程慧云,李燕蘭,仲崇慧

(1.中國電子科技集團(tuán)有限公司第十一研究所,北京 100015；2.中國電子科技集團(tuán)有限公司,北京 100846)

1 引 言

本文所述光學(xué)元器件,主要指由光學(xué)玻璃、光學(xué)塑料、光學(xué)晶體等材料加工而成的各種球面、非球面、平面、異形的透鏡、棱鏡、反射鏡、濾光片、光柵等起反射、折射、分光、濾光、成像、傳輸?shù)茸饔玫墓鈱W(xué)元件(或稱光學(xué)零件),隨著近十年通信、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展,光學(xué)元器件的應(yīng)用領(lǐng)域逐步從十年前的照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、投影等領(lǐng)域擴(kuò)展到智能移動電話、機(jī)器視覺、汽車、安防、視訊會議、運動攝影攝像、VR/AR等新興領(lǐng)域,光學(xué)元器件逐步由幕后走向前臺,光學(xué)元器件的質(zhì)量直接決定上述各類應(yīng)用中光學(xué)成像的質(zhì)量,重要地位日益凸顯。

1953年,在光學(xué)泰斗、兩院院士王大珩以及龔祖同院士等新中國第一代光學(xué)工作者的不懈努力下,新中國第一鍋K8光學(xué)玻璃在中科院儀器館(現(xiàn)長春光機(jī)所)研制成功,中國的光學(xué)冷加工行業(yè)從此邁上了自強(qiáng)不息的發(fā)展之路,隨著中國改革開放和市場經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,中國的光學(xué)元器件逐步從發(fā)展初期的服務(wù)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、測距儀等國防儀器,發(fā)展到如今,中國已經(jīng)成為全球最大的光學(xué)玻璃以及光學(xué)鏡片鏡頭生產(chǎn)地和應(yīng)用地,向中國乃至全球的消費電子、安防、汽車、醫(yī)療、天文、通信、工業(yè)檢測、航空航天等領(lǐng)域源源不斷的提供質(zhì)美價廉的光學(xué)元器件。

2 光學(xué)元器件加工制造技術(shù)的進(jìn)步

建國初期,光學(xué)元器件的制造主要依靠傳統(tǒng)的光學(xué)冷加工,加工工藝主要依靠蘇聯(lián)引進(jìn)的工藝及設(shè)備,自動化程度低,技術(shù)落后且效率低下。在六十年代初期,國內(nèi)引進(jìn)了一批德國光學(xué)加工設(shè)備,通過對德國設(shè)備的研究和探索,國產(chǎn)光學(xué)加工設(shè)備及工藝得到了一定程度的改進(jìn),加工效率也得到提高。七十年代,國內(nèi)已經(jīng)可以生產(chǎn)非球面透鏡、物鏡、薄透鏡以及平面光柵、多層激光高反射膜、濾光片等[1]。到八十年代中期,國內(nèi)光學(xué)加工設(shè)備的機(jī)械化和自動化程度有了明顯的提升,基本實現(xiàn)了玻璃毛坯型料化、粗磨機(jī)械化、精磨高速化、定心磨邊自動化,國內(nèi)市場上開始出現(xiàn)了軍轉(zhuǎn)民的光學(xué)工廠。

改革開放以來,隨著光學(xué)技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的應(yīng)用不斷深入,光學(xué)元器件的應(yīng)用逐步由軍用光學(xué)系統(tǒng)向工業(yè)、消費電子、醫(yī)療等領(lǐng)域拓展,研究和利用的光波段也逐步由可見光向紫外、紅外拓展,不斷拓展的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)元器件的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、尺寸、加工精度、成像質(zhì)量等方面的要求不斷提高,傳統(tǒng)的光學(xué)冷加工已經(jīng)不能滿足要求,于是新的光學(xué)加工技術(shù)及工藝應(yīng)運而生,光學(xué)元器件的制造由傳統(tǒng)光學(xué)研磨拋光逐步進(jìn)入超精密加工時代。目前行業(yè)內(nèi)廣泛使用的光學(xué)元器件超精密加工技術(shù)主要有:數(shù)控單點金剛石加工技術(shù)、數(shù)控研磨拋光技術(shù)、光學(xué)透鏡模壓成型技術(shù)、光學(xué)塑料成型技術(shù)、計算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)(CCOS),磁流變(MRF)拋光技術(shù)、離子束拋光(IBF)技術(shù)等,這些超精密加工技術(shù)極大提高了光學(xué)元器件的生產(chǎn)效率和光學(xué)性能。

超精密加工技術(shù)的核心是加工設(shè)備,由于這些新型超精密加工技術(shù)都起源于歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū),因此國內(nèi)的相關(guān)設(shè)備、工藝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)還處于學(xué)習(xí)和探索時期。

數(shù)控單點金剛石車削技術(shù)是一種綜合性的技術(shù),可加工不同尺寸、不同精度的平面、球面、非球面光學(xué)元件,應(yīng)用前景廣闊。該技術(shù)具有加工精度高、重復(fù)性好、適合批量生產(chǎn)、加工成本低等優(yōu)點。該技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備為金剛石車床,主要生產(chǎn)廠家是美國的莫爾精密機(jī)床公司和普奈莫精密公司以及日本東芝機(jī)械公司等。

光學(xué)透鏡模壓成型技術(shù)是一項革命性的高精度光學(xué)元件加工技術(shù),涉及的關(guān)鍵技術(shù)有原材料的選擇、成型方法、模具材料與模具制造等。美國的柯達(dá)、康寧公司,日本的大原、保谷、歐林巴斯、松下公司,德國的蔡司公司和荷蘭的菲利浦公司等是該項技術(shù)的領(lǐng)先者。

光學(xué)塑料成型技術(shù)是使用光學(xué)塑料來制造塑料非球面光學(xué)零件的先進(jìn)技術(shù),主要分為注射成型、鑄造成型和壓制成型等方法。隨著塑料光學(xué)元件在智能手機(jī)、智能安防、AR、VR等新興領(lǐng)域的應(yīng)用,該項技術(shù)越來越受到重視,國內(nèi)的舜宇光學(xué)、聯(lián)創(chuàng)電子、瑞聲科技等企業(yè)已經(jīng)掌握相關(guān)技術(shù)并規(guī)模生產(chǎn),但該技術(shù)涉及的光學(xué)塑料制備、成型設(shè)備制造等關(guān)鍵環(huán)節(jié),技術(shù)主動權(quán)還把握在日本、德國的企業(yè)手中。

隨著下游IT、消費電子、半導(dǎo)體、天文、遙感、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展,通過光學(xué)透鏡來調(diào)節(jié)和控制光束的傳統(tǒng)光學(xué)理念遇到了物理規(guī)則限制的瓶頸,傳統(tǒng)光學(xué)已經(jīng)無法滿足下游應(yīng)用對光學(xué)元件集成化、小型化等方面的要求,需要科研人員從不同的角度和緯度來研究出一種更好的控制光束的方法。在光學(xué)學(xué)術(shù)界和科研界不懈的努力下,通過在光學(xué)材料中引入微納光學(xué)結(jié)構(gòu)來制作新型光學(xué)元件的技術(shù)應(yīng)用而生,微納光學(xué)元件可對入射光的振幅、相位、偏振等參數(shù)實現(xiàn)較為靈活的調(diào)控,正好補(bǔ)充了傳統(tǒng)光學(xué)元件在這些方面的不足,極大的豐富了光學(xué)元件的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著電鑄技術(shù)(LIGA)、電子束加工技術(shù)等納米級加工技術(shù)的發(fā)展,微納光學(xué)元件的微結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)從微米發(fā)展至納米量級,衍生出光學(xué)超晶格、量子阱、超透鏡(metalens)等技術(shù),尤以2016年被Science評為年度最佳發(fā)現(xiàn)之一的超透鏡技術(shù),在未來的便攜式消費電子、ARVR等領(lǐng)域前景最為廣闊。

光學(xué)元器件行業(yè)相應(yīng)的形成了一大一小兩個熱點領(lǐng)域,供應(yīng)智能手機(jī)、照相攝像、投影、光通訊等領(lǐng)域的光學(xué)元器件逐步小型化,形成了以手機(jī)鏡頭以及衍射光學(xué)元件(Diffractive Optical Element,簡稱DOE)為代表的、產(chǎn)業(yè)規(guī)模很大的微光學(xué)產(chǎn)業(yè)；而航空航天、遙感、天文等領(lǐng)域要求高質(zhì)量的大尺寸、大平面、大鏡面的光學(xué)元器件[2],形成大型玻璃平面、大透鏡和大型非球面鏡為代表的大尺寸光學(xué)產(chǎn)業(yè)。

3 中國光學(xué)元器件行業(yè)規(guī)模

隨著新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展,智能化和數(shù)字化成為不可逆轉(zhuǎn)的潮流,視頻及圖像等成像信息將成為未來最重要的數(shù)據(jù)來源。由光學(xué)材料加工而成的各種球面、非球面、平面、異形的透鏡、棱鏡、反射鏡、濾光片、光柵等起反射、成像、分光、濾光、傳輸?shù)茸饔玫墓鈱W(xué)元件(或稱光學(xué)零件) 是實現(xiàn)成像和傳像的基礎(chǔ)；光學(xué)鏡頭及模組則是成像和傳像的核心,是各下游應(yīng)用領(lǐng)域的“眼睛”,重要地位日益凸顯。

在這樣的發(fā)展趨勢下,中國的光學(xué)元件市場近十年取得蓬勃發(fā)展,市場規(guī)模擴(kuò)大了10倍以上,詳見圖1。據(jù)中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會的不完全統(tǒng)計,2020年度中國境內(nèi)的光學(xué)市場規(guī)模達(dá)到1600億元人民幣,其中上游光學(xué)材料市場規(guī)模30億元左右,中游光學(xué)元器件市場規(guī)模1400億元,同比增長8%。下游光學(xué)儀器市場規(guī)模為170億元。對比十年前,中國的光學(xué)市場規(guī)模不足百億,十年內(nèi)中國的光學(xué)市場規(guī)模擴(kuò)大了近30倍,主要得益于以智能手機(jī)為主的消費電子爆發(fā)式增長、照相機(jī)、投影儀、安防監(jiān)控設(shè)備等的快速普及,以及車載鏡頭、機(jī)器視覺等應(yīng)用的持續(xù)拓展。

圖1 2011-2020年中國光學(xué)元器件行業(yè)市場規(guī)模增長示意圖Fig.1 Schematic diagram of China optics market′s scale growth in 2011-2020

從光學(xué)元器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域來看,近十年也發(fā)生了深刻的變化。在智能手機(jī)普及之前,中國的光學(xué)企業(yè)主要為日本、歐美等地的各類便攜式、專業(yè)級照相機(jī)和投影儀器供應(yīng)光學(xué)鏡片鏡頭,同時光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)顯微鏡、天文儀器等也是比較重要的下游市場。其時中國不足百億元人民幣的市場規(guī)模中,照相投影方向的市場規(guī)模超過60 %。

十年內(nèi),光學(xué)元器件的下游應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生了較大的改變,隨著智能手機(jī)的爆發(fā)式發(fā)展和普及,智能手機(jī)用光學(xué)元件及鏡頭市場逐步成為整個光學(xué)領(lǐng)域技術(shù)革新最快、商業(yè)規(guī)模最大的領(lǐng)域,智能手機(jī)的快速普及不斷擠壓照相機(jī)的市場空間,據(jù)日本相機(jī)映像機(jī)器工業(yè)會(CIPA)發(fā)布數(shù)據(jù),2020年全球數(shù)碼相機(jī)出貨量為888萬臺,比2019年減少42 %。全球相機(jī)的銷量已經(jīng)連續(xù)下滑近12年。到2020年,智能手機(jī)用光學(xué)元件及鏡頭占據(jù)整個光學(xué)市場份額超過70 %,其次為安防監(jiān)控鏡頭、車載鏡頭、機(jī)器視覺鏡頭等領(lǐng)域。

4 光學(xué)元器件在不同應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展概況

在智能手機(jī)、安防監(jiān)控等應(yīng)用領(lǐng)域旺盛的需求帶動下,中國的光學(xué)元器件近十年發(fā)展迅速。技術(shù)水平不斷突破,國內(nèi)光學(xué)企事業(yè)逐步掌握了多種光學(xué)元器件的原材料制備、光學(xué)設(shè)計、加工以及鍍膜等關(guān)鍵技術(shù),已經(jīng)可以大批量向全球供應(yīng)高品質(zhì)的光學(xué)鏡片、鏡頭及模組,國產(chǎn)照相機(jī)、智能手機(jī)、投影儀等用光學(xué)元件的產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

市場規(guī)模方面,按照中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會不完全統(tǒng)計,2020年度中國境內(nèi)智能手機(jī)用光學(xué)元件及鏡頭模組的產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到1100億元人民幣,占中游光學(xué)元器件市場規(guī)模的80%以上；2020年度安防監(jiān)控用元件及鏡頭產(chǎn)銷量保持小幅增長,對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到60億元；智能化、電氣化逐步成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的共識,車載鏡頭逐漸成為汽車智能化過程中使用最多的傳感器之一,2020年國內(nèi)車載鏡頭產(chǎn)銷量繼續(xù)保持增長態(tài)勢,對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模約為40億元；其余領(lǐng)域如照相、投影、醫(yī)療、通信、機(jī)器視覺、天文、航天等領(lǐng)域的需求總體保持穩(wěn)定,對應(yīng)的光學(xué)元器件產(chǎn)業(yè)規(guī)模約為100億元。光學(xué)元件在主要下游應(yīng)用領(lǐng)域的市場規(guī)模如圖2所示。

圖2 光學(xué)元器件在不同應(yīng)用領(lǐng)域的規(guī)模示意圖Fig.2 Schematic diagram of China optics′ different application fields

以2020年度中國境內(nèi)的光學(xué)元器件部分上市光學(xué)企事業(yè)單位的營收情況為例,可以看到光學(xué)元器件市場的馬太效應(yīng)在近十年顯著增強(qiáng),見表1。從數(shù)據(jù)可以看出,舜宇光學(xué)、歐菲光等營收靠前的企業(yè)搭上了近十年智能手機(jī)市場快速發(fā)展的快車,企業(yè)的營業(yè)收入在十年內(nèi)增長10倍以上,同時也造成了手機(jī)鏡頭及模組領(lǐng)域幾大龍頭企業(yè)割據(jù)的局面；宇瞳光學(xué)、福光股份等以安防鏡頭為主業(yè)的企業(yè)其營業(yè)收入在近十年內(nèi)也大幅增長,這幾家企業(yè)也占據(jù)了安防鏡頭的龍頭地位,只是安防鏡頭整體規(guī)模較手機(jī)鏡頭及模組的規(guī)模小很多。多重因素影響下2020年手機(jī)鏡頭企業(yè)營業(yè)收入漲跌不一,顯示行業(yè)內(nèi)競爭加??；而以中光學(xué)、藍(lán)特光學(xué)、騰景科技等為代表的投影、光通信、激光用元件類企業(yè)獲得30%的增長；以宇瞳光學(xué)、鳳凰光學(xué)等為代表的安防監(jiān)控用元件類企業(yè)也獲得不錯的業(yè)績增長。

表1 2020年度國內(nèi)上市光學(xué)企業(yè)營收表現(xiàn)Tab.1 The Performance of China listed optical companies in 2020

4.1 手機(jī)鏡頭及模組領(lǐng)域

2010年至2011年,智能手機(jī)市場在經(jīng)過多年的技術(shù)積累后,液晶觸控面板、移動通信芯片、光學(xué)塑料鏡頭、操作系統(tǒng)等零部件及配套的供應(yīng)鏈日趨成熟,智能手機(jī)市場開始了持續(xù)十年的快速發(fā)展。智能手機(jī)集觸摸顯示、成像、通信等多種技術(shù)于一身,多種技術(shù)及功能協(xié)同發(fā)展,相互促進(jìn),在此背景下,手機(jī)用光學(xué)鏡頭的制造技術(shù)、成像質(zhì)量等得到了極大的飛躍。

手機(jī)鏡頭及模組屬于新型的光學(xué)元器件,制造技術(shù)及工藝制造自成體系,既繼承了傳統(tǒng)光學(xué)加工技術(shù)又汲取了半導(dǎo)體器件的制造工藝,塑料鏡片制造、鏡頭組裝是手機(jī)鏡頭的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。手機(jī)鏡頭的制造流程為:高透明度的光學(xué)塑料經(jīng)設(shè)計、注塑成型、鍍膜后,經(jīng)組裝工藝將鏡片、隔片、壓圈等部品裝配,再進(jìn)行固定及外觀、性能檢驗等工序完成鏡頭組裝,組裝后的鏡頭與圖像處理器、馬達(dá)、濾光片、PCB板等零部件經(jīng)封裝流程制成手機(jī)鏡頭模組。

十年內(nèi),手機(jī)鏡頭的成像質(zhì)量實現(xiàn)了飛躍式發(fā)展,從開始的百萬像素發(fā)展到如今的千萬像素；從定焦、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭發(fā)展到變焦、超廣角鏡頭；從集成單個鏡頭的傳統(tǒng)光學(xué)成像發(fā)展到集成四個以上攝像頭的計算光學(xué)成像；且鏡頭的功能也從二維成像擴(kuò)展到具備生物識別、人機(jī)交互、AR/VR 體驗等功能的三維成像和傳感。

經(jīng)歷十年的快速發(fā)展后,全球及國內(nèi)的智能手機(jī)市場在2020年迎來拐點,據(jù)中國信息通信研究院數(shù)據(jù)顯示,2020年國內(nèi)手機(jī)市場總體出貨量累計3.08億部,同比大幅下降20.8%。另據(jù)Canalys數(shù)據(jù)顯示,2020年度全球智能手機(jī)出貨量約為12億部,同比下降7.5%。智能手機(jī)市場進(jìn)入存量競爭時代。這使得智能手機(jī)廠家不斷通過提升攝像頭的性能來吸引消費者關(guān)注,更高像素、光學(xué)變焦、多攝像頭、3D傳感、屏下攝像等新功能將成為主要廠家競爭的主戰(zhàn)場,相應(yīng)的手機(jī)鏡頭及模組市場也將進(jìn)入低增長、高競爭時代。

進(jìn)入新的競爭時期后,手機(jī)鏡頭及模組市場集中度進(jìn)一步提高,除部分日韓企業(yè)外,中國企業(yè)占據(jù)了手機(jī)鏡頭及模組的絕大部分市場份額,舜宇光學(xué)、臺灣大立光、歐菲光、丘鈦科技、高偉電子、信利國際、合力泰、富士康等企業(yè)組成手機(jī)鏡頭及模組第一梯隊,第一梯隊占據(jù)了90%的市場份額。

手機(jī)鏡頭模組中最重要也是成本占比最高的的部件--圖像傳感器方面,索尼、三星的市場份額繼續(xù)穩(wěn)居前二,國內(nèi)相關(guān)企業(yè)經(jīng)過多年技術(shù)積累和整合并購,市場份額逐步提升,與索尼、三星在高中低端展開了市場競爭。如韋爾股份在2019年成功收購了兩個影像傳感器CIS設(shè)計公司豪威(全球CIS第三大供應(yīng)商)和思比科,市場份額升至全球第三；格科微電子從低像素起步,經(jīng)過持續(xù)的自主研發(fā)與戰(zhàn)略合作,逐步做到了國內(nèi)中低像素類圖像傳感器芯片市場占有率前列,并向高像素傳感器方向發(fā)力。

目前中國已經(jīng)是世界上產(chǎn)能最大、最重要的手機(jī)鏡頭及模組供應(yīng)國,市場規(guī)模占全球的50%以上,但是手機(jī)用塑料鏡片材料、仿真軟件、加工檢測設(shè)備等核心技術(shù)及設(shè)備還是來自日本、歐洲等地,產(chǎn)業(yè)發(fā)展頭重腳輕,從健全產(chǎn)業(yè)鏈的角度亟需扶持國產(chǎn)光學(xué)材料及設(shè)備。

4.2 安防監(jiān)控鏡頭領(lǐng)域

安防監(jiān)控是光學(xué)元器件中光學(xué)鏡頭的第二大應(yīng)用領(lǐng)域,技術(shù)起源于最早的照相機(jī)鏡頭,因此德國、日本等傳統(tǒng)照相鏡頭技術(shù)強(qiáng)國也是目前安防監(jiān)控鏡頭領(lǐng)域的強(qiáng)者。在智慧城市、平安城市、智慧社區(qū)等國家重點項目及相關(guān)政策的帶動下,國內(nèi)安防視頻監(jiān)控行業(yè)也得到了快速發(fā)展。安防監(jiān)控依賴光學(xué)鏡頭提供實時高清的圖像和視頻數(shù)據(jù)以實現(xiàn)準(zhǔn)確分析,光學(xué)變焦、大倍率、大廣角、小型輕量化等技術(shù)在安防監(jiān)控鏡頭中逐步得到使用。

依托國內(nèi)龐大的市場,經(jīng)多年發(fā)展中國已成為全球最大的安防鏡頭市場,但日本及韓國產(chǎn)的光學(xué)鏡頭依舊占據(jù)了安防監(jiān)控中高端市場的大部分份額,國產(chǎn)鏡頭主要以中低端市場為主。依靠原材料和勞動力等方面的成本優(yōu)勢,國產(chǎn)安防鏡頭逐步受到許多國內(nèi)外安防攝像機(jī)生產(chǎn)廠商的歡迎和青睞。目前宇瞳光學(xué)、聯(lián)合光電、舜宇光學(xué)、福光股份、鳳凰光學(xué)、福特科等龍頭企業(yè)占據(jù)大部分市場份額,且中國企業(yè)的技術(shù)水平不斷提高,已經(jīng)從原先的定焦、低像素安防鏡頭逐步轉(zhuǎn)向高分辨率變焦安防鏡頭,與騰龍、富士能、富士龍等國際知名企業(yè)展開市場競爭。但是國內(nèi)安防鏡頭市場中,定焦鏡頭仍是主力,出貨量占比65 %左右,不過變焦鏡頭的出貨量增長迅速,占比逐年提升。

順應(yīng)智能化、數(shù)字化的發(fā)展趨勢,安防監(jiān)控市場對安防監(jiān)控用鏡頭的要求趨向于變焦、高清、智能識別、高速實時傳輸(5G)等多元化、多樣化指標(biāo)。

4.3 車載光學(xué)鏡頭領(lǐng)域

光學(xué)鏡頭在汽車領(lǐng)域主要應(yīng)用于汽車的內(nèi)視鏡頭、后視鏡頭、前視鏡頭、側(cè)視鏡頭、環(huán)視鏡頭等,起成像和感應(yīng)的作用。車載光學(xué)鏡頭的制造在20世紀(jì)基本由日韓及其在華合資企業(yè)為主,進(jìn)入21世紀(jì)后,中國的汽車工業(yè)快速發(fā)展的帶動下,國產(chǎn)車載光學(xué)鏡頭開始嶄露頭角,以舜宇光學(xué)為代表,舜宇光學(xué)在2004年接到第一份車載鏡頭訂單,由于沒有經(jīng)驗,在研發(fā)、生產(chǎn)過程中不斷試錯,付出了巨大的努力,最終順利完成第一份車載鏡頭訂單。經(jīng)過多年的摸索、學(xué)習(xí),中國企業(yè)在車載鏡頭市場的份額占比已經(jīng)超過50 %,市場份額最高的是臺灣的大立光,其次是舜宇光學(xué),舜宇光學(xué)2020年車載鏡頭出貨量達(dá)到5618萬件,同比增長12 %。國內(nèi)競爭力較強(qiáng)的車載鏡頭企業(yè)還有歐菲光、聯(lián)創(chuàng)電子、聯(lián)合光電等。

車載光學(xué)鏡頭的制造流程與手機(jī)鏡頭類似,由于車規(guī)級產(chǎn)品需要應(yīng)對各種惡劣環(huán)境的考驗,車載鏡頭需要滿足很多環(huán)境實驗的要求,如高低溫沖擊實驗、耐腐蝕實驗、耐振動試驗、防水實驗、耐鹽霧實驗、耐擦拭實驗、紫外線照射試驗等,因此車載鏡頭的材料、設(shè)計以及組裝等方面的要求較手機(jī)鏡頭及其他領(lǐng)域的應(yīng)用更高更嚴(yán)格。

當(dāng)下以電動汽車為主的新能源汽車正在掀起一場汽車行業(yè)的變革,新能源汽車更具智能化,且都以自動駕駛作為賣點。要實現(xiàn)自動駕駛,一般需要在每輛車上搭載8顆及以上的光學(xué)鏡頭,車載鏡頭逐步從后視向側(cè)視、環(huán)視、前視、內(nèi)視等多個方位拓展。車載光學(xué)鏡頭與超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)、紅外傳感器等傳感器構(gòu)成了汽車ADAS(高級自動駕駛)系統(tǒng)感知層。

長期來看新能源汽車的蓬勃發(fā)展將帶動車載鏡頭市場持續(xù)走強(qiáng)。車載光學(xué)鏡頭隨著新能源汽車的快速發(fā)展,市場處在快速增長期。

4.4 投影光學(xué)元件領(lǐng)域

投影與照相,是中國光學(xué)企業(yè)最早涉足的應(yīng)用領(lǐng)域,在投影儀和照相機(jī)市場最活躍的時期,其中的投影用光學(xué)鏡片基本由中國光學(xué)企業(yè)供應(yīng)。投影用光學(xué)鏡頭的使用場景與照相用鏡頭有較大不同,照相一般是光從外向內(nèi)透過,而投影是光線從投影儀內(nèi)部通過鏡頭向外部透過,因此投影用鏡頭的X材料選擇、設(shè)計、鍍膜和組裝要更多的考慮散熱和耐熱性能。

近幾年來,家用、高清、便攜、智能互聯(lián)等概念帶動了投影市場的增長,家用投影依靠高清、便攜、智能互聯(lián)、大畫面、護(hù)眼等優(yōu)勢獲得消費者的青睞,家用投影市場持續(xù)火熱。其中最具代表性的是采用新光源的智能投影產(chǎn)品,如激光投影電視和LED光源智能投影機(jī),以海信、三星、長虹、小米、光峰科技、極米等品牌為主,在疫情影響下的2020年,中國的激光電視銷量依然保持了大幅增長。

據(jù)IDC數(shù)據(jù),2020年中國投影設(shè)備出貨量417萬臺,其中家用娛樂300萬臺,占比為72 %。家用投影逐步成為投影設(shè)備的主戰(zhàn)場。這一趨勢帶動了國產(chǎn)投影品牌對海外品牌的反超,2020年中國投影市場份額排名前五的品牌分別為:極米、堅果、愛普森、明基、小米,同時,市場份額呈現(xiàn)向頭部品牌集中的趨勢。國內(nèi)投影光學(xué)元件技術(shù)力量較強(qiáng)、產(chǎn)能較大的企業(yè)有中光學(xué)集團(tuán)、鳳凰光學(xué)、宇迪光學(xué)、科汀光學(xué)等。

4.5 運動攝像、AR/VR、機(jī)器視覺等其他應(yīng)用領(lǐng)域

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展,光學(xué)元器件的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步向更多領(lǐng)域擴(kuò)展,除上述應(yīng)用外,機(jī)器視覺、智能家居、視訊會議、運動攝影攝像、VR/AR 、無人機(jī)、3D感知、計算機(jī)視覺等熱門應(yīng)用領(lǐng)域?qū)映霾桓F,為光學(xué)元器件行業(yè)的持續(xù)發(fā)展注入了新的動力。

傳統(tǒng)的光學(xué)透鏡通過光學(xué)材料的厚度變化來調(diào)節(jié)入射光相位實現(xiàn)聚焦,組裝后的鏡頭無法繼續(xù)實現(xiàn)小型化,也難以滿足新興的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)鈱W(xué)元件大規(guī)模集成、器件小型化、功能多樣化等方面的要求。

在VR/AR的頭戴顯示以及超短焦投影等應(yīng)用領(lǐng)域,迫切需要大視場(FOV)、大數(shù)值孔徑、高分辨率的成像系統(tǒng),但由于光學(xué)不變量的限制,同時實現(xiàn)大視場、大數(shù)值孔徑和高分辨率在技術(shù)上幾乎難以實現(xiàn)。隨著超精密加工技術(shù)和精密模壓注塑成型技術(shù)快速發(fā)展,研究人員采用光學(xué)自由曲面和光波導(dǎo)來進(jìn)行光學(xué)元器件的設(shè)計與制造,很大程度上縮短了光學(xué)系統(tǒng)的光路,使得光學(xué)系統(tǒng)在保證成像質(zhì)量的前提下尺寸變小,極大提高了光學(xué)制造的自由度和靈活性。但是新興的應(yīng)用領(lǐng)域需要光學(xué)元器件盡可能的尺寸小且性能強(qiáng)大,于是研究人員想到了利用人工設(shè)計結(jié)構(gòu)來制作一種復(fù)合材料,具有超過天然材料的物理特性,再利用這種材料來制作新型光學(xué)元件,這種新型的光學(xué)元件可以實現(xiàn)對入射光的振幅、相位、偏振等進(jìn)行的靈活調(diào)控,具有強(qiáng)大的光場操控能力。這種人工材料一般被成為超材料(英文:Metamaterial),依此制成的光學(xué)元件一般稱為超透鏡(英文:metalens)。利用超材料按照一定方式進(jìn)行排列制成微米、納米級的二維平面透鏡結(jié)構(gòu),將可見光聚焦到同一個點,并達(dá)到很高的分辨率。這在超分辨顯微成像、全息光學(xué)、消色差透鏡等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。超透鏡不僅突破了傳統(tǒng)光學(xué)透鏡的電磁屬性,其二維平面結(jié)構(gòu)更易于加工和集成,為光學(xué)透鏡的小型化與集成化提供解決方案。

超透鏡的優(yōu)點是輕薄(納米級)和小型化,功能遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)透鏡,缺點是制備和檢測的難度非常高,其制造流程類似半導(dǎo)體芯片,業(yè)界普遍認(rèn)為超透鏡有望徹底顛覆傳統(tǒng)光學(xué)裝置中笨重繁瑣的透鏡組,使手機(jī)鏡頭、智能眼鏡、虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實等領(lǐng)域的光學(xué)元器件變得非常輕薄。超透鏡最早由哈佛大學(xué)應(yīng)用物理系教授 Federico Capasso 及其在佛大學(xué)約翰·保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的科研小組開發(fā),目前已經(jīng)成為國際上最前沿的光學(xué)技術(shù)之一,眾多科研院所都在開展超透鏡的研發(fā),積極探索超透鏡的制備和在各領(lǐng)域的應(yīng)用,國內(nèi)也有西安光機(jī)所、南京大學(xué)、中山大學(xué)等院所積極開展超透鏡研究,目前超透鏡是光學(xué)行業(yè)備受矚目的微納光學(xué)前沿,還停留在實驗室階段,距離商用還有很長的路要走。

回到市場方面,機(jī)器視覺、智能家居、視訊會議、運動攝影攝像、無人機(jī)、3D感知等領(lǐng)域已經(jīng)初步商業(yè)化,對光學(xué)元器件的需求處于上升階段；而AR、VR、計算機(jī)視覺等新興應(yīng)用還處在市場化前夜,對光學(xué)元件的需求量很小,但對其性能指標(biāo)較高且隨時在更新。除了這些新興的應(yīng)用領(lǐng)域,光學(xué)元器件在傳統(tǒng)的領(lǐng)域如照相、醫(yī)療、航空航天、儀器儀表、天文等領(lǐng)域的對光學(xué)元器件的需求主要表現(xiàn)在性能指標(biāo)的不斷提高上,市場規(guī)模已趨于穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

十年間,光學(xué)元器件從最初的照相攝像逐步滲透至各行各業(yè),如消費電子、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、生物識別等,這些新興行業(yè)發(fā)展迅速,大量需要高性能的小型化、集成化、高清化、智能化的光學(xué)元件,這對光學(xué)材料及元件提出了更高的要求,傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃冷加工已經(jīng)不能完全達(dá)到要求,這樣的需求催生了晶圓級光學(xué)元件(wafer level optics,WLO ),即用半導(dǎo)體工藝批量復(fù)制加工光學(xué)元件,但受限于高性能制造設(shè)備,目前晶圓級光學(xué)元件仍處于研發(fā)階段。

今后光學(xué)行業(yè)與機(jī)電、半導(dǎo)體等行業(yè)的跨界融合將越來越緊密,將來,光學(xué)塑料元件及晶圓級光學(xué)元件極有可能成為需求熱點,成為新興行業(yè)所依賴的核心成像元件；而光學(xué)玻璃的需求將會保持穩(wěn)定或者逐年減少,以在數(shù)碼照相攝像、投影、天文、科研、航空航天、國防軍事等高端領(lǐng)域應(yīng)用為主。

綜上,可以看到光學(xué)元件及鏡頭作為新一代信息系統(tǒng)最前端的光電感知核心器件,已經(jīng)成為信息化世界的“眼睛”,正隨著新一代信息技術(shù)的推廣而深入應(yīng)用到社會的各個領(lǐng)域且成為基礎(chǔ)性元器件。

疫情在一定程度上加速了全球科技持續(xù)向智能化、數(shù)字化方向邁進(jìn)的步伐,如智能穿戴、智能零售、智能遠(yuǎn)程視訊、智能汽車等新興領(lǐng)域快速發(fā)展,以高速通訊、人工智能、超高清、自動駕駛等為代表的應(yīng)用逐步取得進(jìn)展并商業(yè)化,對光學(xué)元器件持續(xù)保持旺盛的需求,同時對光學(xué)元件的性能指標(biāo)的要求也在不斷提高。高透過率、超高清、AI識別、大口徑小尺寸、小型輕量化、高度集成、成像傳感融合等將成為今后光學(xué)元器件發(fā)展的關(guān)鍵詞。