一文看懂生物識別濾光片產(chǎn)業(yè)鏈
作為目前主流的3D視覺技術，TOF和結構光雖然原理不同，但其所需要的核心部件基本相同，生物識別濾光片（也被稱之為“窄帶濾光片”）則是其中的一個重要組成部分。另外，對于雙目紅外立體成像技術，以及虹膜識別、靜脈識別等生物識別技術來說，生物識別濾光片也同樣是必不可少的關鍵部件。
生物識別濾光片屬于精密光電薄膜元器件之一，其主要原理是通過特殊的光學設計實現(xiàn)特定波段光源的高透射或高反射效果，幫助終端產(chǎn)品完成生物信息的提取、篩選和轉化以及3D景深信息的獲取。
中國生物識別濾光片市場規(guī)模（以銷售額計）從2015年的7.1億元增長到2019年的16.8億元，復合增長率達到34.1%。中國生物識別濾光片在下游終端采購量不斷增加等因素驅動下，預計中國生物識別濾光片行業(yè)未來五年市場規(guī)模（以銷售額計）將保持19.8%的年復合增長率增長，到2024年將達到41.3億元。
一、生物識別濾光片定義
電子設備為獲取物體的位置和景深信息，需要以特定波長的紅外光作為傳感的媒介，因此需要去除太陽光中含有的干擾頻段的紅外線，保留地表太陽光中較為薄弱的特定頻段紅外光（例如940nm）。生物識別濾光片的使用可允許上述特定頻段的紅外光通過，因此也稱為窄帶濾光片。
生物識別濾光片屬于精密光電薄膜元器件之一，其主要原理是通過特殊的光學設計實現(xiàn)特定波段光源的高透射或高反射效果，幫助終端產(chǎn)品完成生物信息的提取、篩選和轉化以及3D景深信息的獲取。
二、生物識別濾光片作用
與生物識別濾光片不同點在于，紅外截止濾光片是利用精密光學鍍膜技術在白玻璃、藍玻璃或樹脂片等光學基片上交替鍍上高低折射率的光學膜，紅外截止濾光片可實現(xiàn)可見光區(qū)（400-630nm）高透，近紅外光區(qū)（700-1,100nm）截止的光學濾光片，并通過實現(xiàn)近紅外光區(qū)截止以消除紅外光對成像的影響。
而生物識別濾光片與紅外截止濾光片的透過頻段相反，僅允許通過特定頻段紅外光（例如940nm），并通過特殊的光學設計實現(xiàn)特定波段光源的高透射或高反射效果，生物識別濾片可允許智能手機、AR/VR設備等能夠獲取特定頻段紅外光所攜帶的3D景深信息，并幫助電子產(chǎn)品完成生物信息的提取、篩選和轉化以及3D景深信息的獲取，以實現(xiàn)3D人臉識別、虹膜識別、手勢識別等生物識別功能。
三、生物識別濾光片分類及參數(shù)
生物識別濾光片是從窄帶濾光片中細分出來的，其定義與窄帶濾光片相同。因此，生物識別濾光片在特定的波段允許光信號通過，而偏離這個波段以外的兩側光信號被阻止，生物識別濾光片的通帶相對來說比較窄，一般為中心波長值的5%以下。濾光片產(chǎn)品主要按光譜波段、光譜特性、膜層材料、應用特點等方式分類。
光譜波段：紫外濾光片、可見濾光片、紅外濾光片、生物識別濾光片；
光譜特性：帶通濾光片、截止濾光片、分光濾光片、中性密度濾光片；
膜層材料：軟膜濾光片、硬膜濾光片；
帶通型：選定波段的光通過，波段外的光截止。其光學指標主要是中心波長（CWL），半帶寬（FWHM)。
短波通型：短于選定波長的光通過，長于該波長的光截止。比如紅外截止濾光片，IBG-650。
長波通型：長于選定波長的光通過，短于該波長的光截止，比如紅外透過濾光片，IPG-800。
生物識別濾光片主要相關參數(shù)有：中心波長、半高寬（帶寬）、峰值透過率、截止范圍、截止深度（OD值）等。
中心波長：生物識別濾光片的中心波長類似于儀器或設備的工作波長，中心波長是指通帶中心位置的波長；
半高寬（帶寬）：帶寬是指通帶中透過率為峰值透過率的一半的兩個位置之間的距離，有時也叫半高寬；
峰值透過率：生物識別濾光片在通帶中最高的透過率大?。?/p>
截止范圍：截止范圍是指除了通帶以外，要求截止的波長范圍。對于生物識別濾光片而言，有一段是短截止，另一段截止波長高于中心波長的一段；
截止深度（OD值）：截止深度指截止帶中允許能透過光的最大透過率大小。對不同的應用系統(tǒng)對截止深度要求不同；
用途：3D人臉識別、虹膜識別、手勢識別、機器視覺、生化分析、光學儀器、光譜測量等領域。
特點：單片式不采用膠合、使用壽命長、波長定位精確、離子蒸鍍，溫度漂移小、透過率高，截止深度高。
四、生物識別濾光片原理分析
生物特征識別技術主要通過對生物特征進行采樣，并將提取的生理特征轉換為數(shù)字編碼，進一步將這些編碼組合成數(shù)碼信息。智能產(chǎn)品常用的生物識別的特征包括手形、指紋、臉形、虹膜、視網(wǎng)膜、脈搏、耳廓等，行為特征包括簽名、聲音、按鈕強度等。因此，生物特征識別技術與傳統(tǒng)的認證技術相比具有很大的優(yōu)勢。
基于上述身體特征，下游廠商目前已研發(fā)出多種生物特征識別技術，例如手部識別、指紋識別、人臉識別、語音識別、虹膜識別、簽名識別等。生物特征識別技術可廣泛應用于政府、軍隊、銀行、社會福利機構、電子商務、安全和國防等領域。
為獲取物體的位置和景深信息，需要以波長較長的紅外光作為傳感的媒介，但由于太陽光中含有大量紅外光，會產(chǎn)生較大干擾，因此需要使用地表太陽光中較為薄弱的特定頻段紅外光（如940nm），生物識別濾光片的運用可允許上述特定頻段的紅外光通過。隨著生物識別濾光片的大規(guī)模運用，高端智能手機啟用虹膜識別、3D人臉識別、手勢識別等生物識別功能，導致智能手機對前置近紅外傳感器的需求明顯增加。
五、生物識別濾光片設計流程
生物識別濾光片是精密平面光學冷加工技術和精密光學鍍膜技術在光電成像領域的重要應用。根據(jù)產(chǎn)品屬性，IRCF的制造流程主要包劃片、研磨、拋光、清洗、鍍膜、膠合幾個過程。
具體如下：
劃片：將采購來的大片光學玻璃劃切成符合鍍膜要求的規(guī)格尺寸。國產(chǎn)化進程100%；
研磨、拋光：即對光學玻璃厚度及表面質量的加工。當玻璃的厚度大于產(chǎn)品厚度時需要研磨后再拋光；若玻璃僅表面質量達不到要求時，可直接進行拋光。國產(chǎn)化進程80% ；
超聲清洗：用超聲波清洗機對鍍膜前及自動劃片后的晶片進行超聲波清洗。國產(chǎn)化進程30% ；
鍍膜：在真空鍍膜機中，采用蒸鍍方式在晶片表面鍍上多層紅外截止膜系再對膜層的透過率曲線檢測。國產(chǎn)化進程80% ；
自動劃片：利用自動劃片機將鍍膜好的晶片劃成符合產(chǎn)品規(guī)格要求的尺寸，并在內圓切割機上將晶片加工成符合規(guī)格要求的圓片。國產(chǎn)化進程100% ；
精選包裝：清洗后的晶片經(jīng)人工精選后包裝入庫。國產(chǎn)化進程100% 。
六、生物識別濾光片技術分析
生物識別濾光片制造的關鍵產(chǎn)品技術包括膜系設計技術、精密平面光學冷加工技術、光學級超聲波清洗技術、精密光學鍍膜技術、半導體級切割技術、表面質量控制技術，其中精密平面光學冷加工技術和精密光學鍍膜技術是核心技術。
精密平面冷加工技術精密平面冷加工技術作為研究光學零件制造過程與工藝原理，且實踐性很強的應用技術，其包括最基本的制造光學零件的研磨、拋光工藝以及在光學加工過程中所采用的各種輔助工藝和光學輔料的制備工藝等。目前，該項技術已衍生出與原來工藝概念完全不相同的工藝技術，例如變折射串光學零件、聚合物光學零件、衍射光學元件的制造以及光學零件的精密超聲波清洗等。綜上所述，精密平面冷加工技術是一門涉及不同加工機理、材料學、控制學和測量學等方面的學科和技術。
精密光學鍍膜技術精密光學鍍膜技術是以薄膜光學為理論基礎的、以光學鍍膜工藝為核心的一項實踐性較強的學科和技術。研究的對象是薄膜對光的反射、透射、吸收、位相特性、偏振效應等，屬于現(xiàn)代光學不可缺少的組成部分。沒有光學薄膜配合，光學裝置將無法發(fā)揮效能。此外，光學薄膜的制備過程與真空技術、表面物理、材料科學、等離子體技術等密切相關。目前該行業(yè)基本采用熱蒸發(fā)鍍膜技術，其優(yōu)點是工藝簡單穩(wěn)定，缺點是易出現(xiàn)膜層不夠致密，導致膜層容易吸潮，進而使光譜曲線產(chǎn)生不利的變化，從而引起成像色彩的變化。要進一步提高成像品質和穩(wěn)定性，未來該細分領域技術的發(fā)展趨勢是采用離子源輔助鍍膜技術，用以提高光譜曲線的溫度穩(wěn)定性。
半導體精密切割技術：利用先進的自動化半導體精密切割設備，根據(jù)不同產(chǎn)品及不同材質，進一步簡化流程、提高切割精度和效率，形成生物識別濾光片行業(yè)中獨有的精密切割工藝，具有整體效率高、質量優(yōu)良、成本低等特點，主要特點：晶片的切割精度可達到+/-0.01mm以內；晶片最小切斷尺寸可達到1.0×1.0mm；晶片四周邊緣缺口可控制在0.03mm以內。
精密改圓技術：在石英晶片冷加工技術的基礎上，將已有的晶片改圓技術用在平面光學鏡片的改圓加工方面，通過對磨削工藝的研究，在生物識別濾光片大規(guī)模生產(chǎn)當中發(fā)揮出了這種加工技術的優(yōu)勢，具有加工成本低、效率高、合格率高、精度高等優(yōu)勢，主要特點：晶片的改圓精度可達到+/-0.01 mm以內；晶片最小改圓尺寸可達到φ1.5mm；晶片四周邊緣缺口可控制在0.05mm以內。
精密光學膠合技術該技術用于膠合玻璃的周邊，通過壓電陶瓷驅動器的驅動電壓的控制，調整玻璃表面的高度差，以實現(xiàn)被膠合玻璃與膠合玻璃之間膠合厚度的精度控制，主要特點：具有超薄大面積晶片的多層膠合技術；生物識別濾光片組合角度的偏差可做到+/-30以內；膠層內部質量可靠性可滿足1,000 小時以上的型式試驗。
潔凈技術：光學元器件產(chǎn)品的合格率很大程度上依賴于潔凈的環(huán)境和清洗技術水平。生物識別濾片均需要在凈房中完成，為保證產(chǎn)品的質量，必須不斷提高潔凈技術。目前光學超聲波清洗技術用于保證產(chǎn)品在運輸過程中的防塵問題。清潔技術著重解決和突破了以下工藝難題，主要特點：生物識別濾光片的精密清洗；高表面質量，清洗合格率99%以上；不同材質玻璃的清洗。
七、生物識別濾光片應用領域
生物識別濾光片具有高精度、高穩(wěn)定性、更耐用等特點，其主要用于實現(xiàn)智能手機、平板電腦、可穿戴設備、自動駕駛上的虹膜識別、3D人臉識別、手勢識別功、手勢識別、3D建模等一系列體感交互功能。
體感交互是通過投射特定的信息到物體表面后，由攝像頭采集反射的光信號，根據(jù)物體造成的光信號的變化來計算物體的位置和深度等信息，進而復原整個三維空間。
基于生物識別濾光片為核心硬件的體感交互越來越多地出現(xiàn)在各種消費類電子產(chǎn)品上，包括智能手機、家用游戲機、AR/VR、物聯(lián)網(wǎng)、機器人等。
2016年，三星、蘋果公司首次推出搭載虹膜識別、3D人臉識別功能的旗艦手機，確立了虹膜識別技術和3D人臉識別技術在智能手機中的應用方向。華為、OPPO、VIVO和小米等國產(chǎn)智能手機廠商紛紛布局3D人臉識別領域。
隨著高端智能手機啟用虹膜識別、3D人臉識別、手勢識別等生物識別功能，智能手機對前置近紅外傳感器的需求明顯增加，而上述功能的實現(xiàn)未來將愈加依賴于生物識別濾光片。因此，未來基于生物識別濾光片為主的新型體感交互方式是消費類電子產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢。
例如，2017年，蘋果公司發(fā)布iPhone X，采用“3D結構光”實現(xiàn)人臉識別，“3D結構光”是通過投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集反射的光信號，根據(jù)物體造成的光信號的變化來計算物體的位置和深度等信息進而復原整個三維空間。由此可見，未來智能手機的大規(guī)模運用將會保證以生物識別技術為核心的生物識別濾片已成為必然發(fā)展趨勢。
八、產(chǎn)業(yè)鏈構成及格局
生物識別濾光片行業(yè)所處細分行業(yè)價值鏈中，上游主體為原材料生產(chǎn)廠商，主要原材料包括D263T光學玻璃、藍玻璃、光學水晶和SiO2、TiO2等。
生物識別濾光片行業(yè)中游參與者為生物識別濾光片提供商和鏡頭模組廠商，生物識別濾光片提供商采用上游原、輔材料生產(chǎn)生物識別濾光片等光學光電子元器件產(chǎn)品，供應給鏡頭模組廠商，鏡頭模組廠商采用生物識別濾光片提供商生產(chǎn)的生物識別濾光片制造各類鏡頭模組，最終提供給下游終端客戶。
生物識別濾光片行業(yè)下游主體為各類終端產(chǎn)品生產(chǎn)廠商，中游的生物識別濾光片最終提供給下游生產(chǎn)消費類電子等終端產(chǎn)品。生物識別濾光片和智能手機、平板、數(shù)碼相機等下游產(chǎn)品的鏡頭組是一對一的匹配關系，未來生物識別濾光片的發(fā)展前景和市場容量同這些下游產(chǎn)品的發(fā)展趨勢密切相關。
1、產(chǎn)業(yè)鏈上游分析
生物識別濾光片行業(yè)的上游主體為原材料和輔料生產(chǎn)廠商。原材料主要包括白玻璃、藍玻璃和樹脂片等光學基材，輔料主要包括鍍膜材料、油墨材料、清洗材料等，加工設備包括在鍍膜、絲印、切割、清洗和檢測等工序中使用的設備。
生物識別濾光片行業(yè)上游主要原材料包括光學基材（D263T光學玻璃、藍玻璃、樹脂片等）、鏡座、鍍膜材料（SiO2、TiO2等）。通過對中國相關廠商進行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)生物識別濾光片行業(yè)上游原材料采購價格降低，導致成本中直接材料成本占比（近5年內）分別為60.8%、60.3%、61.1%、60.5%和59.8%。
隨著虹膜識別、3D人臉識別等技術的不斷發(fā)展，智能手機對攝像頭的要求不斷提高，生物識別濾光片的產(chǎn)銷量快速上升，藍玻璃、鏡座，以及鍍膜材料（SiO2、TiO2等）的采購量均呈快速增長趨勢。整體而言，生物識別濾光片行業(yè)上游供應商的原材料采購價格基本平穩(wěn)或呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢，因此，生物識別濾光片廠商議價能力較高，在整個產(chǎn)業(yè)鏈上游中處于有利狀態(tài)。
通過對生物識別濾光片行業(yè)上游細分結構分析可發(fā)現(xiàn)：
（1）D263T光學玻璃是一種耐高溫的硼硅酸鹽玻璃，其基板玻璃成份特殊，制造難度較高。D263T光學玻璃適用于可拍照手機用濾光片領域。目前，D263T光學玻璃的供應商有德國肖特、美國康寧、日本HOYA、日本旭硝子。D263T光學玻璃每年的耗用額占生物識別濾光片行業(yè)生產(chǎn)成本比例為9.6%；
（2）生物識別濾光片行業(yè)上游的藍玻璃供應商有日本HOYA、日本旭硝子、臺灣紅綠藍和浙江科瑞光學等。目前，中國藍玻璃市場每年的耗用額占生物識別濾光片行業(yè)生產(chǎn)成本比例為3.2%；
（3）SiO2、TiO2屬于光學鍍膜材料，歐美等膜料廠家整體質量水平比較高，適用于高端的鍍膜產(chǎn)品，價格較為昂貴。相較于歐美等廠商，中國生產(chǎn)鍍膜材料的廠商數(shù)量較多，工藝較為成熟，中國鍍膜材料市場的優(yōu)點是價格低，缺點是產(chǎn)品質量參差不齊。
目前，中國生物識別濾光片行業(yè)每種材料的合格供應商均有2-3家，暫未出現(xiàn)供求不平衡的情況。此外，2015-2019年，SiO2、TiO2的采購價格下降幅度較大，主要原因為生物識別濾光片行業(yè)采購的SiO2、TiO2規(guī)格變化，SiO2、TiO2的厚度同比減少50%。
2、產(chǎn)業(yè)鏈中游分析
生物識別濾光片行業(yè)中游為生物識別濾光片供應商和鏡頭模組廠商，生物識別濾光片供應商采用上游原、輔材料生產(chǎn)生物識別濾光片等光學光電子元器件產(chǎn)品，供應給鏡頭模組廠商，鏡頭模組廠商采用生物識別濾光片供應商生產(chǎn)的光學元件制造各類鏡頭模組，最終提供給終端產(chǎn)品廠商，生物識別濾光片行業(yè)中游細分結構中。
生物識別濾光片供應商介紹：生物識別濾光片供應商兼具技術密集、資本密集和勞動密集等特征，隨著中國光學光電子產(chǎn)業(yè)布局的逐步完善、生產(chǎn)技術的提升及上下游配套產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展，中國生物識別濾光片供應商分布與數(shù)碼成像產(chǎn)品產(chǎn)能分布相吻合，主要集中在日本、韓國、中國大陸和臺灣地區(qū)，近年來產(chǎn)能逐步向中國大陸地區(qū)轉移。目前，在生物識別濾光片領域，舜宇光學科技、歐菲科技、信利光電、水晶光電等企業(yè)布局生物識別濾光片及等模組產(chǎn)業(yè)鏈，美國的VIAV.O企業(yè)是國際主要的生物識別濾光片提供商，為蘋果的iPhone X系列供應生物識別濾光片，而五方光電和水晶光電則是中國較早從事生物識別濾光片研發(fā)、生產(chǎn)的提供商。
日系鏡頭廠商：目前市場占有率為10-15%，以富士旗下的富士能和關東美辰為代表，主要生產(chǎn)高像素鏡頭。2009年前，中國市場上日系廠商市場份額較高，2009年后，日系鏡頭廠由于擴產(chǎn)保守，市場份額逐步下降。如果大立光順利量產(chǎn)，日系和臺系的產(chǎn)能差距將進一步縮小。
臺系鏡頭廠商：目前的市場占有率為25-30%，以大立光、玉晶光、和新巨科為代表。其中，大立光主要生產(chǎn)高端鏡頭，客戶組合均勻，玉晶光以前較低像素鏡頭偏多，目前高像素鏡頭比重逐步提升，客戶集中于蘋果。2019年臺灣光學鏡頭業(yè)在全球市占率有望超過40%。
韓系鏡頭廠商：目前市場占有率高達30-35%，以達愛詩、科倫為代表，主要供應給三星、LG等韓國品牌，近期擴張也較為積極。
大陸鏡頭廠商：25-30%主要生產(chǎn)低像素鏡頭，代表廠商為水晶光電、舜宇光學、丘鈦科技、信利光電及五方光電等。光學鏡頭模組廠商受技術的發(fā)展和政策支持的影響，中系廠商產(chǎn)能及市場份額逐步擴大。
3、產(chǎn)業(yè)鏈下游分析
生物識別濾光片產(chǎn)業(yè)鏈·下游終端企業(yè)多為國際知名廠商（包括蘋果、三星、華為、OPPO、VIVO、小米等智能手機品牌廠商），下游行業(yè)集中度相對較高，且對產(chǎn)品市場了解程度比較深，議價能力較強。由于中國生產(chǎn)的生物識別濾光片的性能不輸于歐美同類產(chǎn)品，目前，下游終端國際知名企業(yè)傾向于在中國采購生物識別濾光片，此外，中國生物識別濾光片規(guī)?；a(chǎn)廠家不多，導致下游終端廠商可選擇余地有限。生物識別濾光片與下游終端產(chǎn)品之間存在一對一的匹配關系，未來生物識別濾光片行業(yè)的發(fā)展前景和市場容量同終端產(chǎn)品的發(fā)展趨勢密切相關。
下游終端產(chǎn)品對生物識別濾光片行業(yè)存在依賴性的原因大致可以分析為：（1）隨著智能手機、車載攝像、安防監(jiān)控、智能家居等行業(yè)持續(xù)高速發(fā)展，高清攝像頭的市場需求旺盛，進而極大地帶動了生物識別濾光片的市場需求。三星、蘋果分別發(fā)布了搭載虹膜識別、3D人臉識別功能的旗艦手機，確立了虹膜識別技術和3D人臉識別技術在智能手機中的應用方向。虹膜識別、3D人臉識別和AR/VR應用均離不開生物識別濾光片，未來生物識別濾光片具備廣闊的應用前景和市場空間；（2）生物識別濾光片具有不可替代性，只要有數(shù)碼影像產(chǎn)品，就會引致對CCD或CMOS的需求，間接的產(chǎn)生對生物識別濾光片的需求；（3）科技發(fā)展與市場需求也加快了生物識別濾光片在新能源、新材料、生物科技、醫(yī)學、環(huán)境科學、遙感技術等領域的廣泛應用。
生物識別濾光片作為核心部件，其價格隨著數(shù)碼相機、可拍照手機這些下游產(chǎn)品價格的持續(xù)下滑而同步降低，預計其價格下滑在未來一段時間內仍將持續(xù)。因此，生物識別濾光片提供商只有在提升品質的同時，通過縮減制程、減少材料的消耗、提升產(chǎn)品合格率、提升設備使用率和設備自動化程度等有效措施降低生產(chǎn)成本，不斷開發(fā)出高附加值的新產(chǎn)品、擴充產(chǎn)品結構，才能在市場競爭中贏得生存和持續(xù)發(fā)展。