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3D传感的核心器件:一文看懂生物识别滤光片产业链

作为目前主流的3D视觉技术,TOF和结构光虽然原理不同,但其所需要的核心部件基本相同,生物识别滤光片(也被称之为“窄带滤光片”)则是其中的一个重要组成部分。另外,对于双目红外立体成…

作为目前主流的3D视觉技术,TOF和结构光虽然原理不同,但其所需要的核心部件基本相同,生物识别滤光片(也被称之为“窄带滤光片”)则是其中的一个重要组成部分。另外,对于双目红外立体成像技术,以及虹膜识别、静脉识别等生物识别技术来说,生物识别滤光片也同样是必不可少的关键部件。

生物识别滤光片属于精密光电薄膜元器件之一,其主要原理是通过特殊的光学设计实现特定波段光源的高透射或高反射效果,帮助终端产品完成生物信息的提取、筛选和转化以及3D景深信息的获取。

中国生物识别滤光片市场规模(以销售额计)从2015年的7.1亿元增长到2019年的16.8亿元,复合增长率达到34.1%。中国生物识别滤光片在下游终端采购量不断增加等因素驱动下,预计中国生物识别滤光片行业未来五年市场规模(以销售额计)将保持19.8%的年复合增长率增长,到2024年将达到41.3亿元。

一、生物识别滤光片定义

电子设备为获取物体的位置和景深信息,需要以特定波长的红外光作为传感的媒介,因此需要去除太阳光中含有的干扰频段的红外线,保留地表太阳光中较为薄弱的特定频段红外光(例如940nm)。生物识别滤光片的使用可允许上述特定频段的红外光通过,因此也称为窄带滤光片。

生物识别滤光片属于精密光电薄膜元器件之一,其主要原理是通过特殊的光学设计实现特定波段光源的高透射或高反射效果,帮助终端产品完成生物信息的提取、筛选和转化以及3D景深信息的获取。

二、生物识别滤光片作用

与生物识别滤光片不同点在于,红外截止滤光片是利用精密光学镀膜技术在白玻璃、蓝玻璃或树脂片等光学基片上交替镀上高低折射率的光学膜,红外截止滤光片可实现可见光区(400-630nm)高透,近红外光区(700-1,100nm)截止的光学滤光片,并通过实现近红外光区截止以消除红外光对成像的影响。

而生物识别滤光片与红外截止滤光片的透过频段相反,仅允许通过特定频段红外光(例如940nm),并通过特殊的光学设计实现特定波段光源的高透射或高反射效果,生物识别滤片可允许智能手机、AR/VR设备等能够获取特定频段红外光所携带的3D景深信息,并帮助电子产品完成生物信息的提取、筛选和转化以及3D景深信息的获取,以实现3D人脸识别、虹膜识别、手势识别等生物识别功能。

三、生物识别滤光片分类及参数

生物识别滤光片是从窄带滤光片中细分出来的,其定义与窄带滤光片相同。因此,生物识别滤光片在特定的波段允许光信号通过,而偏离这个波段以外的两侧光信号被阻止,生物识别滤光片的通带相对来说比较窄,一般为中心波长值的5%以下。滤光片产品主要按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等方式分类。

光谱波段:紫外滤光片、可见滤光片、红外滤光片、生物识别滤光片;

光谱特性:带通滤光片、截止滤光片、分光滤光片、中性密度滤光片;

膜层材料:软膜滤光片、硬膜滤光片;

带通型:选定波段的光通过,波段外的光截止。其光学指标主要是中心波长(CWL),半带宽(FWHM)。

短波通型:短于选定波长的光通过,长于该波长的光截止。比如红外截止滤光片,IBG-650。

长波通型:长于选定波长的光通过,短于该波长的光截止,比如红外透过滤光片,IPG-800。

生物识别滤光片主要相关参数有:中心波长、半高宽(带宽)、峰值透过率、截止范围、截止深度(OD值)等。

中心波长:生物识别滤光片的中心波长类似于仪器或设备的工作波长,中心波长是指通带中心位置的波长;

半高宽(带宽):带宽是指通带中透过率为峰值透过率的一半的两个位置之间的距离,有时也叫半高宽;

峰值透过率:生物识别滤光片在通带中最高的透过率大小;

截止范围:截止范围是指除了通带以外,要求截止的波长范围。对于生物识别滤光片而言,有一段是短截止,另一段截止波长高于中心波长的一段;

截止深度(OD值):截止深度指截止带中允许能透过光的最大透过率大小。对不同的应用系统对截止深度要求不同;

用途:3D人脸识别、虹膜识别、手势识别、机器视觉、生化分析、光学仪器、光谱测量等领域。

特点:单片式不采用胶合、使用寿命长、波长定位精确、离子蒸镀,温度漂移小、透过率高,截止深度高。

四、生物识别滤光片原理分析

生物特征识别技术主要通过对生物特征进行采样,并将提取的生理特征转换为数字编码,进一步将这些编码组合成数码信息。智能产品常用的生物识别的特征包括手形、指纹、脸形、虹膜、视网膜、脉搏、耳廓等,行为特征包括签名、声音、按钮强度等。因此,生物特征识别技术与传统的认证技术相比具有很大的优势。

基于上述身体特征,下游厂商目前已研发出多种生物特征识别技术,例如手部识别、指纹识别、人脸识别、语音识别、虹膜识别、签名识别等。生物特征识别技术可广泛应用于政府、军队、银行、社会福利机构、电子商务、安全和国防等领域。

为获取物体的位置和景深信息,需要以波长较长的红外光作为传感的媒介,但由于太阳光中含有大量红外光,会产生较大干扰,因此需要使用地表太阳光中较为薄弱的特定频段红外光(如940nm),生物识别滤光片的运用可允许上述特定频段的红外光通过。随着生物识别滤光片的大规模运用,高端智能手机启用虹膜识别、3D人脸识别、手势识别等生物识别功能,导致智能手机对前置近红外传感器的需求明显增加。

五、生物识别滤光片设计流程

生物识别滤光片是精密平面光学冷加工技术和精密光学镀膜技术在光电成像领域的重要应用。根据产品属性,IRCF的制造流程主要包划片、研磨、抛光、清洗、镀膜、胶合几个过程。

具体如下:

划片:将采购来的大片光学玻璃划切成符合镀膜要求的规格尺寸。国产化进程100%;

研磨、抛光:即对光学玻璃厚度及表面质量的加工。当玻璃的厚度大于产品厚度时需要研磨后再抛光;若玻璃仅表面质量达不到要求时,可直接进行抛光。国产化进程80% ;

超声清洗:用超声波清洗机对镀膜前及自动划片后的晶片进行超声波清洗。国产化进程30% ;

镀膜:在真空镀膜机中,采用蒸镀方式在晶片表面镀上多层红外截止膜系再对膜层的透过率曲线检测。国产化进程80% ;

自动划片:利用自动划片机将镀膜好的晶片划成符合产品规格要求的尺寸,并在内圆切割机上将晶片加工成符合规格要求的圆片。国产化进程100% ;

精选包装:清洗后的晶片经人工精选后包装入库。国产化进程100% 。

六、生物识别滤光片技术分析

生物识别滤光片制造的关键产品技术包括膜系设计技术、精密平面光学冷加工技术、光学级超声波清洗技术、精密光学镀膜技术、半导体级切割技术、表面质量控制技术,其中精密平面光学冷加工技术和精密光学镀膜技术是核心技术。

精密平面冷加工技术精密平面冷加工技术作为研究光学零件制造过程与工艺原理,且实践性很强的应用技术,其包括最基本的制造光学零件的研磨、抛光工艺以及在光学加工过程中所采用的各种辅助工艺和光学辅料的制备工艺等。目前,该项技术已衍生出与原来工艺概念完全不相同的工艺技术,例如变折射串光学零件、聚合物光学零件、衍射光学元件的制造以及光学零件的精密超声波清洗等。综上所述,精密平面冷加工技术是一门涉及不同加工机理、材料学、控制学和测量学等方面的学科和技术。 

精密光学镀膜技术精密光学镀膜技术是以薄膜光学为理论基础的、以光学镀膜工艺为核心的一项实践性较强的学科和技术。研究的对象是薄膜对光的反射、透射、吸收、位相特性、偏振效应等,属于现代光学不可缺少的组成部分。没有光学薄膜配合,光学装置将无法发挥效能。此外,光学薄膜的制备过程与真空技术、表面物理、材料科学、等离子体技术等密切相关。目前该行业基本采用热蒸发镀膜技术,其优点是工艺简单稳定,缺点是易出现膜层不够致密,导致膜层容易吸潮,进而使光谱曲线产生不利的变化,从而引起成像色彩的变化。要进一步提高成像品质和稳定性,未来该细分领域技术的发展趋势是采用离子源辅助镀膜技术,用以提高光谱曲线的温度稳定性。

半导体精密切割技术:利用先进的自动化半导体精密切割设备,根据不同产品及不同材质,进一步简化流程、提高切割精度和效率,形成生物识别滤光片行业中独有的精密切割工艺,具有整体效率高、质量优良、成本低等特点,主要特点:晶片的切割精度可达到+/-0.01mm以内;晶片最小切断尺寸可达到1.0×1.0mm;晶片四周边缘缺口可控制在0.03mm以内。

精密改圆技术:在石英晶片冷加工技术的基础上,将已有的晶片改圆技术用在平面光学镜片的改圆加工方面,通过对磨削工艺的研究,在生物识别滤光片大规模生产当中发挥出了这种加工技术的优势,具有加工成本低、效率高、合格率高、精度高等优势,主要特点:晶片的改圆精度可达到+/-0.01 mm以内;晶片最小改圆尺寸可达到φ1.5mm;晶片四周边缘缺口可控制在0.05mm以内。

精密光学胶合技术该技术用于胶合玻璃的周边,通过压电陶瓷驱动器的驱动电压的控制,调整玻璃表面的高度差,以实现被胶合玻璃与胶合玻璃之间胶合厚度的精度控制,主要特点:具有超薄大面积晶片的多层胶合技术;生物识别滤光片组合角度的偏差可做到+/-30以内;胶层内部质量可靠性可满足1,000 小时以上的型式试验。

洁净技术:光学元器件产品的合格率很大程度上依赖于洁净的环境和清洗技术水平。生物识别滤片均需要在净房中完成,为保证产品的质量,必须不断提高洁净技术。目前光学超声波清洗技术用于保证产品在运输过程中的防尘问题。清洁技术着重解决和突破了以下工艺难题,主要特点:生物识别滤光片的精密清洗;高表面质量,清洗合格率99%以上;不同材质玻璃的清洗。

七、生物识别滤光片应用领域

生物识别滤光片具有高精度、高稳定性、更耐用等特点,其主要用于实现智能手机、平板电脑、可穿戴设备、自动驾驶上的虹膜识别、3D人脸识别、手势识别功、手势识别、3D建模等一系列体感交互功能。

体感交互是通过投射特定的信息到物体表面后,由摄像头采集反射的光信号,根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息,进而复原整个三维空间。

基于生物识别滤光片为核心硬件的体感交互越来越多地出现在各种消费类电子产品上,包括智能手机、家用游戏机、AR/VR、物联网、机器人等。

2016年,三星、苹果公司首次推出搭载虹膜识别、3D人脸识别功能的旗舰手机,确立了虹膜识别技术和3D人脸识别技术在智能手机中的应用方向。华为、OPPO、VIVO和小米等国产智能手机厂商纷纷布局3D人脸识别领域。

随着高端智能手机启用虹膜识别、3D人脸识别、手势识别等生物识别功能,智能手机对前置近红外传感器的需求明显增加,而上述功能的实现未来将愈加依赖于生物识别滤光片。因此,未来基于生物识别滤光片为主的新型体感交互方式是消费类电子产品发展的必然趋势。

例如,2017年,苹果公司发布iPhone X,采用“3D结构光”实现人脸识别,“3D结构光”是通过投射特定的光信息到物体表面后,由摄像头采集反射的光信号,根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息进而复原整个三维空间。由此可见,未来智能手机的大规模运用将会保证以生物识别技术为核心的生物识别滤片已成为必然发展趋势。

八、产业链构成及格局

生物识别滤光片行业所处细分行业价值链中,上游主体为原材料生产厂商,主要原材料包括D263T光学玻璃、蓝玻璃、光学水晶和SiO2、TiO2等。

生物识别滤光片行业中游参与者为生物识别滤光片提供商和镜头模组厂商,生物识别滤光片提供商采用上游原、辅材料生产生物识别滤光片等光学光电子元器件产品,供应给镜头模组厂商,镜头模组厂商采用生物识别滤光片提供商生产的生物识别滤光片制造各类镜头模组,最终提供给下游终端客户。

生物识别滤光片行业下游主体为各类终端产品生产厂商,中游的生物识别滤光片最终提供给下游生产消费类电子等终端产品。生物识别滤光片和智能手机、平板、数码相机等下游产品的镜头组是一对一的匹配关系,未来生物识别滤光片的发展前景和市场容量同这些下游产品的发展趋势密切相关。

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作者: ruivi

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