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CMOS图像传感器解读,中国厂商不会缺席

2019-01-27

图像传感器是当今应用最普遍、重要性最高的传感器之一。其主要采用感光单元阵列和辅助控制电路获取对象景物的亮度和色彩信号,并通过复杂的信号处理和图像处理技术输出数字化的图像信息。图像传感器中的感光单元一般采用感光二极管(photodiode)实现光电信号的转换。感光二极管在接受光线照射之后能够产生电流信号,电流的强度与光照的强度成正比例关系。

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图像传感器是手机摄像头模组的核心组件


图像传感器主要分为 CCD 图像传感器和 CMOS 图像传感器两大类。 CCD 和 CMOS都是利用感光二极管进行光电转换,将图像转换为数字信号,但二者在感光二极管的周边信号处理电路和感光单元产生的电信号的处理方式不同。 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物场效应管)技术作为后起之秀,从 90 年代开始被重视并获得大量研发资源,逐步赶超 CCD(Charge-Coupled Device,电荷耦合器件),当前已经在图像传感器市场占据绝对的主导地位


CMOS 传感器优势突出,

已占图像传感器市场9成份额


CMOS 传感器实际上是一个高度集成的图像系统。 当外界光线照射到 CMOS 传感器上的时候:(1)传感器拥有的像素阵列会发生光电效应;(2)光电效应使得像素阵列上的每个像素单元产生对应外界色彩和亮度的电荷信号;(3)信号会被模数转换电路转换成数字图像信号;(4)数字信号经过集成于同一芯片上的 ISP 处理后输出。简单来说,CMOS传感器就像一组太阳能电池矩阵,每个像素就是矩阵中的一个电池,每个电池按照前方的亮度和色彩排布进行充电,之后统计每个电池的电量,就能得出对应的亮度和色彩,从而还原出现实的景象。

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CMOS 传感器将图像感知和信号转换功能集成到了一块芯片上


CMOS 图像传感器近年来增长迅速,已接近全面替代 CCD 传感器。据 IC Insights 统计,2017 年 CMOS 传感器销售额占整个图像传感器销售额比例为 89%(这一数字在 2007年仅为 54%),出货量占图像传感器总出货量的 81%。

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2017 年 CMOS 传感器的出货量占比达 81%


我们认为 CMOS 传感器凭借优异的性价比,将继续保持绝对的优势地位,并继续挤压CCD 的市场空间。 1)CMOS 图像传感器芯片采用了适合大规模生产的标准流程工艺,批量生产时,单位成本远低于 CCD;2)CMOS 传感器将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块基板上,缩小了体积的同时还保持着低功耗和低发热,非常适合移动设备和各类小型化设备;3)相比之下,CCD 传感器成本上不具有优势,且体积大,发热大,功耗高,基本无法适用于现今多数电子产品上。

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与 CCD 传感器相比,CMOS 传感器各方面的优势突出


终端应用爆发,

CMOS 传感器 5 年 CAGR 10%以上


CMOS 传感器今年销售额有望达到 137 亿美金,同时其出货量将继续保持 10%以上年均增速。得益于车载应用、机器视觉、人脸识别与安防监控的快速发展,以及多摄像头手机广泛普及,CMOS 图像传感器市场规模不断扩大。根据 IC Insights 统计,2017 年全球 CMOS 图像传感器销售额为 125 亿美元,同比增长 19%;预计 2018 年将达到 137 亿美元,同比增长 10%。预计 2017-2022 年出货量 CAGR 达 11.7%,销售额的 CAGR 为8.8%。 至 2022 年,CMOS 传感器的全球销售额将达到 190 亿美金。

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CMOS 图像传感器市场将从 07 年的 40 亿美金增长到 22 年的 190 亿美金


手机是 CMOS 传感器的最大应用市场,汽车、安防等新应用领域高速成长。 2017 年手机用 CMOS 传感器市场规模占整体应用市场的 62%,达 77.5 亿美元,预估 2022 年手机 CMOS 传感器的市场营收规模将可达 86 亿美元。而在未来几年,汽车、安防监控、医疗、玩具/电玩与工业等将成为带动 CMOS 传感器高速发展的主要动力。

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2015/2020 年 CMOS 传感器在各应用领域的市场规模比重


1)安防监控领域:安防监控离不开视觉信息的获取,必须依赖图像传感器,随着整个安防监控行业规模的不断扩大,预估到 2020 年该领域 CMOS 图像传感器的市场规模将达到 9.12 亿美元,占到行业市场份额的 6%。


2)汽车电子领域:是图像传感器增长最快的细分市场,近年来 CMOS 图像传感器已经安装在汽车倒车影像、防碰撞系统之内,而由于未来的新车将标配 ADAS(高级驾驶辅助系统),以及自动驾驶技术的发展,汽车厂商将会为自家车辆产品导入更多摄像头来获取外界信息。而每增加一个摄像头,就需要增加一块 CMOS 传感器,所以车载应用将是CMOS 图像传感器各主要应用市场中增速最快的方向。 根据 YOLE 的最新预测,车载图像传感器市场空间将从 2016 年的 22 亿美金增长至 2022 年的 77 亿美金,是车用传感器(包括各类雷达、 压力传感器、惯性传感器等)中增长最快、 占比最高的细分产品。同时,汽车市场也将成为仅次于手机的第二大 CMOS 传感器应用领域。

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车载领域将成为 CMOS 传感器第二大应用市场


3)医疗/科研领域:以往医疗和科研领域主要使用 CCD 传感器,随着技术的进步,现今医疗和科研领域则在谋求使用成本更低效果更好的 CMOS传感器来替代大部分老旧产品,这一应用领域预计有 34%年复合增长率,2020 年销售额 8.67 亿美元。


4)工业系统领域:随着机器视觉的发展,越来越多的工业生产线会引入图像传感器来提高生产效率和质量,预计该领域年复合增长率 18%,2020 年销售额 8.97 亿美元。

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在 AI 技术的驱动下,CMOS 传感器在各个领域的应用广度会持续增加


在 CMOS 传感器的应用场景不断丰富、终端对性能的需求不断加码的背景下,CMOS传感器正在加速技术迭代,各大厂商频频发布新的“黑科技” 。以成像质量(尤其是弱光环境)、成像速度这两大基本需求为例,业内已提出了丰富的解决方案:


1)弱光环境下的成像能力对手机、相机和行业应用图像传感器来说都是一个很重要的能力,尤其是需要全天候运作的安防与车载图像传感器。业界通用的解决方法就是提升传感器面积和进光量,加大单位像素面积。除了这种通法之外,还有使用 BSI-CMOS(背照式 CMOS 图像传感器)和近红外光技术两种方法。

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受益于背照式技术与近红外光技术,暗光环境下的 CMOS 传感器成像质量显著改进


2)高速传感器能更好的拍摄移动中的物体,提供多帧降噪、慢动作视频拍摄和减少画面失真等功能,对手机拍照、交通监控和汽车自动驾驶领域有重要意义。当相机、被摄对象之间存在高速相对位移时(如拍摄高尔夫球挥杆动作、在行驶的车辆上拍摄路边的灯杆等),画面会出现直线发生弯曲、图像边缘模糊、部分画面曝光错误等问题,这就是果冻效应。而果冻效应的根源就是感光元件无法做到快速采集全部像素,因此,高速传感器应运而生。


针对果冻效应,目前业界给出两种解决方案:一种是面对手机等消费类电子领域推出的配备 DRAM 的三层堆栈式图像传感器,通过在传感器上集成的 DRAM 直接储存数据来完成高速摄影和拍照。 另一种是面对行业应用推出的全局快门传感器,相比逐行曝光的传统滚动快门传感器,全局快门能整个传感器同时曝光来撷取不失真的运动物体图像,这对机器视觉和安防领域有重大意义。

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为实现高速成像能力,CMOS 传感器发展出两条主要技术路径


除了对成像质量和成像速度的要求外,还有在医疗领域需要的小型化(豪威的医用内窥镜 CMOS 传感器仅 0.5mm 见方);在汽车领域需要的高可靠性高灵敏度;物联网领域大范围应用所需要的低成本等。 在技术演进和需求升级的共同推动下,CMOS 传感器快速演进。


索尼/三星/豪威领跑,

国内厂商主攻中低端市场


CMOS 传感器属于典型的可以进行大规模批量生产的半导体产业,规模效应明显,需要较大的前期投入才能产出结果,这也导致了这一行业强者恒强。目前 CMOS 传感器厂商有数十家,但是据 YOLE 的统计,在 2016 年行业前三的厂商索尼、三星、豪威的市场占有率之和达到了 72%,市场集中度高。

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2016 年 CMOS 传感器集中度提升,三巨头市占率之和为 72%


索尼稳坐 CMOS 传感器市场头把交椅,三星和豪威紧随其后。据 YOLE 统计,行业龙头索尼在 2016年占据了 42%的市场份额,产品涵盖各个消费类电子到各类行业应用领域,主攻高端市场,技术实力最强。其次是三星,主攻消费类电子市场,多是自产自销,在技术上紧追索尼,已经可以提供与索尼同级别的 CMOS 产品,但三星的 CMOS 在行业应用领域相对较少。第三位豪威科技,在行业应用上有很深的积累,尤其是在车载 CMOS 领域,市场占有率高过索尼。

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三家 CMOS 传感器龙头厂商中,索尼在规模上有显著优势


在下游各领域的旗舰和主流产品中,绝大部分采用了三巨头的 CMOS 传感器方案。 可以看到,近期市场热门的几款手机都是采用索尼、三星与 OV 的 CMOS 传感器,这三家厂商把持着大部分消费类电子领域 CMOS 传感器的市场份额。而在汽车和安防等行业应用领域一般都是选用安森美,OV 与索尼三家的产品,三星的 CMOS 一般只见于自家的终端产品上。

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热门手机采用的 CMOS 多为索尼与三星、豪威的产品


除了占据主流市场的三巨头外,还有定位于特高端、 低端市场的两类玩家。但在市场规模以及下游客户群方面,都无法和主流市场相媲美。 后两小节我们先介绍索尼、 三星以及国内部分厂商的 CMOS 传感器情况,关于豪威我们会在第 3 章重点介绍。

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CMOS 传感器三大梯队厂商在出货量、 ASP 上存在较大差异


一、索尼:技术领先,稳坐头把交椅


隶属于索尼半导体部门的 CMOS 传感器业务,已经成为索尼最赚钱的支柱业务之一。早在在 CMOS 图像传感器大面积应用之前,索尼的 CCD 图像传感器凭借灵敏度、信噪比等优势,在监控、交通等领域得到广泛应用。随着 CMOS 图像传感器逐渐成为主流,索尼依靠在 CCD 时代积累下来的雄厚技术实力,继续领跑。 其 2016 年 CMOS 传感器销售额达 48.58 亿美元,占整个半导体部门营收的 70%。而在 2017 财年(2017 年 4 月 1 日到2018 年 3 月 31 日)财报中,半导体业务拜 CMOS 热销所赐,销售额达到了 8500 亿日元(折合约 77.9 亿美元),同比增长达 10%;营业利润高达 1640 亿日元(折合 15 亿美元),创历史新高。


经过多年发展,索尼在技术上已然领跑业界,产品性能优异,新技术层出不穷,迭代迅速,其他对手短时间内难以撼动其领先地位。在消费类电子领域,索尼最具代表性的技术是堆栈式传感器技术。堆栈式传感器一经推出就受到了移动设备厂商的追捧,索尼也在此基础上进一步研发了带 DRAM 的三层堆栈式传感器。

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索尼率先开发出了堆栈式传感器技术


在行业应用上,索尼有 STARVIS 和 Pregius 两个主打技术。其中 STARVIS 主要用于安防领域,是将背照式 CMOS 的感光度进一步进行增强的技术,不仅增强了可见光的感光度,还提高了监控摄像机利用频度较高的近红外光等宽广波长范围的光的利用效率。而Pregius 是索尼对自家全域快门技术(Global shutter)的称呼,其原理是在像素下部增加存储单元,在曝光时所有像素同时曝光并将信息保存到对应的存储单元之中,以避免果冻效应。该技术主要用于工业机器视觉领域。

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索尼的 STARVIS 技术让 CMOS 感光度进一步增强


在产品上,索尼已经建立了业界最完善的 CMOS 产品线,涵盖各个领域,把持住中高端领域的市场份额。在消费类电子领域,无论手机还是相机,索尼 CMOS 已经成了各大厂商最常见的选择和高端产品的标配,例如 2017 年下半年发布的 IMX400 系列 CMOS,一经推出就受到了各大厂商的追捧,今年年初因拍照能力出众而大放异彩的华为 P20 PRO,也采用了索尼最新的 IMX600 传感器。而在多数行业领域,尤其是在安防和工业视觉这类细分领域上,索尼也属于领导者,只有在部分高端领域仍不及 Teledyne Dalsa、安森美和e2v 这些老牌工业级图像传感器供应商。

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索尼的主要 CMOS 产品


二、三星:背靠集团资源,在消费领域异军突起


三星的消费类 CMOS 传感器一直紧追索尼不放,并逐步缩小技术上的差距。如今,索尼面向手机的新 CMOS 一推出,三星就能紧随其后发布性能表现类似的产品,例如索尼发布三层堆栈 CMOS 传感器 IMX400 后不久,三星就推出了对标的产品 S5K2L3,并混用在自家的 S 和 Note 系列旗舰产品上,性能表现优异。近几年来三星对自家旗舰机主摄像头CMOS 都采用混合供货的原则,不同地区不同版本手机分别采用索尼 IMX 系列和三星ISOCELL 传感器。


2013 年,三星推出了 ISOCELL 技术,使得其 CMOS 传感器性能有了质的提升。 事实上,在 Galaxy S5 之前,三星传感器基本上只会出现在入门级别千元机;其后三星在Galaxy S5 搭载了使用 ISOCELL 技术的 CMOS,其表现得到了市场认可,又恰逢索尼的CMOS 出现缺货潮,已有知名度的三星 CMOS 传感器借此推广,国内的华为、魅族、小米、OPPO 等厂商部分机型也开始尝试使用。从此三星 CMOS 打开了通往中高端市场的大门。

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三星 ISOCELL 技术使得像素之间串扰现象减少


而在行业应用领域,三星相比竞争对手较为落后。在车载 CMOS 领域,三星的份额几乎为 0,在安防领域等其余行业应用领域,三星的 CMOS 基本处于自产自销的状态。但是三星 CMOS 业务背靠的是整个三星集团,在各个产品条线上应用潜力很大。凭借三星集团雄厚的财力和资源扶持,未来三星的 CMOS 传感器业务有望积累更强的竞争力。

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三星主要 CMOS 传感器产品


国内 CMOS 厂商:

主要面向中低端市场,积极发展自主技术


总体来说,国内的 CMOS 传感器厂商在规模和技术上与国外厂商还存在一定的差距,产品主要用于中低端消费类电子领域。但是,一些国内领先的 CMOS传感器厂商如思比科、格科微等,依托自主核心技术,正逐步扩大份额、 向中高端市场渗透。


一、思比科(Superpix)


思比科微电子技术股份有限公司成立于 2004 年,是专门从事 CMOS 图像传感器研发和销售的 Fabless 厂商。公司基于自主核心技术“超级像素信号处理技术(SuperPix)”和“超级图像处理技术(Superlmage)”开发了大量国内性能领先的 CMOS 图像处理器。主打低像素 CMOS 产品,主要产品涵盖了 30 万像素、 130 万像素、 200 万像素和 500 万像素范围,价格均比较便宜,在中低端市场认可度较高,被广泛用于手机摄像头、平板电脑摄像头和电脑摄像头上。


已经在中低端领域站稳脚跟的思比科,正谋求向中高端领域进发。 2015 年后,公司开发了 800 万像素和 1200 万像素芯片产品,并成功投放市场,取得了不错的反响,其 CMOS产品也打进了一些热门手机的供应链,如 360 推出的 N7 手机。

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思比科主要产品


除上述应用领域之外,思比科在指纹识别、虹膜识别、医疗影像、测绘等高附加值特种传感器芯片方面的研发取得了一些创新成果:


(1)与合作伙伴合作,思比科研制成功了高精度光学式指纹识别传感器芯片和超薄型光学式指纹识别模组。该技术可提供更高的分辨率和活体特征,大幅度提高指纹识别的安全性。


(2)虹膜识别图像传感器芯片被合作伙伴用于虹膜识别手机、虹膜识别平板电脑和智

能门锁等新产品之中。


(3)医疗内窥镜 CMOS 图像传感器芯片应用于心血管微创手术和胃镜内窥镜等医疗

设备。


(4)观测设备用 CMOS 图像传感器芯片应用于国产观测设备。


(5)机器视觉芯片应用于点读笔、无人机悬停定位、工业测距等领域。


公司于 2015 年在新三板挂牌,也是韦尔股份正在推动的资产重组的标的公司之一。公司 2016 年和 2017 年营业收入分别为 4.61 亿元和 4.62 亿元,净利润分别为 292 万元和-1488 万元。利润降低主要原因是手机市场增长放缓,对中低端 CMOS 产品的需求减弱,且中低端市场竞争激烈,导致产品售价与毛利率下滑,进而影响了利润。

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思比科近年业绩及毛利率情况


二、格科微(GalaxyCore)


格科微成立于 2003 年,主要从事 CMOS 图像传感器、 LCD 驱动芯片、高端嵌入式多媒体 SOC 芯片及应用系统的设计开发和销售。在成立初期,格科微从电脑摄像头用的CMOS 起步,07 年起进军到手机领域,借助着中国手机快速成长的一波浪潮,迅速占领了中低端市场。 


2014 年,格科微 CMOS 图像传感器芯片的出货量超过 9.4 亿颗,LCD 驱动芯片的出货量超过 1 亿颗,全年销售总额突破 3.5 亿美金,在国内 CMOS 图像传感器芯片的出货量排名第一,全球市场出货量排名第二。但在此之后格科微进军高端市场不利,中低端市场面临思比科等的强力冲击。

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格科微重大技术突破


国内其他主要的CMOS 厂商包括比亚迪微电子、 长光辰芯、锐芯微等。


老牌厂商豪威科技正在蓄势腾飞


之前被国内资本收购的豪威科技,也是传感器领域的一个重要角色,因为其本身位置特殊性,我们在这里特意分开来说。


豪威科技(Omnivision,简称 OV)于 1995 年于美国加利福尼亚成立,是一家领先的数字图像处理方案提供商。其 CameraChip 和 AmeraCubeChip 系列 CMOS 图像传感芯片广泛应用于消费级和工业级应用。 美国豪威于 2000 年在纳斯达克上市,中国财团于2016 年完成对美国豪威的私有化交易,并计划登陆 A 股。 2018 年 5 月,韦尔股份披露公告,重启了对豪威的收购。

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豪威的重要发展里程碑


豪威在 CMOS 传感器市场占有率约 12%,与第二梯队拉开了差距。 豪威 2015、 2016年 CMOS 传感器销售额分别达到 12.5 亿美元、 14.4 亿美元(据 YOLE 统计数据),市占率分别为 12.2%和 12.4%。这一规模仅次于索尼和三星,是排名第四位的安森美的 2 倍。


公司下游应用领域主要涉及智能手机、车载摄像头、医疗摄像头、监控设备、无人机、VR/AR 摄像头等方面。 根据 BDO 编写的 CCD/CMOS 图像传感器市场分析析报告,豪威在安防领域的市占率达 56%,在汽车领域的市占率有 29%。除此之外,豪威在医疗影像市场、物联网市场和特种应用市场等诸多新兴领域也表现出快速发展的态势。


豪威作为 CMOS 领域深耕已久的厂商,具备业内领先的技术实力。 截至 2018 年 5 月底,豪威拥有 4060 项专利技术;2017 年研发投入超过 10 亿元,占营业收入 10%以上;在全球多地设立了分支机构和研发中心,具有和索尼等一较高下的实力。

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豪威科技专利数量保持快速增长态势


CMOS 传感器是豪威主要收入来源,其占主营业务比重连续三年超过 94%,且毛利率稳中有升,从 2016 年的 16.54%增长到 2018 年 1-5 月的 24.83%。 主要用于支持 CMOS传感器的 ASIC 芯片毛利率较高,且有明显的上升趋势。此外,硅基液晶投影显示芯片(LCOS)毛利率降幅明显,主要原因为产品结构调整,新产品仍处于磨合阶段;微型影像模组封装(Camera Cube Chip)毛利率均为负数,主要是由于设备折旧成本高。这两类产品在公司业务中占比极小,不会对公司盈利造成明显影响。

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豪威 2018 年 1-5 月分产品收入占比


在 2011 年之前,豪威是 CMOS 传感器市场的老大,但此后遭遇竞争对手夹击。 索尼在 2010 年的市场份额还仅为 7%左右,但由于豪威在 2011 年丢掉苹果手机订单,同时大量高端旗舰手机转投索尼的怀抱,从 2011 年后索尼传感器就一路高歌猛进,市场份额不断提升,甚至在 2014 年开始出现了供不应求的情况。三星成功利用这一机遇打进了供求关系相对紧张的 1300 万像素传感器市场,得以被大量手机品牌厂商采用,一举超过了豪威成为了市场第二。在低端市场,豪威也面临中韩厂商的冲击。好在豪威依然凭借出色的技术维持住了市场份额,并逐渐与市场的第二梯队拉开了差距。


近来,韦尔股份对豪威再次发起了收购,不同于索尼和三星,它没有自己的代工厂,也没有背后的商业帝国。所以豪威此前常常会遇到产能不足和代工厂技术泄密的困扰。豪威若与韦尔股份强强联手,有望借助与中国资本市场深度对接的优势,更好的在技术革新、建立合作关系及资金筹集这三个方面下功夫,建立产能稳定的代工封测体系,对接国内大量客户资源,以迎接 CMOS 传感器领域巨大的发展机遇,开启发展新纪元。


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