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一文看懂:光学行业 三摄+潜望式+3D

作者:赵鑫龙
2019/04/15 22:31

雷锋网(公众号:雷锋网)按: 本文转载于|公众号湖杉资本。

研究背景

光学创新因为能给用户带来非常直观而明显的体验提升,成为各大手机厂商进行差异化竞争的焦点,也让光学成为智能手机创新的主战场之一,当前三摄像头、潜望式摄像头和3D Sensing正成为光学下一阶段创新的主轴。三摄像头在华为的带动下成为2018年的亮点,可以带来更好的成像质量和变焦效果,有望在2019年被更多厂商采用;潜望式摄像头则在OPPO的带领下,有望被华为等厂商迅速跟进,快速渗透;自从iPhoneX开始搭载3D Sensing功能以来,苹果已在2019年新款iPhone和iPad中全面配备3D Sensing,未来苹果有望在旗下产品中全面配备3D Sensing。

我们区别于市场的观点

光学创新永不眠,当前三摄像头、潜望式摄像头和3D Sensing正逐渐成为新的潮流,给产业链带来更大的市场空间。我们区别于市场的观点主要有以下两点:

1)我们认为三摄像头和潜望式摄像头有望成为2019年创新的重头戏。在手机进入存量市场之后,任何能吸引用户换机的创新都将给手机厂商迅速采用,这一点在双摄和全面屏方面体现得特别明显。三摄的成像质量和光学变焦能力相比双摄又有了大幅提高,并且在华为的带动下,有望在2019年开始快速渗透。潜望式摄像头的光学变焦能力实力强劲,在OPPO、华为的带领下,有望在2019年也加速渗透。

2)我们认为大陆光学产业链将在上述创新中扮演重要角色。在经过多年的发展之后,大陆厂商已经在准直镜头、光学镜头、滤光片、模组等环节具备了较强实力,涌现出了一批优质的上市公司。除此之外,大陆厂商正在突破图像传感器、VCSEL激光源等更高难度的产品,向高附加值产品延伸。两大创新带来的是全新的增量市场,竞争烈度较小,进入供应链的厂商可以充分享受到创新带来的红利。

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投资观点

三摄像头和潜望式则有望在华为、OPPO的带领下,在2019年得到快速渗透;苹果给iPad Pro配备3D Sensing功能,未来将全面使用3D Sensing取代指纹识别。光学创新带来全新的增量市场,空间广阔,我们首次覆盖光学行业,给予“买入”评级。欧菲科技在模组领域具备很强实力,已进入顶级客户供应链,有望分享行业红利,维持“买入”评级。水晶光电在红外截止滤光片和窄带滤光片领域实力出众,客户优质,也有望借助创新得到较快发展,首次覆盖给予“买入”评级。舜宇光学科技在模组和镜头领域均是业内领先企业,也将受益光学创新,维持“买入”评级。瑞声科技研发的WLG有望在3D Sensing得到使用,给公司贡献新的成长动力,维持“增持”评级。

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1、光学创新永不眠,新动向精彩纷呈

1.1、光学始终是智能手机创新的主战场之一

光学创新因为能给用户带来非常直观而明显的体验提升,成为各大手机厂商进行差异化竞争的焦点,也让光学成为智能手机创新的主战场之一。回顾历史,我们发现围绕着带来更好的拍照体验这个目标,光学经历了像素升级、光学防抖、大光圈、长焦镜头、光学变焦、多透镜设计、双摄像头等多种创新,其中以像素升级和双摄像头最为典型。

iPhone作为智能手机的开创者和标杆,其像素升级历史最为典型。第一代iPhone的后置摄像头像素只有200万,随后逐步升级到现在的1200万;前置摄像头则从iPhone 4的30万像素,逐步升级到了现在的700万像素。在苹果的带动之下,安卓手机厂商也积极升级手机摄像头像素,并在2011-2015年形成了“像素大战”。

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双摄像头则是光学的另一重大升级。华为在2016年4月发布与德国徕卡合作的旗舰手机P9,开创智能手机的双摄浪潮。P9配备双1200万像素后置摄像头,两颗摄像头分别负责彩色和黑白功能。彩色摄像头用来获取物体的色彩,而黑白摄像头用来获取物体的细节,然后将两个图片融合为一张最终的图片。P9的双摄大幅提升照片质量,受到了消费者的热烈欢迎,并且是华为第一次成功引领产品创新,是华为手机品牌美誉度得以提升的重大功臣。

苹果则在2016年9月发布了配备双摄像头的iPhone 7 Plus。iPhone 7 Plus采用广角+长焦镜头,通过左右摄像头使用不同的FOV(可视角),使两个摄像头取景不同。当拍近景时,使用广角镜头,拍远景时,使用长焦镜头,从而实现光学变焦功能。iPhone 7 plus的双摄受到了消费者的热烈欢迎,并由于苹果在智能手机行业的标杆地位,迅速被众多安卓手机厂商所学习。

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光学行业发展到今天出现了新的动向,三摄像头、潜望式摄像头与 3D Sensing 成为行业下一阶段创新的重点。三摄像头则在双摄的基础上再次大幅提升拍照质量,有望在华为的带动下成为下一阶段的发展趋势;潜望式摄像头由于可以实现远距离光学变焦,有望在 2019 年迎来大发展;3D Sensing因为具备更高的安全性,并且可以带来 VR/AR 等更大的创新潜力,正逐步取代指纹识别成为手机标配。


1.2、华为引领三摄浪潮,渗透率有望快速提高

华为在 2018 年发布的 P 系列和 Mate 系列两大旗舰机中均采用了三摄像头设计。 P20 Pro 与 Mate20 Pro 均配备一颗 4000 万像素的主摄像头、一颗 2000 万像素的副摄像头、一颗 800 万像素的远摄像头,三颗摄像头分别起到彩色广角、黑白广角、彩色长焦的功能。

具体在进行拍摄时,通常是两颗摄像头在工作,要么是彩色+黑白,要么是长焦+黑白,三颗摄像头通常不会一起工作。

三摄的第一大优势是暗光场景下的强大拍照能力,这个时候使用的是彩色+黑白两颗摄像头,彩色摄像头用于成像,黑白摄像头用于捕捉细节。彩色主摄像头的传感器尺寸较大,可以获取更多的进光量,再加上黑白摄像头带来的细节捕捉,可以在暗光下获得更好的成像。

尽管彩色主摄像头采用4000万像素,但华为P20 Pro在自动模式下并非直接输出4000万像素的照片,而是采用4合1的方式,靠4000万像素感光元件输出一张1000万像素的照片,以有效提升暗光场景的拍照能力。如果需要输出4000万像素的照片,需要单独进行设置。

三摄的第二大优势是变焦能力。华为P20 Pro提供了3倍光学变焦和5倍三摄变焦两种变焦模式,其中3倍光学变焦用到长焦+黑白两颗摄像头,5倍三摄变焦则要分别用到彩色+黑白和广角+黑白两种模式。

由于长焦摄像头的80mm焦距刚好是主摄像头27mm焦距的三倍,所以当需要变焦拍摄远处的景象时,可以从主摄像头切换到长焦摄像头,从而实现模拟3倍光学变焦,这一点与iPhone的光学变焦原理是相同的。这种变焦实际上是“突然”发生的,但通过算法的调校,可以让这个过程平滑化,让拍摄者不会感到突兀。

由于只有两种焦距的摄像头,所以实际上只能实现3倍光学变焦,5倍三摄变焦实际上是对照片进行裁剪优化得到的。由于4000万像素彩色主摄像头的成像效果非常好,所以在需要实现5倍三摄变焦时,会把这颗摄像头的图像和长焦摄像头的图像进行裁剪优化,再加上黑白摄像头的细节能力,从而呈现出5倍变焦的效果。

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三摄像头在大幅提升成像效果的同时,也大幅增加了制造难点,这些难点可以概括为硬件和算法两方面。

在硬件方面,难点在于摄像头的一致性要求。这三颗摄像头均可以实现成熟的单独量产,但组合起来就会出现一致性的问题。每颗摄像头的加工过程和安装位置都会产生细微差别,对于摄像头这种高精度的装置,1mm的偏差就足以毁掉整张照片。为此,华为在每条产线上引入了高精密的调校系统,通过光学检测和人工智能来进行分析和校准,保证对焦和成像的准确性。

在算法方面,难点在于解决变焦时的转换流畅度。由于三颗摄像头是两两组合来使用的,在变焦时要实现摄像头的切换,这个时候需要完美解决视差问题,即无论变焦到多少,切换到哪个摄像头,都不能感觉到明显的差异。为了实现像素级的精确,最终生成的图像都需要上万个点的对齐测试,这种算法的调校才是三摄的难点。

三摄像头一方面可以大幅改善成像质量,提供更好的光学变焦功能,另外一方面是对双摄的进一步升级,在硬件和算法的层面拥有更好的基础,可以更快地完成渗透。我们预计在华为的引领下,2019年将有包括苹果、三星、OPPO、vivo、小米等众多厂商开始使用三摄像头。


1.3、潜望式摄像头有望在2019年快速渗透

潜望式摄像头是指将镜头与手机平面垂直放置的摄像头。OPPO是最早推出潜望式摄像头的手机厂商,其在2017年的MWC上首次展示了潜望式摄像头技术。区别于传统双摄镜头的并列排布,OPPO将长焦镜头横向排列,与广角镜头形成垂直布局,由特殊的光学三棱镜让光线折射进入镜头组,实现成像。

潜望式摄像头最大的优势是可以实现高倍数的光学变焦。变焦就是改变焦距,从而得到不同宽窄的视场角、不同大小的影像和不同的景物范围。变焦通常有数码变焦和光学变焦两种方式,其中数码变焦是通过数码相机内的处理器,把图片内的每个像素面积增大,从而达到放大目的;光学变焦是依靠镜头中镜片的移动(改变镜片之间的距离),进而改变镜头的焦距,实现变焦。

光学变焦可以分为内变焦和外变焦两类方案。内变焦指前后镜片之间的距离不变,由之间的镜片组前后移动变焦,简单理解就是变焦在机身内完成,摄像头外观没有变化;而外变焦则是通过前镜片组和后镜片组移动变焦,类似于我们平常见到的伸缩式镜头。

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由于智能手机需要保持轻薄,而使用伸缩式摄像头会大幅增加手机的厚度,并且难以防水防尘,所以内变焦是手机实现光学变焦的主要方式。但由于手机厚度有限, 水平放置的摄像头只能有较小的焦距,光学变焦能力有限,所以通过采用潜望式摄像头的设计,能大幅增加摄像头的焦距,实现更好的光学变焦。

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OPPO已在1月17日正式发布了其最新的潜望式摄像头技术,支持十倍光学变焦。该技术采用“接棒式”三摄配置方案,其中长焦摄像头采用潜望式结构,等效焦距为159mm,另外超广角镜头的等效焦距为15.9mm,再加上超清主摄,这样就构成了等效焦距15.9mm—159mm的三摄镜头组。OPPO的这款产品也赢得了MWC 2019的优秀技术奖。

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在手机行业进入存量竞争之后,任何能吸引消费者的功能都成为手机厂商创新的重点。在OPPO的带领下,我们预计华为、小米等手机厂商也将很快推出配备潜望式摄像头功能的手机,潜望式摄像头行业正引来快速发展的新阶段。


1.4、3D Sensing快速渗透,行业规模不断增长

3D Sensing是指获取周围环境的三维信息来进行识别的功能,被广泛应用于工业、医疗、交通、科研、国防等领域中,例如无人驾驶所使用的激光雷达就是3D Sensing的一个典型应用。

随着技术的进步,3D Sensing逐步实现了小型化、低功耗,可以开始用于手机等消费级的电子产品中。当用于手机时,具有安全性高、使用简便、适合全面屏设计等优点,可以完美取代手机中的指纹识别解锁。苹果在2017年9月发布的iPhone X中首次配备3D Sensing功能,并命名为Face ID,并在2018年9月发布的iPhone XR、iPhone XS、iPhone XS Max中全面配备3D Sensing。

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苹果在2018年10月30日发布的最新款iPad Pro中,同样去掉了指纹识别模块,转而使用3D Sensing功能,我们认为这将成为苹果在iPad产品系列中全面使用3D Sensing的开始,未来3D Sensing将成为iPad的标配。

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我们预计苹果未来将在旗下产品中全线配备3D Sensing功能,由于苹果产品的出货量,未来3D Sensing将迎来广阔的发展空间。


2、三摄+潜望式:打开产业链成长新空间

手机摄像头主要由光学镜头(Lens)、音圈马达(VCM)、红外滤光片(IRCF)、图像传感器(Sensor)等组成。三摄相比单摄和双摄分别增加两颗和一颗摄像头,潜望式则需要增加一组镜片和折射镜头,将给整个摄像头产业链带来新的市场空间,产业链相关企业将迎来新的成长动力。

从手机摄像头产业链的价值量分布来看,CIS图像传感器占据了52%的价值量,是价值量最高的部件;光学镜头和模组的价值量占比分别达到了19%和20%,两者旗鼓相当,仅次于CIS图像传感器;音圈马达和红外截止滤光片的价值量占比分别达到6%和3%,价值量较少。

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2.1、光学镜头:设计和制造难度大,经验积累是关键

光学镜头的主要作用是利用光的折射和反射原理,搜集被拍摄物体的反射光并将其聚焦于图像传感器上。

手机摄像头使用的镜头主要有塑胶和玻璃两种材质。塑胶镜头透光率不如玻璃镜头,但成型更为容易、良率较高、成本较低,通过不同形状的塑胶镜头进行组合,也可以达到非常好的成像效果,所以手机摄像头使用都是塑胶镜头。

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衡量镜头解析力的常用指标是MTF(Modulation Transfer Function,调制转换函数),它衡量的是镜头对对比度的还原情况。理想镜头的还原情况可以达到100%,最差的镜头无法还原对比度,所以MTF的值位于0—1区间内。MTF的值越大,表明镜头的解析力越好。

例如在下图中,黑白条的对比度原本是100%,但经过镜头的处理之后,黑白条的中间地带会由于光线的串扰而呈现灰色,这就是无法完全还原对比度的情况。在这个例子中,这个镜头的MTF值为90%,表示可以还原90%的对比度。

在手机可见光摄像头中,尽管玻璃材料的透光量要好于塑胶镜头,但塑胶易于成型,可以组成各种所需要的组合,对光线的控制也更优,所以塑胶镜头的MTF反而会大于玻璃镜头。基于此,我们认为塑胶镜头仍将是未来一段时间内手机可见光镜头的主流,但玻璃镜头或玻塑混合镜头大概率也将会占有一席之地。

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光学镜头具有非常高的技术难度,目前能大批量稳定生产高品质镜头的厂商较为稀少。光学镜头的难点主要在于设计和制造环节。

光学镜头的难点之一在于设计环节。设计环节需要的是多年的经验积累,以及想象力的发挥,不仅仅是一门工程,更是一门艺术。每一个设计的光学镜头都可以专门申请专利,保护设计师的心血结晶。设计环节直接决定厂商能否生产某一规格的镜头,是进入这个行业的门票。

光线在穿过镜头时,会发生非常复杂的折射过程才能到达图像传感器。这些复杂的折射过程会使图像传感器上的成像与根据高斯光学得到的理论结果产生差距,这就是像差。

像差主要由三种原因产生:1)通光介质的折射率随波长变化而变化;2)透镜表面通常为球面;3)光具有波粒二象性。由第一种原因产生的成像偏差称为色差,第二种产生的成像偏差称为球差,第三种产生的成像偏差称为衍射效应。目前已知的像差已经有几百种,比如轴向色差、球差、横向色差、慧差、场曲、像散和畸变等。

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像差无法完全消除,所以这个世界不存在完美的镜头。光学设计就是通过组合不同形状、不同数目的透镜,实现对这些像差的控制,尽可能获得尽可能完美的成像效果。但是因为像差实在太多,所以想实现完全的像差控制是不可能的,只能通过光学设计在众多像差中取得平衡。光学设计不是工程,而是艺术,是对于美的理解,考验的是光学设计师的经验、天赋和灵感。莱卡和蔡司作为最优秀的光学厂商,引以为傲的正是其在光学设计上的深厚积累。华为与莱卡合作,主要的合作内容就是莱卡帮助华为改善光学设计。

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光学镜头的难点之二在于制造环节。如果说设计解决的是镜头厂商能否生产的问题,那么制造环节就是决定生产良率和一致性的关键。在模具、成型、组装等环节,对于生产精度都有非常高的要求,任何一个环节出现差错都会对最后的成像效果产生非常大的影响。

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模具环节是塑胶镜头制造的最关键部分。模具的质量直接影响镜片的成型,所以需要非常高精度的模具,不仅需要有经验的设计人员来进行设计,还需要制造人员具有精密加工和检测方面的基础。

在设计模具时,应该将成型时的所有可能影响精度的因素加以控制,包括成型机、成型条件、成型材料。整体模具的设计需要注意成型机的尺寸和精度、成型条件和成型材料的特性,并考虑到具有累加性的误差,如平行度、垂直度、同心度,以及影响塑胶流动的因素,例如排气孔的位置和浇口形状。

在制造模具时,需要考虑模具的加工方法、工作机械和模具材料,比如零件制造的机台、方法、程序是否合理。任何失误都会直接影响模具的尺寸精度,很容易导致模具无法达到设计的公差范围。

成型环节,材料发生了相变化、密度变化、温度变化以及压力变化,必须严格精确控制这些变量才能使透镜拥有良好的光学特性,这对厂商的生产提出了极高的要求,不仅需要高精度的仪器,还需要有经验的熟练工人才能完成操作,任何差错都会影响最后的成像质量。比如莱卡在冷却成型时,是按照一小时下降一度的速率逐渐降低温度的,以求得到最优质的光学镜头。

组装环节是按照顺序逐一将加工完成的镜片、隔片、压圈等部件完成装配,并实现光学性能的过程,目前主要通过自动化方式实现组装。镜头组装技术要点十分复杂,对部件加工精度、组装精度具有极高的要求,整体公差一般不超过3微米,而大立光等企业甚至达到2微米。组装还需要经验丰富功底深厚的专家团队,不断改进探索,需要多年积累才能制作一颗合格的镜头。

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光学镜头设计非常复杂,目前已知的像差就有数百种,仍有大量未知的像差不断被发现,需要在设计中被考虑进去。光线的折射和反射路径数不胜数,需要设计师去不断计算和权衡。透镜的形状、位置、材料可以有无数种组合方式,让设计师们有空间去不断挖掘更好的设计。光学镜头行业永远没有进步的终点,永远都有探索的空间。

正因为这个行业进步永无止境,所以时间和经验才显得极为重要。无论是在设计还是在制造环节,镜头行业都需要大量的经验积累和有经验的熟练工人,去掌握设计的技巧和制造中的know-how,所以镜头行业经常可以见到只有拥有悠久历史的公司才能生产出优秀的镜头。例如德系的蔡司和莱卡,日系的佳能、尼康、索尼,都是具有几十年甚至上百年历史的顶级光学镜头厂商。时间和经验是光学镜头行业最重要的资产,也是竞争对手难以逾越的屏障。

手机镜头的生产尽管不像相机镜头那么困难,但时间和经验依然很重要。例如台湾的大立光是最早开始研究塑胶镜头的厂商之一,成立至今已有接近40年的历史。尽管塑胶镜头是在智能手机兴起之后才开始蓬勃发展,但大立光在此之前已积累了接近20年,所以其他厂商始终难以企及大立光的镜头品质和生产良率,这也造就了大立光在手机镜头领域的霸主地位。

除了大立光,大陆的舜宇光学在近些年也发展迅猛。在2012年收购柯尼卡美能达的上海工厂,并与其达成合作协议之后,舜宇光学掌握了大量设计和制造中的know-how,镜头品质和良率迅速改善,出货量大幅增加。时至今日,舜宇光学已经大幅缩小了与大立光的差距,技术实力非常出众。

在整个手机镜头行业中,台湾地区的大立光是绝对的霸主,2017年占据了34.5%的全球市场份额,并且主要供应高阶镜头。舜宇光学作为来自大陆的后起之秀,也占据了9.4%的市场份额,位居市场第二位,并在国产手机供应链中具有重要地位。除了大立光和舜宇光学,重要的手机镜头厂商还包括玉晶光、世高光、关东辰美等厂商。


2.2、音圈马达:总体技术难度不高,精度控制是关键

手机中控制镜头对焦的器件为音圈马达(VCM)。单反相机的对焦是通过转动镜筒带动镜头里某个镜片或者某组镜片前后移动,来修正光路,使成像落在感光元件上是最清晰的。普通的手机摄像头无法做到像单反相机那样移动某块镜片或者某组镜片来对焦,因此手机摄像头是通过镜头组整个前后移动实现自动对焦,驱动这一动作的就是VCM。

不同厂商的VCM结构略有不同,但总体上均包括外壳、支架、垫片、簧片、磁石、线圈、载体、底座等部件,内部结构较为复杂。

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音圈电机(VCM)基于安培定理工作,即当线圈导电,其中的电流产生的作用力推动固定在载体上的镜头移动,从而改变对焦距离。可以看到,音圈电机(VCM)器件对于对焦距离的控制实际上是通过对线圈中电流的控制来实现的。

手机摄像头的VCM需要Driver IC配合完成对焦,通过Driver IC控制VCM供电电流的大小,来确定VCM搭载的镜头移动的距离,从而调节到适当的位置拍摄清晰图像。

衡量VCM的性能主要有以下几个指标:

1)行程,简单来说就是音圈马达在额定电流下能够跑多远;

2)灵敏度,就是电流与行程曲线之间的斜率,灵敏度越高越好;

3)磁滞,磁性物体都有保留其磁性的倾向,磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化,所以会造成音圈马达在同一电流下向上或者向下的行程产生位置差,磁滞越小越好;

4)启动电流,就是需要多大的电流来驱动 VCM,越小越好。

VCM的技术并不复杂,但由于对灵敏度的要求较高,所以生产时的精度控制是关键,这涉及到设计、材料等各个环节的改进。

正因为VCM技术难度并不高,所以全球参与VCM产业的厂商有上百家,总体上来看,这些厂家可以划分为日本、韩国、中国三大阵营。

2016年日本的音圈马达占据全球超过四成的市场份额,并掌握着全球音圈马达先进技术和制造能力,代表企业主要包括阿尔卑斯、三美、TDK等,其中阿尔卑斯和三美向苹果供应音圈马达。

韩国厂商占据全球VCM市场的超过两成份额,主要包括三星电机、磁化、Hysonic和LG-Innotek等。

2016年国产音圈马达在全球市场占据了三成以上的份额,企业数量在50家以上,主要包括新思考、比路电子、中蓝等,其中比路电子和新思考在国际市场表现较为出色。

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2.3、红外截止滤光片:镀膜工艺是关键,水晶光电实力强劲

红外截止滤光片(IR-Cut filter) 是一种允许可见光透过而截止红外光的光学滤光片。当光线进入镜头,折射后可见光和红外光会在不同靶面成像,可见光成像为彩色,红外光成像为黑白。当把可见光所成图像调试好之后,红外光会在此靶面形成虚像,影响图像的颜色和质量。

红外截止滤光片又可细分为两种,一种是反射式滤光片,另一种是吸收式滤光片。滤光片最关键的工艺是镀膜,需要保证镀膜的均匀性和一致性,镀膜又可分为真空镀膜和化学镀膜两种方式。镀膜之后基本可以滤除650nm以上波长的光,满足基本的使用需求。

以蓝玻璃为基材镀膜制成的IRCF,是采用吸收的方式过滤红外光,可过滤630nm以上波长的光,比较彻底;而以普通玻璃为基材镀膜所制成的IRCF是以反射的方式过滤掉红外光,反射光容易造成干扰,效果差于蓝玻璃IRCF。

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红外截止滤光片的主要生产厂商有欧菲光、水晶光电、田中技研、哈威特(已被奥托仑收购),欧菲光早在2002年就研发生产IRCF,此后进军触控屏及影像系统领域,IRCF增长放缓。水晶光电作为后起之秀,目前是国内龙头,同时也间接向苹果供应红外截止滤光片。


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