才,「我花了很大精力组建这个团队,大家基本都是原来的师兄弟。」田克汉谈道。
清华毕业后,他们先后进入到全球领先的科技公司,包括 IBM、3M、飞利浦、台联电、三星电子、佛吉亚等,均在业内有平均十余年的研发及高级管理经验。团队架构上,驭光针对光学、系统、工艺三部分均设置了相应的研发和产品负责人,各司其职、有效协同。
田克汉介绍,驭光工程总监张国伟博士、工艺研发总监蒋超出身芯片行业,在意法半导体、新加坡联华电子等芯片公司从业近二十年;光学研发总监杨兴朋博士、系统产品总监苑京立、研发总监朱庆峰则在飞利浦、三星、斯伦贝谢等高科技创新企业沉淀了十余年研发和管理经验。目前,驭光已经建立起近百人的研发工程师团队,发明专利二十余项。
「我们是既有光学精密加工系统和算法、又有生产能力,还能实现行业解决方案的落地,团队很全面。」田克汉谈道,「这是个很大的事业,我希望借助这个平台和师兄弟们做出不一样的事。」


驭光创始人兼 CEO 田克汉
田克汉拥有清华大学精密仪器系学士学位、美国麻省理工学院博士学位。曾在美国 IBM 公司 T. J. Watson 研究中心和半导体研发中心担任资深科学家 / 研究员(教授级),从事全球领先的先进半导体,先进光刻,先进微纳衍射光学领域的研究。在 2010 和 2012 年两度获得 IBM 最高研究成就奖,2014 年获得 IBM 发明大师(Master Inventor)称号(IBM 最高发明奖)。
「做光学的人通常不懂半导体,做半导体工艺的人也通常不涉及光学。我在清华和 MIT 所学的都是光学,并不做精密加工,在 IBM 工作做芯片制造,做光刻。所以我既了解到传统精密加工技术的缺陷,也明白其中的机遇。」田克汉认为,利用半导体工艺进行光学的精密加工属于交叉学科,需要多学科知识的融合。
在制造资源方面,驭光和多家国内一流的芯片代工厂合作,利用其芯片厂设备来加工器件。「与其说他们是我们的代工厂,不如说,他们更像是我们的设备租赁商。」田克汉谈道,这并不是说半导体工艺拿过来,就能直接加工光学芯片,因为这里面还有很多工艺都需要我们自己开发,专门针对光学精密加工的工艺都是我们自有的。


目前,驭光已经建立起一套独立的知识产权的设计软件,包含优化算法,EDA 软件、矢量计算、模组仿真等内容。完整的微纳衍射光学器件生产线已经投入量产,包括两千平米千级超净间 ( 局部百级 ) ,一千平米万级超净间,以及自主开发的业内领先的微纳衍射光学器件检测设备。
此外,驭光还提出了业内一套示范性的光学器件的检测方案。「因为这是个非常新的领域,市面上并没有成熟的检测供应商,我们曾试图找到一家台湾的供应商,但是对比我们自有方案,反而是我们的更好。」
针对 DOE 器件的检测内容包括光学(性能)检测、表面检测、电学检测,其中光学(性能)检测最为关键,检测光效果,包括均匀性、光效率、图案准确度。目前的检测标准由手机厂商确定最终的光效果,然后器件厂商从算法反推,检测如何与他们的算法去匹配。驭光也针对自主设计生产的面向不同行业应用的多款投射模组,设计了专用检测设备,用以可靠保障量产产能和效率。
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