中国光学元器件行业发展概况

程慧云,李燕兰,仲崇慧

(1.中国电子科技集团有限公司第十一研究所,北京 100015；2.中国电子科技集团有限公司,北京 100846)

1 引 言

本文所述光学元器件,主要指由光学玻璃、光学塑料、光学晶体等材料加工而成的各种球面、非球面、平面、异形的透镜、棱镜、反射镜、滤光片、光栅等起反射、折射、分光、滤光、成像、传输等作用的光学元件(或称光学零件),随着近十年通信、移动互联网、物联网、人工智能等技术快速发展,光学元器件的应用领域逐步从十年前的照相机、望远镜、投影等领域扩展到智能移动电话、机器视觉、汽车、安防、视讯会议、运动摄影摄像、VR/AR等新兴领域,光学元器件逐步由幕后走向前台,光学元器件的质量直接决定上述各类应用中光学成像的质量,重要地位日益凸显。

1953年,在光学泰斗、两院院士王大珩以及龚祖同院士等新中国第一代光学工作者的不懈努力下,新中国第一锅K8光学玻璃在中科院仪器馆(现长春光机所)研制成功,中国的光学冷加工行业从此迈上了自强不息的发展之路,随着中国改革开放和市场经济不断发展,中国的光学元器件逐步从发展初期的服务于光学望远镜、测距仪等国防仪器,发展到如今,中国已经成为全球最大的光学玻璃以及光学镜片镜头生产地和应用地,向中国乃至全球的消费电子、安防、汽车、医疗、天文、通信、工业检测、航空航天等领域源源不断的提供质美价廉的光学元器件。

2 光学元器件加工制造技术的进步

建国初期,光学元器件的制造主要依靠传统的光学冷加工,加工工艺主要依靠苏联引进的工艺及设备,自动化程度低,技术落后且效率低下。在六十年代初期,国内引进了一批德国光学加工设备,通过对德国设备的研究和探索,国产光学加工设备及工艺得到了一定程度的改进,加工效率也得到提高。七十年代,国内已经可以生产非球面透镜、物镜、薄透镜以及平面光栅、多层激光高反射膜、滤光片等[1]。到八十年代中期,国内光学加工设备的机械化和自动化程度有了明显的提升,基本实现了玻璃毛坯型料化、粗磨机械化、精磨高速化、定心磨边自动化,国内市场上开始出现了军转民的光学工厂。

改革开放以来,随着光学技术在国民经济各领域的应用不断深入,光学元器件的应用逐步由军用光学系统向工业、消费电子、医疗等领域拓展,研究和利用的光波段也逐步由可见光向紫外、红外拓展,不断拓展的应用领域对光学元器件的材质、结构、尺寸、加工精度、成像质量等方面的要求不断提高,传统的光学冷加工已经不能满足要求,于是新的光学加工技术及工艺应运而生,光学元器件的制造由传统光学研磨抛光逐步进入超精密加工时代。目前行业内广泛使用的光学元器件超精密加工技术主要有:数控单点金刚石加工技术、数控研磨抛光技术、光学透镜模压成型技术、光学塑料成型技术、计算机控制光学表面成形技术(CCOS),磁流变(MRF)抛光技术、离子束抛光(IBF)技术等,这些超精密加工技术极大提高了光学元器件的生产效率和光学性能。

超精密加工技术的核心是加工设备,由于这些新型超精密加工技术都起源于欧美等发达国家和地区,因此国内的相关设备、工艺等关键环节还处于学习和探索时期。

数控单点金刚石车削技术是一种综合性的技术,可加工不同尺寸、不同精度的平面、球面、非球面光学元件,应用前景广阔。该技术具有加工精度高、重复性好、适合批量生产、加工成本低等优点。该技术中的关键设备为金刚石车床,主要生产厂家是美国的莫尔精密机床公司和普奈莫精密公司以及日本东芝机械公司等。

光学透镜模压成型技术是一项革命性的高精度光学元件加工技术,涉及的关键技术有原材料的选择、成型方法、模具材料与模具制造等。美国的柯达、康宁公司,日本的大原、保谷、欧林巴斯、松下公司,德国的蔡司公司和荷兰的菲利浦公司等是该项技术的领先者。

光学塑料成型技术是使用光学塑料来制造塑料非球面光学零件的先进技术,主要分为注射成型、铸造成型和压制成型等方法。随着塑料光学元件在智能手机、智能安防、AR、VR等新兴领域的应用,该项技术越来越受到重视,国内的舜宇光学、联创电子、瑞声科技等企业已经掌握相关技术并规模生产,但该技术涉及的光学塑料制备、成型设备制造等关键环节,技术主动权还把握在日本、德国的企业手中。

随着下游IT、消费电子、半导体、天文、遥感、航空航天等领域的发展,通过光学透镜来调节和控制光束的传统光学理念遇到了物理规则限制的瓶颈,传统光学已经无法满足下游应用对光学元件集成化、小型化等方面的要求,需要科研人员从不同的角度和纬度来研究出一种更好的控制光束的方法。在光学学术界和科研界不懈的努力下,通过在光学材料中引入微纳光学结构来制作新型光学元件的技术应用而生,微纳光学元件可对入射光的振幅、相位、偏振等参数实现较为灵活的调控,正好补充了传统光学元件在这些方面的不足,极大的丰富了光学元件的应用领域。随着电铸技术(LIGA)、电子束加工技术等纳米级加工技术的发展,微纳光学元件的微结构尺寸已经从微米发展至纳米量级,衍生出光学超晶格、量子阱、超透镜(metalens)等技术,尤以2016年被Science评为年度最佳发现之一的超透镜技术,在未来的便携式消费电子、ARVR等领域前景最为广阔。

光学元器件行业相应的形成了一大一小两个热点领域,供应智能手机、照相摄像、投影、光通讯等领域的光学元器件逐步小型化,形成了以手机镜头以及衍射光学元件(Diffractive Optical Element,简称DOE)为代表的、产业规模很大的微光学产业；而航空航天、遥感、天文等领域要求高质量的大尺寸、大平面、大镜面的光学元器件[2],形成大型玻璃平面、大透镜和大型非球面镜为代表的大尺寸光学产业。

3 中国光学元器件行业规模

随着新一代信息技术的蓬勃发展,智能化和数字化成为不可逆转的潮流,视频及图像等成像信息将成为未来最重要的数据来源。由光学材料加工而成的各种球面、非球面、平面、异形的透镜、棱镜、反射镜、滤光片、光栅等起反射、成像、分光、滤光、传输等作用的光学元件(或称光学零件) 是实现成像和传像的基础；光学镜头及模组则是成像和传像的核心,是各下游应用领域的“眼睛”,重要地位日益凸显。

在这样的发展趋势下,中国的光学元件市场近十年取得蓬勃发展,市场规模扩大了10倍以上,详见图1。据中国光学光电子行业协会的不完全统计,2020年度中国境内的光学市场规模达到1600亿元人民币,其中上游光学材料市场规模30亿元左右,中游光学元器件市场规模1400亿元,同比增长8%。下游光学仪器市场规模为170亿元。对比十年前,中国的光学市场规模不足百亿,十年内中国的光学市场规模扩大了近30倍,主要得益于以智能手机为主的消费电子爆发式增长、照相机、投影仪、安防监控设备等的快速普及,以及车载镜头、机器视觉等应用的持续拓展。

图1 2011-2020年中国光学元器件行业市场规模增长示意图Fig.1 Schematic diagram of China optics market′s scale growth in 2011-2020

从光学元器件的主要应用领域来看,近十年也发生了深刻的变化。在智能手机普及之前,中国的光学企业主要为日本、欧美等地的各类便携式、专业级照相机和投影仪器供应光学镜片镜头,同时光学望远镜、光学显微镜、天文仪器等也是比较重要的下游市场。其时中国不足百亿元人民币的市场规模中,照相投影方向的市场规模超过60 %。

十年内,光学元器件的下游应用领域发生了较大的改变,随着智能手机的爆发式发展和普及,智能手机用光学元件及镜头市场逐步成为整个光学领域技术革新最快、商业规模最大的领域,智能手机的快速普及不断挤压照相机的市场空间,据日本相机映像机器工业会(CIPA)发布数据,2020年全球数码相机出货量为888万台,比2019年减少42 %。全球相机的销量已经连续下滑近12年。到2020年,智能手机用光学元件及镜头占据整个光学市场份额超过70 %,其次为安防监控镜头、车载镜头、机器视觉镜头等领域。

4 光学元器件在不同应用领域的发展概况

在智能手机、安防监控等应用领域旺盛的需求带动下,中国的光学元器件近十年发展迅速。技术水平不断突破,国内光学企事业逐步掌握了多种光学元器件的原材料制备、光学设计、加工以及镀膜等关键技术,已经可以大批量向全球供应高品质的光学镜片、镜头及模组,国产照相机、智能手机、投影仪等用光学元件的产品质量已经达到国际先进水平。

市场规模方面,按照中国光学光电子行业协会不完全统计,2020年度中国境内智能手机用光学元件及镜头模组的产业规模达到1100亿元人民币,占中游光学元器件市场规模的80%以上；2020年度安防监控用元件及镜头产销量保持小幅增长,对应的产业规模达到60亿元；智能化、电气化逐步成为汽车产业发展的共识,车载镜头逐渐成为汽车智能化过程中使用最多的传感器之一,2020年国内车载镜头产销量继续保持增长态势,对应的产业规模约为40亿元；其余领域如照相、投影、医疗、通信、机器视觉、天文、航天等领域的需求总体保持稳定,对应的光学元器件产业规模约为100亿元。光学元件在主要下游应用领域的市场规模如图2所示。

图2 光学元器件在不同应用领域的规模示意图Fig.2 Schematic diagram of China optics′ different application fields

以2020年度中国境内的光学元器件部分上市光学企事业单位的营收情况为例,可以看到光学元器件市场的马太效应在近十年显著增强,见表1。从数据可以看出,舜宇光学、欧菲光等营收靠前的企业搭上了近十年智能手机市场快速发展的快车,企业的营业收入在十年内增长10倍以上,同时也造成了手机镜头及模组领域几大龙头企业割据的局面；宇瞳光学、福光股份等以安防镜头为主业的企业其营业收入在近十年内也大幅增长,这几家企业也占据了安防镜头的龙头地位,只是安防镜头整体规模较手机镜头及模组的规模小很多。多重因素影响下2020年手机镜头企业营业收入涨跌不一,显示行业内竞争加剧；而以中光学、蓝特光学、腾景科技等为代表的投影、光通信、激光用元件类企业获得30%的增长；以宇瞳光学、凤凰光学等为代表的安防监控用元件类企业也获得不错的业绩增长。

表1 2020年度国内上市光学企业营收表现Tab.1 The Performance of China listed optical companies in 2020

4.1 手机镜头及模组领域

2010年至2011年,智能手机市场在经过多年的技术积累后,液晶触控面板、移动通信芯片、光学塑料镜头、操作系统等零部件及配套的供应链日趋成熟,智能手机市场开始了持续十年的快速发展。智能手机集触摸显示、成像、通信等多种技术于一身,多种技术及功能协同发展,相互促进,在此背景下,手机用光学镜头的制造技术、成像质量等得到了极大的飞跃。

手机镜头及模组属于新型的光学元器件,制造技术及工艺制造自成体系,既继承了传统光学加工技术又汲取了半导体器件的制造工艺,塑料镜片制造、镜头组装是手机镜头的关键环节。手机镜头的制造流程为:高透明度的光学塑料经设计、注塑成型、镀膜后,经组装工艺将镜片、隔片、压圈等部品装配,再进行固定及外观、性能检验等工序完成镜头组装,组装后的镜头与图像处理器、马达、滤光片、PCB板等零部件经封装流程制成手机镜头模组。

十年内,手机镜头的成像质量实现了飞跃式发展,从开始的百万像素发展到如今的千万像素；从定焦、标准镜头发展到变焦、超广角镜头；从集成单个镜头的传统光学成像发展到集成四个以上摄像头的计算光学成像；且镜头的功能也从二维成像扩展到具备生物识别、人机交互、AR/VR 体验等功能的三维成像和传感。

经历十年的快速发展后,全球及国内的智能手机市场在2020年迎来拐点,据中国信息通信研究院数据显示,2020年国内手机市场总体出货量累计3.08亿部,同比大幅下降20.8%。另据Canalys数据显示,2020年度全球智能手机出货量约为12亿部,同比下降7.5%。智能手机市场进入存量竞争时代。这使得智能手机厂家不断通过提升摄像头的性能来吸引消费者关注,更高像素、光学变焦、多摄像头、3D传感、屏下摄像等新功能将成为主要厂家竞争的主战场,相应的手机镜头及模组市场也将进入低增长、高竞争时代。

进入新的竞争时期后,手机镜头及模组市场集中度进一步提高,除部分日韩企业外,中国企业占据了手机镜头及模组的绝大部分市场份额,舜宇光学、台湾大立光、欧菲光、丘钛科技、高伟电子、信利国际、合力泰、富士康等企业组成手机镜头及模组第一梯队,第一梯队占据了90%的市场份额。

手机镜头模组中最重要也是成本占比最高的的部件--图像传感器方面,索尼、三星的市场份额继续稳居前二,国内相关企业经过多年技术积累和整合并购,市场份额逐步提升,与索尼、三星在高中低端展开了市场竞争。如韦尔股份在2019年成功收购了两个影像传感器CIS设计公司豪威(全球CIS第三大供应商)和思比科,市场份额升至全球第三；格科微电子从低像素起步,经过持续的自主研发与战略合作,逐步做到了国内中低像素类图像传感器芯片市场占有率前列,并向高像素传感器方向发力。

目前中国已经是世界上产能最大、最重要的手机镜头及模组供应国,市场规模占全球的50%以上,但是手机用塑料镜片材料、仿真软件、加工检测设备等核心技术及设备还是来自日本、欧洲等地,产业发展头重脚轻,从健全产业链的角度亟需扶持国产光学材料及设备。

4.2 安防监控镜头领域

安防监控是光学元器件中光学镜头的第二大应用领域,技术起源于最早的照相机镜头,因此德国、日本等传统照相镜头技术强国也是目前安防监控镜头领域的强者。在智慧城市、平安城市、智慧社区等国家重点项目及相关政策的带动下,国内安防视频监控行业也得到了快速发展。安防监控依赖光学镜头提供实时高清的图像和视频数据以实现准确分析,光学变焦、大倍率、大广角、小型轻量化等技术在安防监控镜头中逐步得到使用。

依托国内庞大的市场,经多年发展中国已成为全球最大的安防镜头市场,但日本及韩国产的光学镜头依旧占据了安防监控中高端市场的大部分份额,国产镜头主要以中低端市场为主。依靠原材料和劳动力等方面的成本优势,国产安防镜头逐步受到许多国内外安防摄像机生产厂商的欢迎和青睐。目前宇瞳光学、联合光电、舜宇光学、福光股份、凤凰光学、福特科等龙头企业占据大部分市场份额,且中国企业的技术水平不断提高,已经从原先的定焦、低像素安防镜头逐步转向高分辨率变焦安防镜头,与腾龙、富士能、富士龙等国际知名企业展开市场竞争。但是国内安防镜头市场中,定焦镜头仍是主力,出货量占比65 %左右,不过变焦镜头的出货量增长迅速,占比逐年提升。

顺应智能化、数字化的发展趋势,安防监控市场对安防监控用镜头的要求趋向于变焦、高清、智能识别、高速实时传输(5G)等多元化、多样化指标。

4.3 车载光学镜头领域

光学镜头在汽车领域主要应用于汽车的内视镜头、后视镜头、前视镜头、侧视镜头、环视镜头等,起成像和感应的作用。车载光学镜头的制造在20世纪基本由日韩及其在华合资企业为主,进入21世纪后,中国的汽车工业快速发展的带动下,国产车载光学镜头开始崭露头角,以舜宇光学为代表,舜宇光学在2004年接到第一份车载镜头订单,由于没有经验,在研发、生产过程中不断试错,付出了巨大的努力,最终顺利完成第一份车载镜头订单。经过多年的摸索、学习,中国企业在车载镜头市场的份额占比已经超过50 %,市场份额最高的是台湾的大立光,其次是舜宇光学,舜宇光学2020年车载镜头出货量达到5618万件,同比增长12 %。国内竞争力较强的车载镜头企业还有欧菲光、联创电子、联合光电等。

车载光学镜头的制造流程与手机镜头类似,由于车规级产品需要应对各种恶劣环境的考验,车载镜头需要满足很多环境实验的要求,如高低温冲击实验、耐腐蚀实验、耐振动试验、防水实验、耐盐雾实验、耐擦拭实验、紫外线照射试验等,因此车载镜头的材料、设计以及组装等方面的要求较手机镜头及其他领域的应用更高更严格。

当下以电动汽车为主的新能源汽车正在掀起一场汽车行业的变革,新能源汽车更具智能化,且都以自动驾驶作为卖点。要实现自动驾驶,一般需要在每辆车上搭载8颗及以上的光学镜头,车载镜头逐步从后视向侧视、环视、前视、内视等多个方位拓展。车载光学镜头与超声波雷达、激光雷达、红外传感器等传感器构成了汽车ADAS(高级自动驾驶)系统感知层。

长期来看新能源汽车的蓬勃发展将带动车载镜头市场持续走强。车载光学镜头随着新能源汽车的快速发展,市场处在快速增长期。

4.4 投影光学元件领域

投影与照相,是中国光学企业最早涉足的应用领域,在投影仪和照相机市场最活跃的时期,其中的投影用光学镜片基本由中国光学企业供应。投影用光学镜头的使用场景与照相用镜头有较大不同,照相一般是光从外向内透过,而投影是光线从投影仪内部通过镜头向外部透过,因此投影用镜头的X材料选择、设计、镀膜和组装要更多的考虑散热和耐热性能。

近几年来,家用、高清、便携、智能互联等概念带动了投影市场的增长,家用投影依靠高清、便携、智能互联、大画面、护眼等优势获得消费者的青睐,家用投影市场持续火热。其中最具代表性的是采用新光源的智能投影产品,如激光投影电视和LED光源智能投影机,以海信、三星、长虹、小米、光峰科技、极米等品牌为主,在疫情影响下的2020年,中国的激光电视销量依然保持了大幅增长。

据IDC数据,2020年中国投影设备出货量417万台,其中家用娱乐300万台,占比为72 %。家用投影逐步成为投影设备的主战场。这一趋势带动了国产投影品牌对海外品牌的反超,2020年中国投影市场份额排名前五的品牌分别为:极米、坚果、爱普森、明基、小米,同时,市场份额呈现向头部品牌集中的趋势。国内投影光学元件技术力量较强、产能较大的企业有中光学集团、凤凰光学、宇迪光学、科汀光学等。

4.5 运动摄像、AR/VR、机器视觉等其他应用领域

随着移动互联网、物联网、人工智能等技术快速发展,光学元器件的应用领域进一步向更多领域扩展,除上述应用外,机器视觉、智能家居、视讯会议、运动摄影摄像、VR/AR 、无人机、3D感知、计算机视觉等热门应用领域层出不穷,为光学元器件行业的持续发展注入了新的动力。

传统的光学透镜通过光学材料的厚度变化来调节入射光相位实现聚焦,组装后的镜头无法继续实现小型化,也难以满足新兴的应用领域对光学元件大规模集成、器件小型化、功能多样化等方面的要求。

在VR/AR的头戴显示以及超短焦投影等应用领域,迫切需要大视场(FOV)、大数值孔径、高分辨率的成像系统,但由于光学不变量的限制,同时实现大视场、大数值孔径和高分辨率在技术上几乎难以实现。随着超精密加工技术和精密模压注塑成型技术快速发展,研究人员采用光学自由曲面和光波导来进行光学元器件的设计与制造,很大程度上缩短了光学系统的光路,使得光学系统在保证成像质量的前提下尺寸变小,极大提高了光学制造的自由度和灵活性。但是新兴的应用领域需要光学元器件尽可能的尺寸小且性能强大,于是研究人员想到了利用人工设计结构来制作一种复合材料,具有超过天然材料的物理特性,再利用这种材料来制作新型光学元件,这种新型的光学元件可以实现对入射光的振幅、相位、偏振等进行的灵活调控,具有强大的光场操控能力。这种人工材料一般被成为超材料(英文:Metamaterial),依此制成的光学元件一般称为超透镜(英文:metalens)。利用超材料按照一定方式进行排列制成微米、纳米级的二维平面透镜结构,将可见光聚焦到同一个点,并达到很高的分辨率。这在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面具有广阔的应用前景。超透镜不仅突破了传统光学透镜的电磁属性,其二维平面结构更易于加工和集成,为光学透镜的小型化与集成化提供解决方案。

超透镜的优点是轻薄(纳米级)和小型化,功能远超越传统透镜,缺点是制备和检测的难度非常高,其制造流程类似半导体芯片,业界普遍认为超透镜有望彻底颠覆传统光学装置中笨重繁琐的透镜组,使手机镜头、智能眼镜、虚拟现实和增强现实等领域的光学元器件变得非常轻薄。超透镜最早由哈佛大学应用物理系教授 Federico Capasso 及其在佛大学约翰·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)的科研小组开发,目前已经成为国际上最前沿的光学技术之一,众多科研院所都在开展超透镜的研发,积极探索超透镜的制备和在各领域的应用,国内也有西安光机所、南京大学、中山大学等院所积极开展超透镜研究,目前超透镜是光学行业备受瞩目的微纳光学前沿,还停留在实验室阶段,距离商用还有很长的路要走。

回到市场方面,机器视觉、智能家居、视讯会议、运动摄影摄像、无人机、3D感知等领域已经初步商业化,对光学元器件的需求处于上升阶段；而AR、VR、计算机视觉等新兴应用还处在市场化前夜,对光学元件的需求量很小,但对其性能指标较高且随时在更新。除了这些新兴的应用领域,光学元器件在传统的领域如照相、医疗、航空航天、仪器仪表、天文等领域的对光学元器件的需求主要表现在性能指标的不断提高上,市场规模已趋于稳定。

5 结 论

十年间,光学元器件从最初的照相摄像逐步渗透至各行各业,如消费电子、移动互联网、物联网、智慧城市、生物识别等,这些新兴行业发展迅速,大量需要高性能的小型化、集成化、高清化、智能化的光学元件,这对光学材料及元件提出了更高的要求,传统的光学玻璃冷加工已经不能完全达到要求,这样的需求催生了晶圆级光学元件(wafer level optics,WLO ),即用半导体工艺批量复制加工光学元件,但受限于高性能制造设备,目前晶圆级光学元件仍处于研发阶段。

今后光学行业与机电、半导体等行业的跨界融合将越来越紧密,将来,光学塑料元件及晶圆级光学元件极有可能成为需求热点,成为新兴行业所依赖的核心成像元件；而光学玻璃的需求将会保持稳定或者逐年减少,以在数码照相摄像、投影、天文、科研、航空航天、国防军事等高端领域应用为主。

综上,可以看到光学元件及镜头作为新一代信息系统最前端的光电感知核心器件,已经成为信息化世界的“眼睛”,正随着新一代信息技术的推广而深入应用到社会的各个领域且成为基础性元器件。

疫情在一定程度上加速了全球科技持续向智能化、数字化方向迈进的步伐,如智能穿戴、智能零售、智能远程视讯、智能汽车等新兴领域快速发展,以高速通讯、人工智能、超高清、自动驾驶等为代表的应用逐步取得进展并商业化,对光学元器件持续保持旺盛的需求,同时对光学元件的性能指标的要求也在不断提高。高透过率、超高清、AI识别、大口径小尺寸、小型轻量化、高度集成、成像传感融合等将成为今后光学元器件发展的关键词。