Полный обзор индустрии биометрических фильтров
2026-01-23
Будучи основными технологиями 3D-зрения, TOF (Time of Flight — времяпролетная технология) и структурный свет (Structured Light), несмотря на различия в принципах работы, требуют практически идентичных ключевых компонентов. Биометрический фильтр (также называемый «узкополосным фильтром») является одной из важнейших составляющих этих систем. Кроме того, для технологий бинокулярного инфракрасного стереозрения, а также для распознавания радужной оболочки глаза, рисунка вен и других биометрических технологий, биометрические фильтры также являются незаменимыми ключевыми компонентами.
Биометрические фильтры относятся к классу прецизионных оптоэлектронных тонкопленочных компонентов. Их основной принцип заключается в использовании специальной оптической конструкции для достижения высокого пропускания или высокого отражения источников света в определенном диапазоне длин волн, что помогает конечным продуктам выполнять извлечение, фильтрацию и преобразование биометрической информации, а также получение информации о 3D-глубине.
Объем рынка биометрических фильтров в Китае (в денежном выражении) вырос с 7.1 млрд юаней в 2015 году до 16.8 млрд юаней в 2019 году, при этом совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) составил 34.1%. Под влиянием таких факторов, как постоянное увеличение объемов закупок конечными потребителями, ожидается, что в следующие пять лет объем рынка биометрических фильтров в Китае (в денежном выражении) будет поддерживать среднегодовой темп роста на уровне 19.8% и к 2024 году достигнет 41.3 млрд юаней.
I. Определение биометрического фильтра
Электронным устройствам для получения информации о положении объекта и глубине резкости требуется инфракрасный свет определенной длины волны в качестве сенсорной среды. Поэтому необходимо отфильтровать инфракрасные лучи, содержащиеся в солнечном свете и создающие помехи, сохранив при этом относительно слабый инфракрасный свет определенного диапазона (например, 940 nm), присутствующий в наземном солнечном спектре. Использование биометрических фильтров позволяет проходить инфракрасному свету только указанного диапазона, поэтому их также называют узкополосными фильтрами.
Биометрический фильтр является прецизионным оптоэлектронным тонкопленочным компонентом. Его принцип работы основан на специальном оптическом дизайне, обеспечивающем высокое пропускание или отражение для заданного спектрального диапазона, что критически важно для извлечения биометрических данных и построения 3D-карт глубины.
II. Функция биометрического фильтра
Отличие от ИК-отсекающих фильтров (IR-cut filter): ИК-отсекающие фильтры используют технологию прецизионного оптического напыления на оптические подложки (белое стекло, синее стекло или полимерные пластины) с чередованием слоев с высоким и низким показателем преломления. ИК-отсекающий фильтр реализует высокое пропускание в видимой области (400–630 nm) и отсечку в ближней инфракрасной области (700–1,100 nm), устраняя влияние инфракрасного света на формирование изображения.
В то время как биометрические фильтры имеют полосу пропускания, противоположную ИК-отсекающим фильтрам. Они пропускают только инфракрасный свет определенного диапазона (например, 940 nm). Благодаря специальному оптическому дизайну, обеспечивающему высокое пропускание целевой волны, биометрические фильтры позволяют смартфонам, устройствам AR/VR и другой электронике получать информацию о 3D-глубине, переносимую ИК-светом. Это помогает выполнять извлечение и обработку биометрической информации для реализации функций 3D-распознавания лиц, распознавания радужной оболочки глаза, распознавания жестов и т.д.
III. Классификация и параметры биометрических фильтров
Биометрические фильтры являются подкатегорией узкополосных фильтров, и их определение совпадает с определением узкополосных фильтров. Они пропускают оптический сигнал в определенном диапазоне, блокируя сигналы по обе стороны от этого диапазона. Полоса пропускания биометрических фильтров относительно узкая, обычно составляя менее 5% от значения центральной длины волны. Продукция классифицируется по спектральному диапазону, спектральным характеристикам, материалам пленки и особенностям применения.
Спектральный диапазон: Ультрафиолетовые фильтры, фильтры видимого диапазона, инфракрасные фильтры, биометрические фильтры.
Спектральные характеристики: Полосовые фильтры (Bandpass), отсекающие фильтры (Cut-off), разделительные фильтры (Dichroic), нейтральные фильтры (ND).
Материал пленки: Мягкое покрытие, твердое покрытие.
Полосовой тип (Bandpass): Свет выбранного диапазона проходит, свет вне диапазона блокируется. Основные оптические показатели: центральная длина волны (CWL) и ширина на полувысоте (FWHM).
Коротковолновой пропускающий тип (Short-pass): Пропускает свет короче выбранной длины волны, блокирует длинные волны. Например, ИК-отсекающий фильтр IBG-650.
Длинноволновой пропускающий тип (Long-pass): Пропускает свет длиннее выбранной длины волны, блокирует короткие волны. Например, ИК-пропускающий фильтр IPG-800.
Основные параметры биометрических фильтров:
Центральная длина волны (CWL): Аналогична рабочей длине волны прибора. Это длина волны в центре полосы пропускания.
Ширина на полувысоте (Bandwidth/FWHM): Расстояние между двумя точками в полосе пропускания, где коэффициент пропускания составляет половину от пикового значения.
Пиковое пропускание: Максимальное значение коэффициента пропускания в полосе пропускания.
Диапазон отсечки (Cut-off range): Диапазон длин волн за пределами полосы пропускания, который должен быть заблокирован. Для биометрических фильтров это включает как коротковолновую, так и длинноволновую области блокировки относительно центральной длины волны.
Глубина отсечки (значение OD): Максимальный коэффициент пропускания света в зоне блокировки (оптическая плотность). Разные системы предъявляют разные требования к глубине отсечки.
Назначение: 3D-распознавание лиц, распознавание радужной оболочки, распознавание жестов, машинное зрение, биохимический анализ, оптические приборы, спектральные измерения и т.д.
Особенности: Монолитная конструкция без склейки, длительный срок службы, точное позиционирование длины волны, ионное напыление, малый температурный дрейф, высокое пропускание, высокая глубина отсечки.
IV. Анализ принципа работы биометрических фильтров
Технология биометрической идентификации в основном осуществляет сэмплирование биологических характеристик, преобразует извлеченные физиологические характеристики в цифровые коды и далее объединяет эти коды в цифровую информацию. Интеллектуальные продукты обычно используют такие биологические характеристики, как форма руки, отпечатки пальцев, форма лица, радужная оболочка глаза, сетчатка, пульс, ушная раковина, а также поведенческие характеристики, включая подпись, голос, силу нажатия кнопок и т.д. Поэтому технологии биометрической идентификации имеют огромные преимущества по сравнению с традиционными методами аутентификации.
На основе вышеуказанных физических характеристик производители разработали различные технологии биометрической идентификации, такие как распознавание вен ладони, отпечатков пальцев, лица, голоса, радужной оболочки, подписи. Эти технологии широко применяются в правительственных учреждениях, армии, банках, органах социального обеспечения, электронной коммерции, сфере безопасности и обороны.
Для получения информации о положении объекта и глубине резкости требуется использование длинноволнового инфракрасного света в качестве сенсорной среды. Однако, поскольку солнечный свет содержит большое количество инфракрасного излучения, создающего сильные помехи, необходимо использовать специфический диапазон ИК-света (например, 940 nm), который относительно слаб в наземном солнечном спектре. Использование биометрических фильтров позволяет пропускать именно этот специфический диапазон. С масштабным внедрением биометрических фильтров смартфоны высокого класса начали использовать функции распознавания радужной оболочки, 3D-распознавания лиц и жестов, что привело к значительному росту спроса на фронтальные датчики ближнего инфракрасного диапазона.
V. Процесс проектирования биометрических фильтров
Производство биометрических фильтров является важным применением технологий прецизионной холодной обработки плоской оптики и прецизионного оптического напыления в области оптоэлектронной визуализации. Исходя из свойств продукта, процесс производства IRCF (инфракрасных отсекающих фильтров) в основном включает в себя резку (скрайбирование), шлифовку, полировку, очистку, напыление и склейку.
Подробности процесса:
Резка (Скрайбирование): Приобретенные большие листы оптического стекла нарезаются на размеры, соответствующие требованиям для напыления. Уровень локализации производства в Китае составляет 100%.
Шлифовка и полировка: Обработка толщины и качества поверхности оптического стекла. Если толщина стекла превышает требуемую, его необходимо сначала отшлифовать, а затем отполировать; если только качество поверхности не соответствует требованиям, можно проводить сразу полировку. Уровень локализации — 80%.
Ультразвуковая очистка: Очистка пластин перед напылением и после автоматической резки с использованием ультразвуковых моечных машин. Уровень локализации — 30%.
Напыление (Вакуумное покрытие): В вакуумной установке методом испарения на поверхность пластины наносится многослойная система пленок, отсекающих ИК-излучение, с последующим контролем кривой пропускания. Уровень локализации — 80%.
Автоматическая резка: Использование автоматических станков для нарезки пластин с покрытием на размеры, соответствующие спецификации продукта, и последующая обработка пластин на станках внутренней резки (inner diameter saw) для придания им круглой формы согласно требованиям. Уровень локализации — 100%.
Сортировка и упаковка: Очищенные пластины проходят ручную сортировку и упаковываются для отправки на склад. Уровень локализации — 100%.
VI. Технический анализ биометрических фильтров
Ключевые производственные технологии для биометрических фильтров включают технологию проектирования пленочных систем, технологию прецизионной холодной обработки плоской оптики, технологию ультразвуковой очистки оптического класса, технологию прецизионного оптического напыления, технологию резки полупроводникового уровня и технологию контроля качества поверхности. Среди них технологии прецизионной холодной обработки и прецизионного напыления являются ключевыми.
Технология прецизионной холодной обработки плоской оптики:
Это прикладная технология с высокой практической значимостью, изучающая процессы и принципы изготовления оптических деталей. Она включает в себя базовые процессы шлифовки и полировки, а также различные вспомогательные процессы и подготовку оптических материалов. В настоящее время эта технология породила совершенно новые методы, такие как изготовление градиентных оптических деталей (GRIN), полимерной оптики, дифракционных оптических элементов (DOE) и прецизионную ультразвуковую очистку. Таким образом, это междисциплинарная область, затрагивающая механику обработки, материаловедение, теорию управления и метрологию.
Технология прецизионного оптического напыления:
Основанная на теории тонкопленочной оптики и сфокусированная на процессах напыления, эта технология изучает отражение, пропускание, поглощение, фазовые характеристики и поляризационные эффекты тонких пленок. Без оптических пленок оптические устройства не могут эффективно работать. Процесс изготовления тесно связан с вакуумной техникой, физикой поверхности, материаловедением и плазменными технологиями. В настоящее время в отрасли в основном используется технология термического испарения. Её преимущество — простота и стабильность процесса, недостаток — недостаточная плотность пленки, что приводит к влагопоглощению, нежелательным сдвигам спектральной кривой и изменению цветопередачи. Будущий тренд развития для повышения качества и стабильности — внедрение технологии ионно-ассистированного осаждения (IAD) для улучшения температурной стабильности спектральных характеристик.
Технология прецизионной резки полупроводникового уровня:
Использование передового автоматизированного оборудования для резки позволяет упростить процессы и повысить точность и эффективность для различных продуктов и материалов. Ключевые особенности: точность резки до +/-0.01 мм; минимальный размер чипа 1.0×1.0 мм; сколы по краям в пределах 0.03 мм.
Технология прецизионного скругления (Edging):
На основе технологий холодной обработки кварцевых пластин была разработана технология скругления плоских оптических линз. Исследования процессов шлифования позволили использовать преимущества этой технологии в массовом производстве биометрических фильтров: низкая стоимость, высокая эффективность, высокий выход годных изделий и высокая точность. Ключевые особенности: точность скругления до +/-0.01 мм; минимальный диаметр φ1.5 мм; сколы по краям в пределах 0.05 мм.
Технология прецизионной оптической склейки:
Используется для склеивания периферии стекол. С помощью пьезокерамических приводов контролируется напряжение для регулировки высоты поверхности стекла, обеспечивая точный контроль толщины клеевого слоя. Ключевые особенности: технология многослойной склейки сверхтонких пластин большой площади; отклонение угла сборки в пределах +/-30 (единицы не указаны, вероятно, угловых минут/секунд); надежность клеевого слоя подтверждена испытаниями продолжительностью более 1000 часов.
Технологии чистых помещений:
Выход годной продукции в оптике сильно зависит от чистоты среды и технологий очистки. Производство биометрических фильтров должно осуществляться в чистых помещениях. В настоящее время технологии оптической ультразвуковой очистки решают проблемы запыления при транспортировке. Технология очистки решает следующие задачи: прецизионная очистка биометрических фильтров; высокое качество поверхности с выходом годных более 99%; очистка стекол из различных материалов.
VII. Области применения биометрических фильтров
Биометрические фильтры отличаются высокой точностью, стабильностью и долговечностью. Они в основном используются для реализации функций распознавания радужной оболочки, 3D-распознавания лиц, распознавания жестов и 3D-моделирования в смартфонах, планшетах, носимых устройствах и системах автономного вождения.
Соматосенсорное (жестовое) взаимодействие осуществляется путем проецирования определенной информации на поверхность объекта, сбора отраженных световых сигналов камерой и вычисления положения и глубины объекта на основе изменений сигнала для восстановления трехмерного пространства.
Интерактивные системы на основе биометрических фильтров все чаще появляются в потребительской электронике, включая смартфоны, игровые консоли, AR/VR, IoT и робототехнику.
В 2016 году Samsung и Apple впервые выпустили флагманские смартфоны с функциями распознавания радужной оболочки и 3D-распознавания лиц, определив направление применения этих технологий. Китайские производители, такие как Huawei, OPPO, VIVO и Xiaomi, также начали активно развивать направление 3D-распознавания лиц.
С внедрением этих функций в смартфоны высокого класса значительно вырос спрос на фронтальные датчики ближнего инфракрасного диапазона (NIR), работа которых в будущем будет все больше зависеть от биометрических фильтров. Таким образом, новые методы взаимодействия, основанные на биометрических фильтрах, станут неизбежным трендом развития потребительской электроники.
Например, в 2017 году Apple выпустила iPhone X с технологией «3D-структурированного света» для Face ID. Эта технология проецирует световую информацию на объект, камера собирает отраженный сигнал, и на основе изменений сигнала вычисляется глубина и положение для 3D-реконструкции. Это подтверждает, что массовое использование смартфонов сделает биометрические фильтры ключевым компонентом будущего развития.
VIII. Структура и ландшафт производственной цепочки
В цепочке создания стоимости индустрии биометрических фильтров:
Upstream (Верхний уровень): Производители сырья. Основные материалы включают оптическое стекло D263T, синее стекло, оптический кварц, а также SiO2, TiO2 и др.
Midstream (Средний уровень): Поставщики биометрических фильтров и производители объективных модулей. Поставщики фильтров используют сырье для производства оптических компонентов и поставляют их производителям модулей, которые, в свою очередь, собирают объективы для конечных клиентов.
Downstream (Нижний уровень): Производители конечных продуктов (смартфоны, планшеты, камеры). Существует отношение «один к одному» между биометрическими фильтрами и объективными модулями конечных устройств, поэтому перспективы рынка фильтров тесно связаны с трендами развития этих устройств.
1.Анализ верхнего уровня (Upstream)
Субъектами являются производители сырья и вспомогательных материалов. Сырье: оптические подложки (D263T, синее стекло, полимеры), держатели линз, материалы для напыления (SiO2, TiO2). Вспомогательные материалы: чернила, чистящие средства. Оборудование: для напыления, трафаретной печати, резки, очистки и контроля.
Анализ данных по китайским производителям показывает снижение закупочных цен на сырье, что привело к доле прямых материальных затрат в себестоимости на уровне 60.8%, 60.3%, 61.1%, 60.5% и 59.8% за последние 5 лет соответственно.
С развитием технологий распознавания радужной оболочки и 3D-распознавания лиц требования к камерам смартфонов растут, что ведет к быстрому росту производства и продаж биометрических фильтров, а также закупок синего стекла, держателей и материалов покрытия. В целом, цены на сырье остаются стабильными или снижаются, что дает производителям фильтров высокую переговорную силу и выгодное положение в цепочке.
Анализ сегментов сырья:
(1) Оптическое стекло D263T: Термостойкое боросиликатное стекло со специальным составом, сложное в производстве. Применяется в фильтрах для камерофонов. Поставщики: Schott (Германия), Corning (США), HOYA (Япония), AGC (Япония). Доля в себестоимости производства отрасли — 9.6%.
(2) Синее стекло: Поставщики: HOYA, AGC, Taiwan Red Blue Green, Zhejiang Crystal-Optech. Доля в себестоимости — 3.2%.
(3) SiO2, TiO2 (Материалы покрытия): Материалы от европейских и американских производителей имеют высокое качество и цену, подходят для high-end продуктов. В Китае много производителей с более зрелыми технологиями, преимущество — низкая цена, недостаток — нестабильное качество.
В настоящее время для каждого материала в Китае есть 2–3 квалифицированных поставщика, дисбаланса спроса и предложения нет. В 2015–2019 годах цены на SiO2 и TiO2 значительно снизились, в основном из-за изменения спецификаций (толщина уменьшилась на 50%).
2.Анализ среднего уровня (Midstream)
Поставщики биометрических фильтров характеризуются высокой концентрацией технологий, капитала и труда. С совершенствованием индустрии оптоэлектроники в Китае и развитием технологий, производство сосредоточилось в Японии, Южной Корее, материковом Китае и на Тайване, с постепенным переносом мощностей в материковый Китай.
Ключевые игроки: Sunny Optical, O-Film, Truly Opto-electronics, Crystal-Optech. Международный игрок VIAVI (США) — основной поставщик для Apple iPhone X. В Китае пионерами являются W-Box (Wufang Optoelectronics) и Crystal-Optech.
Производители объективов:
Японские производители: Доля рынка 10–15% (Fujinon, Kantat). Лидировали до 2009 года, затем доля снизилась из-за консервативной политики расширения. Разрыв с тайваньскими производителями сокращается.
Тайваньские производители: Доля рынка 25–30% (Largan Precision, Genius Electronic Optical, Newmax). Largan лидирует в high-end сегменте. Доля тайваньской оптики на мировом рынке может превысить 40% в 2019 году.
Корейские производители: Доля рынка 30–35% (Sekonix, Kolen). Основные поставщики Samsung и LG, активно расширяются.
Китайские (материковые) производители: Доля рынка 25–30% (Crystal-Optech, Sunny Optical, Q-Tech, Truly, W-Box). В основном производят объективы с низким разрешением, но благодаря господдержке и технологическому развитию их доля растет.
3.Анализ нижнего уровня (Downstream)
Конечные потребители — международные гиганты (Apple, Samsung, Huawei, OPPO, VIVO, Xiaomi). Отрасль высококонцентрированная, клиенты хорошо знают рынок и имеют сильную переговорную позицию. Поскольку китайские фильтры не уступают западным аналогам, международные компании все чаще закупают их в Китае. Однако, малое количество крупных производителей ограничивает выбор. Существует жесткая привязка фильтров к конечным продуктам.
Причины зависимости от биометрических фильтров:
(1) Бурное развитие смартфонов, автомобильных камер, систем безопасности и умного дома стимулирует спрос на HD-камеры и, следовательно, на фильтры. Внедрение биометрии (радужка, 3D Face ID) во флагманы Samsung и Apple определило тренд. AR/VR также невозможны без этих фильтров.
(2) Незаменимость: Любой цифровой продукт с камерой (CCD/CMOS) косвенно создает спрос на фильтры.
(3) Технологический прогресс расширяет применение фильтров в новых материалах, биотехнологиях, медицине, экологии и дистанционном зондировании.
Как ключевой компонент, биометрический фильтр дешевеет вслед за снижением цен на конечные устройства (камеры, смартфоны), и этот тренд сохранится. Поэтому поставщики могут выжить и развиваться только за счет повышения качества при одновременном снижении затрат: сокращении техпроцесса, экономии материалов, повышении выхода годных, улучшении использования оборудования и автоматизации, а также разработке новых продуктов с высокой добавленной стоимостью.
