行业研究光电行业的成果与发展分析.docx

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行业研究光电行业的成果与发展分析

行业研究光电行业的成果与发展分析

一、成像三要素：

传感器、镜头、算法

身处移动智能时代，智能手机已是随处可见高频使用的终端产品，全球以及国内智能手机以往享受功能机向智能机的过渡、4G网络普及、智能机高端升级等红利迎来高速增长。

网络通信更新换代与手机形态、功能的变化颠覆行业固有格局，昔日的摩托罗拉、诺基亚已沉寂落寞，4G时期智能手机行业形成苹果、三星、华为、OPPO、vivo、小米六大厂商瓜分天下的格局。

5G时代，智能手机终端厂商为了争取更多市场份额在外观和功能方面的创新将大展拳脚、百花齐放。

以手机摄像头为例，镜头模组一般由对焦马达、镜片、红外滤光片、基座、图像传感器、PCB/FPC等零部件组成。

手机成像机制可以简单概括为当光线透过镜片后汇聚在图像传感器，传感器记录其图像信息并通过模数转换器将其转化为数字信号，然后交由图像处理器进行后期优化，最终输出在显示屏幕。

影响最终图片成像效果的主要包括三个方面：

图像传感器、镜头与成像算法。

图像传感器：

当外界光透过镜片照射在感光单元阵列时，图像传感器通过感光单元阵列将携带拍摄对象的亮度以及色彩等信息的光信号转换为电信号，再通过模数转换模块将电信号转换为数字信号，最后再将数字图像信号进行预处理并对外输出。

图像传感器作为“光电转换”的感光元器件，是摄像头模组的核心零部件，对于成像效果起着至关重要的作用。

图像传感器夜间感光性能、感光面积以及量子效率等会直接影响到图像的输出质量。

镜头：

镜头作用主要在于将光线汇聚至图像传感器，其透光率以及折射角度会影响到进入图像传感器像素点的光线数量。

在材质方面，玻璃镜片的透光性能优于塑料镜片，但在成本方面处于劣势，因此厂商会采用玻塑混合的折中方案以改善成像，如1G6P（1片玻璃镜片+6片塑料镜片）。

此外镜片数量也会影响成像的效果，镜片数量更多有助于对光线的修正，可往往伴随着光轴偏移概率提升、制造良率下降等问题。

成像算法：

除了硬件外，各家手机厂商的软件算法对于成像效果的影响举足轻重，通过对多张照片以及多个摄像头获取的数据进行加工处理，可以将优化后的图像输出，软件算法在自动对焦、防抖、HDR、背景虚化等方面的加持也使得厂商能在硬件条件薄弱时获得媲美友商“堆料”的效果，如热衷于改进相机软件算法的谷歌Pixel系列手机。

在评价各大厂商的影像能力方面，业内一般参考DXOMARK的评分，国内安卓厂商如华为、小米等在光学升级的军备竞赛使得其几乎轮流坐该榜单的“铁王座”，而各家旗舰机的高配版在影像系统的硬件投入更是不遗余力。

截至2021年3月10日，DXOMARK手机影像评分排在前列的机型包括华为Mate40/P40系列、小米10系列、VivoX50系列以及iPhone12系列等。

抛开软件算法不谈，在硬件层面，CMOS图像传感器会极大地影响到拍照以及视频的成像质量，根据DXOMARK网站公布的多个评分维度，CMOS图像传感器的性能会牵连诸多细项并最终作用于成像的好坏。

而CMOS图像传感器的技术迭代是其性能制胜的关键点，在DXOMARK评分靠前的品牌旗舰机多使用Sony的CIS芯片，Sony在曾经也引领CIS行业的技术发展。

二、技术迭代：

行业玩家几经沉浮

纵览成像技术的发展历史，从最早的胶片影像时代到后面的电子影像时代，而电子影像时代又可以智能手机高度渗透的2015年为界限划分为数码影像时代以及移动影像时代。

不同时代承载影像的技术以及终端有着巨大差异，影像技术的进步也顺应了消费者便捷完善记录美好生活的追求。

不难看出，几轮影像技术迭代周期愈来愈短，行业参与者也几经沉浮，最终依旧是具备技术实力厂商幸存。

胶片影像时代（1865-1985）：

19世纪60年代全球第一张彩色照片问世，象征着影像时代大幕的开启。

当时依旧是胶片机的天下，徕卡、哈苏、富士、柯达等厂商是彼时声名显赫的消费级相机以及胶卷品牌。

20世纪50年代，光电倍增管（PMT，PhotoMultiplierTube）图像传感器问世，在性能方面表现突出但受限于造价过高主要应用于专业扫描以及印刷等领域，并未撼动消费级胶片相机的地位。

数码影像时代（1985-2015）：

20世纪70年代CCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合元件）图像传感器的问世打开了数码影像时代的大门，CCD的体积以及造价相较于胶片以及PMT优势明显，顺理成章在相机、扫描仪与工业等领域快速普及，同时也成就了佳能与尼康两大数码相机巨头。

20世纪末CMOS图像传感器开始凭借成本、功耗与集成度等突出优势开始在数码相机逐步取代CCD地位，后面也迎来了移动终端的风口，迅速应用在智能手机、个人电脑、平板电脑等消费电子领域。

移动影像时代（2015-至今）：

CMOS图像传感器在消费电子、工业、医疗等领域几乎完成了对于CCD的替代，在消费电子图像传感器市场建立起统治级地位，而智能手机的高度普及也意味着普通居民迈向移动影像时代，伴随而来的是数码相机市场的萎靡不振。

CMOS图像传感器的迅速普及也成就了包括索尼、三星、豪威、格科微等诸多参与者。

三、CMOSvsCCD：

生而不凡

作为在电子影像时代广泛应用的两大图像传感器技术方案，CCD与CMOS图像传感器在工作原理方面两者大同小异，都是通过感光二极管完成光电转换，再将其转化为数字信号，但是数据传送方式存在差异。

CMOS图像传感器在每个像素中嵌入了放大器并完成电荷-电压的转换，且其读取速度更快，经过A/D转换后对外输出数字信号。

而CCD图像传感器每行中的像素电荷数据依次累积传输至下一像素，最后汇聚至最底部，再经过放大器统一转换为电压放大输出。

因此CCD与CMOS的传送方式差异可概括为“CCD先转移再转换，而CMOS先转换再转移”。

正是因为两者的数据传送方式以及工艺差异，因此两者的优劣势十分明显。

在成本、功耗、读取速度等方面CMOS领先于CCD，而在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面，CMOS图像传感器稍有逊色。

CMOS的诸多优势造就了CMOS与生俱来的普适性，行业巨头引领的技术迭代又进一步巩固其在行业发展过程中的领先地位。

如今，智能手机影像效果提升高度依赖于CMOS图像传感器的技术创新与升级，即便可借力后期算法，最大限度保存大量原始图像的光学信息对于增强后期加工容忍度也大有裨益。

当前CMOS图像主要三大升级方向为高像素、高帧率与高成像效果，囊括了像素尺寸、CIS尺寸、像素数量、架构、量子效率、灵敏度等诸多技术指标。

为了达到更为优异技术指标，考验产业链环节CMOS图像传感器的设计、制造与封测等多方面的更高水准。

四、像素层：

手机CIS的不可能三角

像素数量多、单个像素尺寸大、CIS面积小三者不能同时满足。

高像素的三个衡量指标包括像素数量、单个像素尺寸与感光元件的尺寸，其中感光元件的尺寸与像素数量、像素尺寸正相关，可简单理解为感光元件面积（S）=像素数量（N）✖单个像素面积（s）。

像素数量以及像素尺寸的增长对于成像有积极作用，而CIS面积的缩小有利于降低晶圆代工的成本。

因此对于手机厂商而言，理论上追求的是像素数量多、单个像素尺寸大、CIS面积小，但是在成本管控以及手机轻薄化约束下，三者往往不能同时满足必须舍弃其一，即“不可能三角”。

由于每条边的选择都有其固有缺陷，因此在主摄高清化升级趋势下，厂商往往选择牺牲单个像素的尺寸。

从高清到超清，摄像头像素跨越式升级。

摄像头像素由8M升级至12M，智能手机拍照进入了高清时代。

在安卓阵营领导品牌的持续创新下，旗舰智能手机已经步入超清拍摄的新阶段。

2019年，高端旗舰手机将4800万像素后置主摄作为主打卖点之一，2020年三星、小米等品牌更是继续以亿级像素作为营销热点。

从全球手机镜头像素结构分布变化来看，低像素区间占比下降明显，而高像素区间产品渗透率逐步提升，此外像素规格的天花板亦不断被突破。

单像素尺寸不断缩小，高端旗舰市场“三足鼎立”。

在智能手机领域，像素数量的增加势必带来CIS芯片尺寸的增长，因此缩小单个像素尺寸迫在眉睫，形成了行业技术发展趋势。

早年的像素尺寸从2.0μm以上迅速缩小至1.7μm，技术迭代较快，彼时引领行业技术发展的为美光。

2010年以来受益于背照式（BSI）CIS技术的问世，以索尼为代表的CIS厂商产品规格从1.4μm升级至1.1μm，实现了智能手机主摄向800万像素升级。

2011-2018年，由于单个像素感光效率下降以及像素间的串扰问题，像素尺寸缩小速度有所放缓，三星运用DTI（深沟槽隔离）技术降低像素间串扰问题，推出1.0μm技术产品。

2018年以来，随着QUAD像素结构的问世，CIS像素尺寸缩小军备竞赛提速，行业保持每年一代的升级节奏，三星对于小像素技术乐此不疲。

技术迭代速度的加快，也意味着高端旗舰CIS市场的行业格局趋向集中，只有部分具备技术实力的大厂能够获取客户，形成了以索尼、三星、豪威为代表的“三足鼎立”格局。

CIS尺寸增长趋势明显。

纵然单像素尺寸在缩小，但是考虑到像素数量增加的幅度远远高于像素缩小的幅度，因此CIS的尺寸依旧在增长。

对于成本敏感度较低的高端旗舰机往往追求极致的影像效果，多采用大底、高像素策略，搭载的CIS尺寸将有望向卡片机、单反看齐突破1英寸。

此前三星发布的GN2图像传感器尺寸为1/1.12英寸，最大像素为50MP，HM2图像传感器尺寸为1/1.52英寸，最大像素为108MP，GN以及HM系列的大底与高像素定位清晰。

单像素尺寸的缩小至1.0μm以下会导致感光能力的下降，诸多厂商解决之道是将原本应用在相机CIS的“像素四合一”技术转移至手机CIS。

传统CIS像素阵列为“RGGB”排列，即每四个相邻像素中有两个绿色像素，“像素四合一”技术将四个同色像素合并为一个大像素，即索尼、三星、豪威命名的“QuadBayer”、“Tetracell”、“4-CELL”技术。

QuadBayer像素阵列可以针对特定场景实现两种模式，即在暗光环境下的总和模式以及亮光环境下的Remosaic模式，分别适合于夜间以及白天成像。

在总和模式下，图像以2✖2合并像素输出，通过降低像素来提高灵敏度以及信噪比。

Remosaic模式则是在CIS芯片上通过插值对像素进行重排实现全像素输出，最终达到分辨率提升的效果。

五、架构：

堆叠式成就无限风光

背照式开启3D堆叠式CMOS图像传感器发展大门。

早期的CIS芯片架构为前照式，2009年索尼率先将成熟的背照式CIS架构商用，可极大改善夜间弱光拍照效果。

原本CIS芯片像素层与逻辑层位于同一块芯片，背照式架构的问世叩开了堆叠式CMOS图像传感器发展的大门，使得像素层与逻辑层分离成为可能，且在像素层下方可以继续引入存储以及计算层芯片以实现更高速的读取和更强大的图像处理性能。

背照式CIS架构的优势在于高感光度与低噪点。

相比较前照式CIS架构，背照式将光电二极管置于引线、晶体管上方，使得光线直接进入到光电二极管避免光线被遮挡，同时对于入射光的角度容忍度更高，大幅增加感光量。

前照式到背照式带来感光量的提升意味着，在同等条件下背照式CIS架构可以将单个像素的尺寸做到更小，进一步提高CIS的分辨率。

堆叠式CIS架构实现成本与功能的最优解。

CIS采用堆叠式架构意味着CIS整体面积的缩小，像素区域面积占比的提升，同时像素层以及逻辑层的分离可以实现成本与功能的最优解，像素层追求高画质而逻辑层力图实现功能化。

近年来，索尼、三星等厂商在CIS芯片中添加DRAM或ISP（图像信号处理器）层以实现特定功能（全局快门、高帧率、AI功能等），逐步向“SoC”图像传感器方向演变。

像素层对制程要求较低，厂商多使用45nm以上成熟制程，而先进制程对提升逻辑层的数据处理量以及速度大有裨益。

以索尼IMX400图像传感器为例，其像素层、DRAM、ISP层分别使用90nm、30nm、40nm制程，不同制程对应的晶圆代工成本或有差异。

堆叠式CIS方案的诞生也引申出像素层与逻辑层芯片之间的垂直互联问题，目前主流的互联技术包括TSV（硅通孔）方案以及混合键合（HybridBonding）技术方案，未来的发展方向或为两者融合方案。

TSV方案：

TSV连接技术通过穿透像素层填充金属（Cu/W等）实现与逻辑层的互联，需要在CIS周边预留出专用连接区域。

在2016年之前豪威、索尼、三星等厂商多采用TSV技术方案。

伴随着多层堆叠CIS的发展，TSV方案的多数量连接优势逐渐显现。

混合键合方案：

2016年在索尼的引领下，混合键合技术方案兴起，该技术方案通过金属（Cu等）实现上下两片晶圆表面的互联，相较于TSV方案，其优势在于可以进一步减少CIS芯片的厚度，然而精准度要求更高。

混合键合方案也使得像素级互联成为可能，达到单个像素与模数转换、内存的一一对应效果，提高读取速度，满足对低时延要求较高的应用领域，如自动驾驶、医疗影像等。