房子涨因为占据了你的空间，互联网火因为占据了你的时间，光学占据了你的时空！VR/AR应用是行业的催化剂，随着虚拟现实与增强现实二者的逐步融合，现实生活空间与时间被完全占据，轻便的微投技术更加重要，重点看好具有光机、微投、DLP、LCOS技术的公司。
下文是《卫星与网络》为大家推荐的一篇有关光学方面的文章，文中观点仅供参考。
3.3.挡不住的风口：VR/AR中的光学技术
VR/AR中的光学技术主要包括3D技术、手势识别技术、眼球追踪技术等。
虚拟现实的关键技术在于显示技术与交互技术，显示技术的厂商地位相对稳定，交互方式由于尚未统一且本身具有多样化特性，目前大批创新企业参与其中，苹果、谷歌、Facebook等巨头也在此布局。增强现实的核心技术在于显示成像，主流3D技术：立体技术（Stereoscopic 3D）与光场技术（Light Field）
一种好的交互技术需要具备如下几个特质：1.稳定性强。稳定性差会影响用户的使用体验；2.精确度高。精确度影响使用效率和体验；3.延时低。低延时能够有效减弱用户晕眩感；4.舒适便捷。符合人体使用习惯；5.可接受反馈。反馈可以增强沉浸感；6.成本适中。这是由实验走向商用的必然要求。
3.3.1.增强现实的核心在于显示成像
增强现实的核心技术在于显示成像，主流3D技术：立体技术（Stereoscopic 3D）与光场技术（Light Field）
立体技术（Stereoscopic 3D）利用双目立体视觉原理给双眼分别显示不同的图片，它们很相似，只在水平方向上有细微差别，观看物体时两眼各自成像，大脑根据两眼成像的细微差别计算每一点的深度信息，从而得到立体感觉。
目前HoloLens，Oculus Rift， Epson Moverio，Lumus DK-40等设备均采用Stereoscopic 3D技术。以HoloLens为例，HoloLens 拥有有四台摄像头，左右两边各两台。通过对这四台摄像头的实时画面进行分析，HoloLens 可覆盖的水平视角和垂直视角都达到 120 度，通过立体视觉技术（Stereo Vision）获得获得视觉空间深度图（Depth Map）并以此重建三维场景。
光场（Light Field）是空间中同时包含位置和方向信息的四维光辐射场的参数化表示，是空间中所有光线光辐射函数的总体。光场技术的应用方向包括光场采集与光场显示，即整个空间所有信息（色彩、光强、景深、光线方向）的记录与复现。早期光场采集的方法简单粗暴，就是用大规模相机阵列，这种光场相机笨重昂贵，无法普及。
光场显示是光场技术的核心。传统的显示方式中，屏幕只保留了射线穿过屏幕的交点的几何信息和颜色信息，没有保留射线的方向信息。屏幕是漫反射的，从屏幕上某一点发出的所有射线都是相同颜色的，而光场显示要求从同一点出发的不同射线具有不同的颜色。
Magic Leap 的核心技术是一种特殊的光场显示设备：光导纤维投影仪（Fiber Optic Projector）。激光在光导纤维中传播，在纤维的端口射出，输出方向和纤维相切。改变纤维在三维空间中的形状，特别是改变纤维端口处的切方向，我们可以控制激光射出的方向。结构图中的促动器（206）使得光导纤维（208）顶端周期性地颤动，纤维顶端螺旋地画出了一些列的同心圆，激光经由透镜系统输出，在空中画出了一簇射线。投射到平面上照亮了一个圆盘。同步地改变经过颜色和强度，一根纤维利用分时技术得到一幅图像。
在Magic Leap的纤维光投影仪中，有许多根光导纤维，集结成二维阵列，每根纤维都相当于一个针孔相机，二维相机阵列生成了光场。
光场显示的优势在于观看时不会头晕目眩、更加自然健康。当前的主要挑战在于四维光场计算以及机械部件的精确调控。
3.3.2.光学手势识别技术：虚拟现实核心交互手段
我们认为虚拟/增强现实时代，与显示技术并驾齐驱同样重要的还有手势识别技术为代表的各类体感识别技术，手势识别将成为虚拟现实/增强现实的核心交互手段。
三维手势识别目前世界上主要有3种硬件实现方式：
（1）结构光（Structure Light）。这种技术的基本原理是，加载一个激光投射器，在激光投射器外面放一个刻有特定图样的光栅，激光通过光栅进行投射成像时会发生折射，从而使得激光最终在物体表面上的落点产生位移。当物体距离激光投射器比较近的时候，折射而产生的位移就较小；当物体距离较远时，折射而产生的位移也就会相应的变大。这时使用一个摄像头来检测采集投射到物体表面上的图样，通过图样的位移变化，就能用算法计算出物体的位置和深度信息，进而复原整个三维空间。代表应用产品就是PrimeSense的Kinect一代。
（2）光飞时间（Time of Flight）。这种技术的基本原理是加载一个发光元件，发光元件发出的光子在碰到物体表面后会反射回来。使用一个特别的CMOS传感器来捕捉这些由发光元件发出、又从物体表面反射回来的光子，就能得到光子的飞行时间。根据光子飞行时间进而可以推算出光子飞行的距离，也就得到了物体的深度信息。光飞时间是SoftKinetic公司所采用的技术，该公司为Intel提供带手势识别功能的三维摄像头。同时，这一硬件技术也是微软新一代Kinect所使用的。
（3）多角成像（Multi-camera）。这种技术的基本原理是使用两个或者两个以上的摄像头同时摄取图像，就好像是人类用双眼、昆虫用多目复眼来观察世界，通过比对这些不同摄像头在同一时刻获得的图像的差别，使用算法来计算深度信息，从而多角三维成像。
目前各大厂商推出的VR游戏大都需要控制器。游戏控制器的优势在于，控制反馈及时，组合状态多。缺点是与虚拟环境互动少，用户只能控制而不能参与。而在AR应用方面，手柄就完全不能胜任人机交互的任务了。在AR应用领域有丰富的人机互动内容，而这种互动是非常复杂的，只有手势操作才可以完成。
Nimble Sense是手势识别领域的代表产品，它是基于结构光的原理。其最大的特色在于能够快速识别用户的手势，然后同步到相应的VR游戏或软件中，其中没有任何的滞后感，使用者能在虚拟世界中感受到自己双手的存在，而且在使用过程中不需要穿戴任何的产品即可实现，进一步增强了用户体验。
Nimble Sense 摄像头是骨骼追踪摄像头（skeletal-tracking camera）和激光的结合体，基于PMD 技术芯片，会获得并追踪人体的骨骼运动，它可以让用户在虚拟世界中模糊地看到自己的身体。通过它能够识别使用者的双手甚至是手指的运动情况。它的弊端在于精确度不够，无法识别更细致的物体。就覆盖的空间范围而言，它能够覆盖眼前大约110度的范围，比Oculus的可见角度还大了10度，就现阶段而言，这款产品在虚拟现实领域算是成功的。
3.3.1.眼球追踪技术：辅助VR/AR又一交互手段
从原理上看，眼球追踪主要是研究眼球运动信息的获取、建模和模拟，用途颇广。主要技术有三类：一是根据眼球和眼球周边的特征变化进行跟踪，二是根据虹膜角度变化进行跟踪，三是主动投射红外线等光束到虹膜来提取特征。
眼球追踪技术目前的应用载体包括手机、电脑及汽车。三星前代旗舰级Galaxy S III可以通过检测用户眼睛状态来控制锁屏时间，只要检测到用户正盯着手机屏幕，即使用户没有进行任何操作，屏幕也不会关闭，此外用户可以通过眼球控制页面滚动；瑞典公司Tobii于2003年推出一款眼球追踪设备Rex，通过USB连接的电脑外设，它能让用户结合视线、触摸、鼠键等多种方式来控制电脑；汽车领域，通用和丰田已经在车载视线及注意力监控系统的研究上有了不小的投入。如果汽车通过传感器和摄像头知道驾驶员在看向哪里，它能提醒驾驶员视线外可能存在的危险。当驾驶员眼部运动发生异常改变，比如眼皮下垂（犯困）、眨眼次数减少（走神）等，它还会发出声音提醒。
VR及AR领域，Cent报道了一项名为“Eyefluence”的新型眼控技术，这一技术就旨在为虚拟现实甚至增强现实的头显设备提供一个简便的控制方案。它将眼球扫描仪和眼球追踪硬件相结合实现眼球控制。具体应用时：当用户凝视菜单栏中的某个图标时，相应的二级界面就会打开；如果用户使用Eyefluence技术查看图片，只需要凝视图片中某一部分，Eyefluence就会将这一部分自动放大；如果用户盯着滚动条的上方或者下方，就可以轻松完成页面的滚动操作。Eyefluence技术可以通过用户瞳孔的缩放程度来确定用户的视线。这一技术有望帮助测量用户的观看体验，为相应行业提供更有参考价值的信息。
东京FOVE 公司开发了全球第一部使用眼球追踪技术的消费级头戴显示设备，Fove 显示设备拥有360 度视角，结合了眼球和头部位置追踪，定位传感等技术，让用户可以用眼睛控制显示器。该设备使用了非干扰性红外眼球追踪技术，延时低，精确度高，也不会干扰用户视觉。拥有这一技术后，FOVE 用户能与游戏角色进行眼神接触，*器武**锁定也比鼠标和键盘更便捷，只要看到目标，就能立马进行锁定。微软已经投资入股FOVE，未来眼球追踪技术有可能应用在微软智能眼镜和Xbox 游戏机配件中。
德国SMI公司的OEM眼球追踪平台。除了与头显相结合的眼球追踪设备，与VR设备相配套的第三方眼球追踪设备也成了许多厂家研发的重点。德国公司SMI就完成了OEM眼球追踪平台，其工作原理是使用红外线发射器包围每一个镜头的边缘。红外线人眼不可见，但会被安装在头显内部的两个Omnivision 250Hz相机传感器收集。使用SMI专有的Oculus跟踪SDK可以告诉计算机当前用户聚焦的具体位臵。所有这些信息由硬件和软件在低于2毫秒的时间里处理完成，不但流畅，最为重要的是很精确。目前SMI OEM 眼球追踪平台的设计可将眼部追踪无缝结合到消费版平板电脑、手提、台式电脑、kiosk系统、VR 头显设备和AR智能眼镜。
3.3.2.国外科技巨头纷纷布局交互技术领域
Oculus已经开始打造自身在交互领域的闭环。为建立VR行业的交互方式标准，自2014年以来公司陆续收购了Carbon Design、Nimble VR及Pebbles Interfaces等专攻手势识别技术公司。Nimble VR主攻高精度、低延迟的手部骨骼追踪技术。Pebbles Interfaces则专注于结合光学组件、景深探测系统以及软件算法来实时感知手部的位置和运动。
其他进军VR产业的科技巨头目前多数都在交互领域展开了布局。Sony全资收购了专注于TOF（time of flight）手势识别技术的Softkinetic；苹果投资了面部追踪技术公司FaceShift、体感技术供应商PrimeSense等掌握交互技术的公司。
3.3.3.VR/AR交互光学技术产品市场
VR/AR中的光学技术主要包括3D技术、手势识别技术、眼球追踪技术等。基于这类技术的产品市场空间由VR/AR市场决定。基于标准预期模式，2020年VR/AR头戴式设备出货量将达到4300万部。手势识别技术、眼球追踪技术作为交互技术方案，在未来几年内取代传统手柄是大概率事件。我们预计在2016-2020年手势识别及眼球追踪交互方案渗透率逐年大幅上升，最终成为标配。
4.红外线技术
红外线（Infrared，简称IR）是波长在760纳米（nm）至1毫米（mm）之间的电磁波，根据波长可以将其进一步划分为：近红外线（0.76－1.4微米）、短波红外线（1.4－3微米）、中波红外线（3－8微米）、长波红外线（8－15微米）和远红外线（15－1000微米）。红外线波长范围内的光学技术主要以激光技术和红外热成像技术为主，激光技术又可以分为激光加工技术为代表的大功率激光技术以及以激光测量技术为代表的小功率激光技术。
4.1.大功率激光技术：智能制造基础技术 未来将迎千亿空间
大功率激光技术主要应用于激光打标、激光切割、激光焊接与激光微加工（包含3D打印）等激光加工领域，是智能制造的基础性技术。
激光加工产业链上游为激光器及光学元器件、数控系统、伺服电机等辅助器件，中游为激光系统集成设备，下游是各类细分应用领域，其中激光器是激光加工产业链的核心部分。研究机构Strategies Unlimited数据显示，2014年全球激光器销售额超过25亿美元，激光系统集成设备销售额达到94亿美元。
激光切割机是利用经由聚焦的高功率密度光束照射工件，在光斑会焦点处的激光功率密度可以达到106~109W/cm2，能够产生10000℃以上的局部高温，使工件瞬间汽化，再配合辅助气体将汽化的金属吹走，从而将工件穿出一个很小的孔，随着数控机床的移动，无数小孔连接成目标外形。由于激光切割的频率非常高，所以每个小孔连接处非常光滑，切割出来的产品光洁度很高。
激光打标机打标原理是通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而"刻"出痕迹，或者是通过光能烧掉部分物质，显出所需刻蚀的图案、文字、条形码等各类图形。
激光焊接机是利用高能量激光对材料进行微小区域的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料融化后形成特定熔池。它是一种新型的焊接方式，主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，具有深宽比高、焊缝宽度小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化等优点。目前激光焊接主要由激光复合焊和激光钎焊两种方式。
激光3D打印是根据系统内目标件的形状参数，利用激光或其他精准加热技术将金属、陶瓷、塑料、砂等不同打印材料在指定位置融化，每次制作一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，再把它们逐层粘结起来，就得到了立体的目标件。3D打印技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。
激光3D打印多用于汽车制造。汽车制造方面：用于制造金属汽车零部件的3D打印机销售量在过去10年中增长显著。汽车制造是3D打印机市场的主要增长领域之一。大多数汽车制造商正在从传统的生产技术转型到可高度定制的3D打印制造技术，以生产自己的功能部件和原型。
4.1.1.激光加工空间巨大 未来将迎千亿市场
激光加工技术的核心是激光器。激光器按照激光介质分，一般可以分为CO2 激光器、固体激光器和光纤激光器等。激光器是激光加工设备的核心零部件，激光器的种类和好坏直接决定了激光加工设备的加工工艺，产品质量和使用成本。
激光加工一般需要考虑激光功率、作用时间以及材料对能量的吸收效率等，不同的激光器适用于不同的加工工艺。一般来说CO2 激光加工设备适用于金属材料的加工，如激光打孔、切割或者焊接，而小功率的激光加工工艺，如激光打标、非金属材料的切割等，一般采用固体激光器或者光纤激光器等。此外，光纤激光器功率范围较广，且具有免维护等特点，开始逐渐替代其他种类的激光加工设备。
激光系统集成设备市场全球规模接近百亿美元。激光器一般通过系统集成进行销售，如打标机、切割机、焊接机和3D打印机等，终端用户很少直接单独采购激光器，因此激光系统集成的发展趋势与激光器相一致，系统集成市场容量一般是激光器市场的3.6 倍左右。全球激光系统集成收入结构中，CO2 激光系统集成占比约56%，主要原因是CO2 激光器系统集成设备一般为高功率激光切割/焊接设备，是工业激光应用最广泛的领域。
激光切割领域，市场呈周期性滞涨。2008至2010年国内激光切割设备的市场销售收入增长率始终维持在20%以上，2011年开始增速开始下降，2013年市场规模达到约33亿元，增长率却下降至5%。这一现象主要由国内制造业整体呈下跌趋势导致，需求激发有限，市场行情出现周期性滞涨。
国产激光切割设备目前已占优势。以大功率激光切割设备为例，国内市场主要参与者为大族激光、华工科技、团结激光以及德国通快等。大族激光在大功率切割设备领域国内市占率已经超过30%，装机量位列全国第一，全球第四。
激光打标受消费电子需求拉动效应明显，具有明显“大小年”现象。2014年大族激光打标设备实现销售收入约13亿元，较2013年增长约67%。我们估计大族激光全国市场占比在60%左右，则2014年全国激光打标设备市场规模超过20亿元。激光打标设备“大小年”现象受苹果等消费电子产品影响较大，2014年新一代产品发布使得制造商需提前采购生产加工设备，所以该年度激光打标市场规模较往年有很大提升。
激光焊接暂不能完全替代传统工业领域焊接。传统焊接设备市场空间约200 亿左右，但激光焊接暂难以对传统焊接形成替代，据华工法利莱估计，2014 年大功率激光焊接设备市场空间不到10亿元。
激光3D打印领域，金属3D打印目前占比较小，增速较快。3D打印技术报告《Wohler’s Report 2015 》显示，2014年全球3D打印产品和服务市场增长了35.2%，达到41亿美元。Wohler’s Associates预测2017年市场规模会达到60亿美元，而2021年将达到110亿美元。目前金属3D打印占3D打印份额较小，但增速更快：用于增材制造的激光器市场，2014年增长62%，2015 年预计增长29%，是所有激光器子行业应用中增长最快的领域。2013年底，全球金属打印设备销售翻番并且接近350 台，全球工业级金属3D 打印机售价可达100万美元，以此计算全球激光3D市场空间已超过3.5亿美元。
4.2.小功率激光技术：激光测量低成本化 加速无人价值到来
LiDAR——Light Detection And Ranging，是利用激光、全球定位系统GPS和惯性测量装置（Inertial Measurement Unit，IMU）三者合一，获得数据并生成精确的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。激光雷达在民用领域主要分为一维激光测距仪、二维激光雷达、三维激光扫描仪、三维激光雷达等。
三维激光扫描仪可分为固定式、车载和机载。固定式三维激光扫描仪一般用于建筑轮廓扫描、立面扫描、吊顶扫描、古建修复与教学研究等；车载三维激光扫描仪有的集成了高清相机，可以将图像和点云数据融合到单一校准的用户直观平台，一般用于道路勘察、三维城市建模、海岸线巡检、应急救援、铁路行业等；机载三维激光扫描仪安装在飞机底部，一般应用于大范围海岸带及海岛测量与调查、内陆江河湖泊测量、港口及航道测量、海底地质分类与生态研究等。
三维激光雷达的低成本化将驱动无人驾驶技术发展。三维激光雷达在无人驾驶系统中有两大核心作用：1）通过三维建模进行环境感知。激光雷达通过扫描对汽车周围环境进行3D建模，结合算法对比上一帧和下一帧的环境变化从而探测出周围的车辆和行人；2）SLAM加强定位。三维激光雷达另一大功能是即时定位与地图构建，将实时得到的地图与高精度地图*特中**征物进行对比，可以实现导航并加强车辆的定位精度。
4.2.1.激光雷达产业：国内外厂商积极参与
车载激光雷达系统主要由三维激光扫描仪、GPS、IMU、相机和控制平台等组成，系统的主要成本由激光扫描仪和GPS/IMU构成，约占总成本的80%。当前车载激光雷达系统的生产厂家主要有如下三类：
国内目前也已研发出多个自主激光扫描产品，主要应用于测绘领域。测绘系统厂商主要有广州中海达、北京北科天绘科技等。此外华达科捷已经研发出32 线束的三维激光雷达，将与母公司的巨星科技的AGV 配合支持使用。中海达生产的I-Scan 是国内首个三维激光扫描仪。
三维激光雷达领域，Velodyne因其小型化、高精度以及相对廉价的特点，有望成为无人驾驶激光雷达首选产品。目前，用于无人驾驶的车载激光雷达的主要供应商为Velodyne、Ibeo。Google采用的Velodyne HDL-64E通过64束的激光束进行垂直范围26.8度，水平360度的扫描，每秒能产生130万的数据点。其售价7.5万美元与动辄几十万美元的测绘类车载三维激光雷达相比也较为廉价。
当前Google、百度无人车采用的Velodyne LiDAR为高精度高端版本，定制成本在7.5万美元左右，Velodyne公司此外还开发了较低精度、相对便宜的LiDAR，售价分别为8千美元和3万美元。据福特汽车宣传，低端版本量产后成本将被压至500美元，低成本的激光雷达方案有望加速无人驾驶发展，渗透率将大幅提升。我们据此估计，2020年500美元的激光雷达方案被普遍认可，全球有1%左右的汽车为无人驾驶汽车或配置ADAS系统，那么激光雷达的市场总值有望达到75亿美元（假设2020年全球汽车保有量为15亿辆）。
4.2.2.激光惯导技术：激光陀螺仪
激光陀螺仪的工作原理建立于两束沿着三面镜子排列的激光束基础上。一条顺时针前进，另外一条逆时针前进。当仪器静止的时候，两条激光束完成一个周期都用了相同的时间。当仪器旋转时，一条激光束的路径变短，另外一条激光束的路径变长。通过测量两条激光束走完一个周期所用时间的不同，旋转角速度就可以被测量出来。
激光陀螺仪（RLG）被广泛运用于捷联式惯性导航系统，捷联式惯性导航系统是在军事航空航海领域，将惯性测量元件直接装载于飞行器、舰艇、导弹等主体，测量行驶物体的姿态（如俯仰角、横滚角）、速度、加速度、航向等导航信息，把测量信号变换为导航参数的一种导航系统。美军著名的“战斧式”巡航导弹采用的就是激光陀螺进行自身姿态定位。
研究机构Yole Development估算2014年高性能陀螺仪市场总值达到13.7亿美元，目前光学陀螺仪仍然主导着市场，环形激光陀螺仪（RLG）占据了超过40%的份额；此外该机构预测高性能陀螺仪市场今后将以4.4%的年增长率增长，在2019年达到16.9亿美元。
4.3.红外技术：另一种感知世界的方式
4.3.1.红外线及其收发方式
红外线（Infrared，简称IR）是波长在760纳米（nm）至1毫米（mm）之间的电磁波，根据波长可以将其进一步划分为：
· 近红外线（NIR, IR-A DIN）：波长在0.76－1.4微米，由于在二氧化硅玻璃中的低衰减率，通常使用在光纤通信中；
· 短波长红外线（SWIR, IR-B DIN）：1.4－3微米，其中1.53至1.56微米是主导远距离通信的主要光谱区域；
· 中波长红外线（MWIR, IR-C DIN）也称为中红外线：波长在3－8微米。这一范围的红外线通常被用于飞机红外归航以及红外线追热导弹技术；
· 长波长红外线（LWIR, IR-C DIN）：8－15微米。这一范围是热成像区域，在这个波段内，感测器不需要其他的外部光源或热源就可以获得热排放量的被动影像；
· 远红外线（FIR）：15－1,000微米。这一波长范围的红外线目前主要用于医疗临床试验；
按照收发方式可将红外应用分为三类。任何温度高于绝对零度的物体都会有热辐射，且不同温度的物体辐射出的红外线波长不同，按照红外线的收发方式可将应用分为三类：
· 被动接收类：利用任何物体（高于绝对零度）均发射红外线、红外线穿透性强的特点，接收并分析目标红外线的应用。最典型的应用包括红外热像仪、红外测温器、红外探测仪、红外制导、红外遥感卫星等。此类应用大量应用于电力、医疗、军事、工业、建筑等行业，是红外应用中占比最多的部分；
· 主动发射类：利用红外线携带热辐射能量的特点，大量医用远红外理疗仪在此基础上被开发出来；
· 主动发射+被动接收类：利用红外线不可见、衍射能力强的特点，通常包含红外发射器与红外接收器，主动发射红外线并接收反射回来的红外线进行分析。此类应用被广泛运用于红外报警系统、主动红外夜视仪、红外测距等领域；
4.3.2.红外技术应用梳理
主流红外应用包括红外热成像、红外探测、红外检测以及红外通信等技术：
· 红外热成像：通过热成像仪以非接触方式探测被测目标所释放的红外辐射能量，能形成整个目标的红外辐射分布（即温度分布）图像，以便分析、研究目标物体的结构，探测其内部缺陷或工作状况，进而进行故障诊断分析等。目前红外热成像仪中应用最多的技术是微测辐射热计技术（microbolometer）；
· 红外探测：红外探测技术根据探测器收集到目标发出/反射的红外线来搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置，并对其运动轨迹进行跟踪。红外探测技术通常与热成像技术相结合使用；
· 红外检测：红外检测一般包括辐射量测量及红外光谱测量，此类检测技术应用广泛，如基于中红外辐射测量的地面辐射强度计，可用于如全球变暖等的气候变化观察；基于远红外辐射测量的红外空间望远镜，可用于宇宙天体天文观察；配带红外光谱扫描辐射仪的气象卫星，可实现对云层等的气象观察分析。在工矿企业中，应用较多的是基于辐射量测量的红外温度计和基于红外光谱测量的红外分析仪；
· 红外通信：利用调制后的红外辐射光束传输编码后的数据，再由硅光电二极管将收到的红外辐射信号转换成电信号，实现近距离通信的一种系统。具有不干扰其它邻近设备的正常工作，特别适用于人口高密度区域的户内通信的优点。此外，该通信系统还具有低功耗、低成本、安全可靠的特点。
当前，基于以上红外技术开发的产品被广泛用于门禁报警与控制、照明控制、火灾检测、有毒有害气体泄漏检测、红外测距、采暖通风等其它综合应用场合。我们认为，随着红外产品成本压缩，应用领域将进一步扩展，红外市场即将迎来放量。
4.3.3.红外热成像：应用最广泛的红外技术 行业空间巨大
红外热像仪是一种用来探测目标物体的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体（发射和反射的）温度分布图像转换成视频图像的产品，一般包括红外镜头、焦平面探测器、后续电路、图像处理等部分。
· 红外镜头：主要是红外锗镜头（也有硫系镜头等）。锗材料在1.7 微米~16 微米波段内具有良好的透射率，特别适合作为红外线的通过的窗口。由锗资源被几大矿业公司所控制，国内红外锗镜头主要由云南锗业、中锗科技等相关子公司供应；
· 焦平面探测器：感知目标物体发射/反射的红外线，通过热敏电阻式微辐射热计将光信号转换为微弱的电信号。焦平面探测器可分为制冷型和非制冷型焦平面探测器；
非制冷红外焦平面探测器由许多MEMS微桥结构的像元在焦平面上二维重复排列构成，每个像元对特定入射角的热辐射进行测量。其工作原理为a）红外辐射被像元中的红外吸收层吸收后引起温度变化，进而使非晶硅热敏电阻的阻值变化；b）非晶硅热敏电阻通过MEMS绝热微桥支撑在硅衬底上方，并通过支撑结构与制作在硅衬底上的COMS独处电路相连；c）CMOS电路将热敏电阻阻值变化转变为差分电流并进行积分放大，经采样后得到红外热图像中单个像元的灰度值。
· 后续电路：将微弱的电信号进行电子学放大和逻辑处理，保证能够准确的地采集到目标物体温度分布情况；
· 图像处理和显示模块：通过图像处理软件对上述放大后的输出电信号进行处理，呈现为目标物体温度分布的可见光图像，并通过液晶屏幕显示。
红外技术最核心部分是焦平面探测器。这是因为，红外公司通常选择外购镜头，而后续电路与图像处理部分与传统数码相机又有类似之处，所以焦平面探测器成为了红外核心技术，占到红外热成像仪总成本的80%以上。焦平面探测器具有较高的技术壁垒，目前主要由美国和法国厂商垄断，英国、以色列、德国、日本及中国也有少量的生产厂商，且只有美国、法国、日本、以色列及中国有能力实现非制冷红外焦平面探测器的量产。由于美、法等国的技术垄断和出口限制，中国企业无法采用最先进技术，自制的焦平面探测器分辨率制程较为落后。
4.3.4.红外热成像市场空间何在——军品依旧刚需 民用迎来放量
目前红外热像仪应用主要分为*用军**与民用两大类，*用军**领域主要包括夜视、*器武**瞄具、搜索跟踪、导航等应用；民用包括车船夜视、安防反恐、消防、制程控制以及监测等应用
研究机构Maxtech International 数据显示，全球红外市场2012~2017年复合增速约5%，整体维持稳定增长态势。当前民用市场与*用军**市场比例大致为3:7，民用市场占比正逐年提升，增速高于*用军**市场。
*用军**红外热成像市场：刚需依旧 继续稳步增长
红外热成像设备在军事上依旧是刚需。*用军**领域的红外热成像系统是红外技术最早的应用领域，*用军**红外热像仪可以使用在*器武**瞄准器、导弹巡航、夜间行驶和飞机起飞、着陆等，对应下游应用产品有望远镜、瞄准机枪和巡航导弹头。
我国*用军**红外热像仪普及率尚处较低水平，需求爆发在即。在发达国家，红外热像仪已配臵在陆军、空军、海军等各个军种中，中美单兵真正差距大的配备之一便是夜视设备，目前我国人均夜战装备量低，红外热像仪是接下来几年我国科技强军的重点方向。从国防总量支出看，我国国防支出在GDP 中占比不到2%、在财政支出中占比低于6%，总量不到美国的三分之一，接下来我们在*队军**人员数量230万人的基础上对我国*用军**红外热成像市场进行估算：
初步估算下来，我国*用军**红外热成像市场远景空间可达392亿元，潜在需求量接近25万台，将成为红外市场增长利基。
民用红外热成像市场：成本下降推动需求，民用市场放量在即
为什么说民用市场将要放量，我们认为，汽车、智能终端应用以及监控应用将成为民用市场快速增长的三大驱动因素。民用红外热像仪市场主要由4个商用领域驱动，分别是：汽车、监视器、低端热录像仪市场和智能手机中的红外成像功能。而在这些应用市场尚未真正启动的最根本障碍是成本。未来随着材料成本国产化后降低50%以上，我们认为民用应用市场将快速增长。其中汽车用夜视安全驾驶应用和智能手机红外传感器将成为最快增长领域。
汽车装备红外热像仪将成为潮流。夜间行车，汽车灯光的照射范围和明亮度都有限，此外还面临远光灯滥用，对于驾驶者来说相当危险。能见度差的雨雾天气的时候，驾车的危险系数也会增加。因此各大车厂纷纷研发在低能见度中看清前方的技术，红外则是其中最优秀的一种。
目前的趋势是，被动式远红外系统(红外热像仪)有望逐步替代主动式近红外系统。当前车载夜视仪分为微光夜视、主动式近红外和被动式远红外三类系统，其中微光夜视系统在完全黑暗或对头车辆大灯照射时会完全失效，因此少有汽车厂商使用。当前主流车载夜视技术分为主动式近红外系统和被动式远红外系统。两者的主要区别在于成像原理和所使用的红外线传感器不同。
综合来看，被动式夜视技术探测更加精准、测距更远、适用环境更多，是车载夜视仪的理想技术。目前受成本较高的影响，被动式热像仪当前主要在高端车型上应用。当前的车载夜视系统中，高端车型除奔驰与雷克萨斯外，一般采用的都是被动式夜视仪，其中雷克萨斯目前已因主动式夜视仪效果不理想而放弃加装，我们判断被动式热像仪未来有望成为高端车型的标配。
民用热像仪目前第一大应用市场是汽车市场，汽车市场的增长的最大障碍就是成本而非技术，随着探测器国产化后将实现快速增长。我们可以预测到未来乘用车中红外成像的渗透率将提高，从高档车向低档车普及，这一市场增长率增长率将高于30%。2015年中国约2100万辆乘用车下线，按此10%计算，目前产品价格在5000元左右，则该产品每年的市场规模可超100亿元，如若产品价格继续下降一半，我们认为渗透率将提高至25%以上，市场规模可以达到130亿元，超过了当前民用红外热像仪市场的两倍！
向智能终端的拓展将成为红外热像仪市场快速成长的另一驱动因素。红外热像仪配合智能终端能够实时监测用户的健康情况和体温，按照未来每年1000 万台可穿戴式设备，30%的渗透率和每年10 亿部智能手机，5%的渗透率，而最终消费电子红外热像仪价格可以下降到10 美金，则可对应的市场达到50 亿元。智能手机市场每年拥有10 亿部以上的出货量，智能终端的大尺寸屏幕升级更适合红外热像的成像，而各项健康医疗和智能传感需求也让红外热像仪成为智能手表等未来创新点。
民用市场规模方面，Yole development预测未来五年热像仪市场将主要受民用市场驱动，保持23%以上的复合增长率（军、民市场加权23%，民用市场超过23%），达到110万台以上的出货量，按照目前1万元均价计算，市场空间将达到百亿元以上。未来随着成本下降应用在智能终端上，出货量将远超过100万台。
成本下降从何而来——技术创新！
在红外成像领域，技术创新是导致价格显著下降的关键因素。过去几年中，主流厂商都在热成像核心技术方面进行创新，包括FLIR、ULIS （与Sofradir EC合作）、BAE、Heimann/Bosch和Seek Thermal（基于Raytheon传感器），技术创新主要集中在红外探测器：
红外探测器及热像仪有以下几个创新趋势：
· 第一个主要趋势是减小传感器芯片尺寸来降低芯片成本和光学成本。因此，缩小像素间距的“竞赛”正在各厂商之间上演。BAE公司率先推出了12微米像素架构。所有的关键厂商都在研发12微米像素技术，6微米也已经纳入了产品路线图；
· 第二个主要趋势是成像和光学器件都转向晶圆级制造，最大限度地发挥大批量生产优势，提高规模化效益。FLIR、Raytheon和Bosch使用晶圆级封装（WLP），FLIR还使用晶圆级光学镜头（WLO），实现晶圆级封装有望使器件成本下降50%；
· 第三个主要趋势是市场需要低成本、低分辨率的传感器。低成本的技术，如铁电、热二极管或热电偶，在市场上越来越多地获得应用。例如，2012年Irisys/Fluke的热释电技术，2014年Bosch/Heimann的热二极管技术。FLIR 和ULIS用低分辨率的微测辐射热计（Microbolometer），比竞争对手的灵敏度更高；
· 第四个主要趋势是核心电子器件集成：现在核心电子器件还是集成在PCB板上。而FLIR的红外传感器件Lepton采用ASIC芯片，显著减小了尺寸。随着出货量的增加，其它厂商也会采用这种方式和3D封装技术；
技术创新带来的成本下降将拉动红外热成像设备在各个领域的需求，同时红外探测器在热成像、消防、监控、夜视、家庭自动化、温度感测等领域的需求也将被带动起来，全球红外探测器市场有望实现稳定增长，Yole Development预计2020年，整个红外探测器市场规模将达到5亿美元。
4.3.5.脸部识别&虹膜识别：红外技术在生物识别中或将大放异彩
从指纹识别到虹膜识别，生物识别被更多的消费电子厂商采用，虹膜和脸部识别都是光学的应用。根据前瞻产业研究院统计，2007年至 2013年六年期间，生物识别技术的全球市场规模年均增速为 21.7%，这在全球大部分行业增长率不到5%的对比下实属罕见。2015年生物识别技术全球市场规模将达到130亿美元，2020年将达到250亿美元，5年内年均增速约14%。自2015年到2020年，各细分行业市场规模增幅分别为：指纹 (73.3%) 、语音 (100%) 、人脸 (166.6%) 、虹膜 (100%) 、其他 (140%) 。众多生物识别技术中人脸识别在增幅上居于首位，预计到 2020 年人脸识别技术市场规模将上升至24亿美元。我们预计在智能终端渗透脸部识别的情况下，市场规模可能大超预期。
人脸识别主要分为人脸检测和人脸比对两部分。其工作流程为：
1. 图像采集：通过采集传感器(如摄像头)采集人脸图像；
2. 人脸定位及提取：然后对采集到的数据进行处理，去除采集数据中的噪声和环境因素，抽取样本中能够表征个人身份的特征信息；
3. 特征对比：再把这些特征信息与数据库中已有的信息进行对比；
4. 输出结果：最后根据比对的相似程度来判断是否匹配。
目前人脸识别市场的解决方案主要包括：2D识别、3D识别、热感识别，目前市场上主流的识别方案是采用摄像头的2D方案。2D脸部识别是基于平面图像的识别方法，但由于人的脸部并非平坦，因此2D识别在将3D人脸信息平面化投影的过程中存在特征信息损失。3D识别使用三维人脸立体建模方法，可最大程度保留有效信息。因此3D人脸识别技术的算法比2D算法更合理并拥有更高精度。热传感识别技术使用一个三层的BP（back-propagation）前馈神经网作为分类器，在使用热感信息的同时使用不会被发型、呼吸等环境因素影响的关键脸部几何信息，如鼻梁角度、脸颊面积等，以增强识别精度。
传统的脸部识别技术主要基于可见光图像的脸部识别，但这种方式有着难以克服的缺陷，近红外脸部识别系统能够彻底解决环境光照影响问题。传统可将识别在环境光照发生变化时，识别效果会急剧下降，无法满足实际系统的需要。比如，拍照时遇到侧光时出现的“阴阳脸”现象，就可能无法正确识别。解决光照问题的方案有三维图像人脸识别，和热成像人脸识别。但目前这两种技术还远不成熟，识别效果不尽人意。基于近红外图像的人脸识别核心技术和系统，在不同光线条件下，能够拍摄不受环境光照变化影响的近红外人脸图像，加上领先的算法，能够取得很高的识别率。
近红外人脸识别包括两部分：主动近红外人脸成像设备和相应的光照无关人脸识别算法。使用强度高于环境光线的主动近红外光源成像，配合相应波段的光学滤片，可以得到环境无关的人脸图像，人脸图像只会随着人与摄像头的距离变化而单调变化。在此图像上采用一些特定的特征提取方式，如：局部二元模式（Local Binary Pattern，LBP）特征，可以进一步消除图像的单调变化，得到完全光照无关的特征表达。近年来，近红外人脸识别在实际生活中已经有了诸多应用，如：“深圳－香港生物护照自助通关系统”，“澳门－珠海生物护照自助通关系统”，“北京机场T3航站楼自助通关系统”等，均取得了很好的效果。
主动近红外人脸成像设备能为人脸识别提供不受环境光影响的、高质量的人脸图像，所谓的高质量包括：图像亮度合适、均匀、对比度合适、不存在过度曝光等。主动近红外人脸成像设备一般包括如下单元：
在相应波段强度高于环境光的主动近红外光源，一般为高功率850nm和940nm红外LED；
能够接收近红外光的摄像头，通常为CCD图像传感器。CCD具有体积小、重量轻、失真度小、功耗低、可低压驱动、抗冲击、抗振动、抗电磁干扰强的优点，因此被广泛应用于各种图像采集系统。在人脸识别系统中的CCD基本上是硅衬底的，其光谱响应范围为400nm~1100nm，该范围也就是窄带滤光片要考虑的光谱范围；
窄带滤光片，置于摄像头镜头外，允许近红外光通过的同时过滤环境光。主要用来隔离干扰光，透过信号光，充分突显有用信息，减小干扰信息，为后续的图像处理和识别奠定基础。
技术上红外LED窄带滤光片有望成为核心因素。目前有些方案采用隔离可见光透过红外光的红外玻璃作为滤光片，然而普通的红外玻璃只是隔离了可见光和紫外光，并没有隔离干扰光中处于红外波段的部分。因此想得到良好的抗干扰效果，必须采用窄带滤光片。
窄带滤光片的选取需要考虑多个光学指标，包括带宽、中心波长、截止波长、截止深度、峰值透过率、产品厚度等等。从近期摄像头与AR的发展看，国内的光学公司成为主力供应商，反应国内的光学实力足够消费电子及特殊显示的需求，窄带滤光模组预计国际大客户仍会采用国内供应商。
虹膜识别在技术上与近红外人脸识别有相似之处。以最近发布的三星note7为例，其虹膜识别主要由两部分构成：一个红外LED和一个红外摄像头。进行虹膜识别时，红外LED发射红外线至眼球，经反射后由红外摄像头捕捉接收，之后再由后端算法进行处理、特征提取和识别。
为什么采用红外光进行虹膜扫描？主要因为红外线要比普通可见光扫描得更加精确，能够采集到的虹膜纹理更加清晰。最重要的是红外线扫描可以在黑暗的环境中工作，理论上还能够记录带着普通眼镜/墨镜/隐形眼镜用户的虹膜。
虹膜定位：是整个虹膜识别过程中最重要的环节，虹膜定位就是准确的确定虹膜的内边界和外边界，保证每次进行特征提取的虹膜区域不存在较大偏差，定位的速度和准确性决定了整个虹膜系统是否实用可行。
虹膜归一化：在获取虹膜图像的过程中，受焦距、人眼大小、眼睛的平移和旋转以及瞳孔的收缩等因素的影响，所得到的虹膜图像不仅大小不同而且存在旋转、平移等现象。为便于比较，一般虹膜识别系统都要对虹膜进行归一化处理，其目的是将每幅原始图像调整到相同的尺寸和对应的位置，从而消除平移、缩放和旋转对虹膜识别的影响。
虹膜图像增强：采集设备自身的原因使得虹膜图像光照不均匀，一般通过直方图均衡化处理。采集过程中还存在各种噪声的干扰，通常通过同态滤波去除由于反光等噪声干扰。图像增强的目的就是减小光照不均、各种噪声等因素对虹膜识别系统的识别性能的影响。
虹膜特征提取及编码：依靠相应的算法对虹膜图像中独特的细节特征进行提取，并采取适当的特征记录方法，以此构成虹膜编码，最后形成特征模板或者模式模型，这一环节的结果直接关系到虹膜识别的准确率。
匹配与识别：虹膜识别是一个典型的模式匹配问题，即将采集图像的特征与数据库中的虹膜图像特征模板进行比对，判断两个虹膜是否属于同一类。模式匹配算法一般与特征提取算法有关，主要的匹配方法有汉明距离和欧氏距离。
4.3.6. 红外市场的主要参与者及市场
目前整个红外市场具有参与厂商少，规模化生产后毛利率较高的特点：
1）红外市场参与厂商并不多。目前只有美国、法国、日本、以色列及中国有能力实现非制冷红外焦平面探测器的量产，因此红 外市场参与厂商并不多，全球市场上主要有FLIR、FLUKE、ULIS、NEC、雷神、洛克希德马丁、波音、BAe 等；国内市场上主要有大立科技、高德红外、广州飒特等；
2）具有规模化生产的参与者具有很高的毛利率。在全球市场上营收占比较高的红外热像仪领导厂商FLIR 毛利率基本维持在50%左右，而国内领先企业大立科技和高德红外毛利率也可以维持在45%~50%。
5.投资建议
这是我们《光学革命》系列的第一篇，我们将在之后陆续推出其他报告，敬请期待。
在未来的五年，我们长期看好光学企业的发展，光学相关产业市场空间大、利润率高、技术壁垒护城河强，产业投资机会将不断涌现！
深耕行业18年，
分享最前瞻性话题，
传递最正能量声音。
卫星应用领域第一刊
卫星与网络
动图
联系我们
内容、 营销合作请联系：
微信号：nongyan258766
投稿邮箱：
Emil：tougao@yinhexi.la
杂志订阅请联系：
Emil：dingyue@yinhexi.la
诚聘英才请联系：
Emil：satnet.zhaopin@yinhexi.la