行業(yè)研究光電行業(yè)的成果與發(fā)展分析

1、行業(yè)研究光電行業(yè)的成果與開展分析一、成像三要素：傳感器、鏡頭、算法身處移動(dòng)智能時(shí)代,智能 已是隨處可見高頻使用的終端產(chǎn)品,全球以及國(guó)內(nèi)智能手機(jī)以往享受功能機(jī)向智能機(jī)的過(guò)渡、4G網(wǎng)絡(luò)普及、智能機(jī)高端升級(jí)等紅利迎來(lái)高速增長(zhǎng).網(wǎng)絡(luò)通信更新?lián)Q代與 形態(tài)、功能的變化顛覆行業(yè)固有格局,昔日的摩托羅拉、諾基亞已寂靜落寞,4G時(shí)期智能 行業(yè)形成蘋果、三星、華為、OPPO、vivo、小米六大廠商瓜分天下的格局.5G時(shí)代,智能 終端廠商為了爭(zhēng)取更多市場(chǎng)份額在外觀和功能方面的創(chuàng)新將大展拳腳、百花齊放.以 攝像頭為例,鏡頭模組一般由對(duì)焦馬達(dá)、鏡片、紅外濾光片、基座、圖像傳感器、PCB/FPC等零部件組成.手機(jī)成像機(jī)制

2、可以簡(jiǎn)單概括為當(dāng)光線透過(guò)鏡片后會(huì)聚在圖像傳感器,傳感器記錄其圖像信息弁通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),然后交由圖像處理器進(jìn)行后期優(yōu)化,最終輸出在顯示屏幕. 影響最終圖片成像效果的主要包括三個(gè)方 面：圖像傳感器、鏡頭與成像算法. 圖像傳感器：當(dāng)外界光透過(guò)鏡片照射在感光單元陣列時(shí),圖 像傳感器通過(guò)感光單元陣列將攜帶拍攝對(duì)象的亮度以及色彩等信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),最后再將數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理 弁對(duì)外輸 出.圖像傳感器作為 光電轉(zhuǎn)換的感光元器件, 是攝像頭模組的核心零部件,對(duì)于成像效果起著至關(guān)重要的 作用.圖像傳感器夜間感光性能、感光面積以及量子效率等會(huì)

3、直接影響到圖像的輸出質(zhì)量.鏡頭：鏡頭作用主要在于將光線會(huì)聚至圖像傳感器,具透光 率以及折射角度會(huì)影響 到進(jìn)入圖像傳感器像素點(diǎn)的光線數(shù) 量.在材質(zhì)方面,玻璃鏡片的透光性能優(yōu)于塑料鏡片,但在本錢方面處于劣勢(shì),因此廠商會(huì)采用玻塑混合的折中方案 以改善成像, 如1G6P 1片玻璃鏡片+6片塑料鏡片.此 外鏡片數(shù)量也會(huì)影響成像的效果,鏡片數(shù)量更多有助于對(duì)光線的修正,可往往伴隨著光軸偏移概率提升、制造良率下 降等問題.圖8:小米CC9配置7P鏡頭,小米CC9 Pro配置8P鏡頭小米 CCO Pro 1 8 EL國(guó)靖加曼至/卦由出片理小 itCCTRro全系標(biāo)配7P鏡頭孽光元外事宜世大-4R翱足#宜懾生用時(shí)

4、才噓通足龍軍度:僵過(guò)ft.力/%川,仆成像算法：除了硬件外,各家 廠商的軟件算法對(duì)于成像效果的影響舉足輕重,通過(guò)對(duì)多張照片以及多個(gè)攝像頭獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理,可以將優(yōu)化后的圖像輸出,軟件算法在自動(dòng)對(duì)焦、防抖、 HDR、背景虛化等方面的加持也 使得廠商能在硬件條件薄弱時(shí)獲得媲美友商 堆料的效 果,如熱衷于改良相機(jī)軟件算法的谷歌 Pixel系列 .在評(píng)價(jià)各大廠商的影像水平方面,業(yè)內(nèi)一般參考DXOMARK 的評(píng)分,國(guó)內(nèi)安卓廠商如 華為、小米等在光學(xué)升級(jí)的軍備競(jìng)賽使得其幾乎輪流坐該榜單的鐵王座工而各家旗艦機(jī)的高配版在影像系統(tǒng)的硬件投入更是不遺余力.截至2021年3月10日,DXOMARK 影像評(píng)分排

5、在前列的機(jī)型包括華為 Mate 40/P40系列、小米10系列、VivoX50系 列以及iPhone 12系列等.拋開軟件算法不談,在硬件層面,CMOS圖像傳感器會(huì)極大地影響到拍照以及視頻的成 像質(zhì)量,根據(jù) DXOMARK 網(wǎng) 站公布的多個(gè)評(píng)分維度,CMOS圖像傳感器的性能會(huì)牽連 諸多細(xì)項(xiàng)弁最終作用于成像的好壞.而CMOS圖像傳感器的技術(shù)迭代是其性能制勝的 關(guān)鍵點(diǎn),在DXOMARK評(píng)分靠 前的品牌旗艦機(jī)多使用 Sony的CIS芯片,Sony在曾經(jīng)也 引領(lǐng)CIS行業(yè)的技術(shù)開展.二、技術(shù)迭代：行業(yè)玩家?guī)捉?jīng)沉浮縱覽成像技術(shù)的開展歷史,從最早的膠片影像時(shí)代到后面的 電子影像時(shí)代,而電子影像 時(shí)代又可以

6、智能 高度滲透 的2022年為界限劃分為數(shù)碼影像時(shí)代以及移動(dòng)影像時(shí)代.不同時(shí)代承載影像的技術(shù)以及終端有著巨大差異,影像技術(shù) 的進(jìn)步也順應(yīng)了消費(fèi)者便捷 完善記錄美好生活的追求.不難看出,幾輪影像技術(shù)迭代周期愈來(lái)愈短,行業(yè)參與者也 幾經(jīng)沉浮,最終依舊是具備技術(shù)實(shí)力廠商幸存.膠片影像時(shí)代(1865-1985) : 19世紀(jì)60年代全球第一張彩色照片問世,象征著影像時(shí)代大幕的開啟.當(dāng)時(shí)依舊是膠片機(jī)的天下,徒卡、哈蘇、富士、柯達(dá)等廠商是彼時(shí)聲名顯赫的消費(fèi)級(jí)相機(jī)以及膠卷品牌.20世紀(jì)50年代,光電倍增管(PMT , Photo Multiplier Tube)圖像傳感器問世,在 性能方面表現(xiàn)突出但受限于造

7、價(jià)過(guò)高主要應(yīng)用于專業(yè)掃描以及印刷等領(lǐng)域,弁未撼動(dòng)消費(fèi)級(jí)膠片相機(jī)的地位.數(shù)碼影像時(shí)代(1985-2022) : 20世紀(jì)70年代CCD(Charge Coupled Device ,電荷耦合元件)圖像傳感器的 問世翻開了數(shù)碼影像時(shí)代的大門,CCD的體積以及造價(jià)相較于膠片以及PMT優(yōu)勢(shì)明顯,順理成章在相機(jī)、掃描儀與 工業(yè)等領(lǐng)域快速 普及,同時(shí)也成就了佳能與尼康兩大數(shù)碼 相機(jī)巨頭.20世紀(jì)末CMOS圖像傳感器開始憑借本錢、功 耗與集成度等突出優(yōu)勢(shì)開始在數(shù)碼相機(jī)逐步取代CCD地位,后 面也迎來(lái)了移動(dòng)終端的風(fēng)口,迅速應(yīng)用在智能手 機(jī)、個(gè)人電腦、平板電腦等消費(fèi)電子領(lǐng)域.移動(dòng)影像時(shí)代2022-至今：CMOS

8、圖像傳感器在消費(fèi)電 子、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域 幾乎完成了對(duì)于 CCD的替代,在消 費(fèi)電子圖像傳感器市場(chǎng)建立起統(tǒng)治級(jí)地位,而智能 的高度普及也意味著普通居民邁向移動(dòng)影像時(shí)代,伴隨而來(lái)的 是數(shù)碼相 機(jī)市場(chǎng)的萎靡不振. CMOS圖像傳感器的迅速普 及也成就了包括索尼、三星、豪 威、格科微等諸多參與 者.圖18: 2022年以后數(shù)鶴相機(jī)出貨量衰退明顯三、CMOS vs CCD :生而非凡作為在電子影像時(shí)代廣泛應(yīng)用的兩大圖像傳感器技術(shù)方案,CCD與CMOS圖像傳感器在工作原理方面兩者大同小異,都是通過(guò)感光二極管完成光電轉(zhuǎn)換,再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字號(hào),但是數(shù)據(jù)傳送方式存在差異.CMOS圖像傳感器在每個(gè)像素中嵌入了放

9、大器弁完 成電荷-電壓的轉(zhuǎn)換,且其讀取 速度更快,經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換后對(duì)外輸出數(shù)字信號(hào).而 CCD圖 像傳感器每行中的像素電荷數(shù)據(jù)依次累積傳輸至下一像素, 最后會(huì)聚至最底部,再經(jīng) 過(guò)放大器統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為電壓放大輸 出.因此CCD與CMOS的傳送方式差異可概括為“CCD先轉(zhuǎn)移再轉(zhuǎn)換,而CMOS先轉(zhuǎn)換再轉(zhuǎn)移工正是由于兩者的數(shù)據(jù)傳送方式以及工藝差異,因此兩者的優(yōu)劣勢(shì)十清楚顯.在本錢、功耗、讀取速度等方面CMOS領(lǐng)先于CCD,而在靈敏度、分辨率、噪聲限制等方面,CMOS圖像傳感器稍有遜色.CMOS的諸多優(yōu)勢(shì)造就了 CMOS與生俱來(lái)的普適性,行 業(yè)巨頭引領(lǐng)的技術(shù)迭代又進(jìn) 一步穩(wěn)固其在行業(yè)開展過(guò)程中的領(lǐng)先地位.

10、如今,智能 影像效果提升高度依賴于CMOS圖像傳感器的技術(shù)創(chuàng)新與升級(jí),即便 可借力后期算法,最大限度保 存大量原始圖像的光學(xué)信息對(duì)于增強(qiáng)后期加工容忍度也大有 裨益.當(dāng)前CMOS圖像主要三大升級(jí)方向?yàn)楦呦袼亍⒏邘?率與高成像效果,囊括了像素尺寸、CIS尺寸、像素?cái)?shù)量、架構(gòu)、量子效率、靈敏度等諸多技術(shù)指標(biāo).為了到達(dá)更為優(yōu) 異技術(shù)指標(biāo),考驗(yàn)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)CMOS圖像傳感器的設(shè)計(jì)、制造與封測(cè)等多方面的更高水準(zhǔn).四、像素層： CIS的不可能三角像素?cái)?shù)量多、單個(gè)像素尺寸大、CIS面積小三者不能同時(shí)滿足.高像素的三個(gè)衡量指標(biāo) 包括像素?cái)?shù)量、單個(gè)像素尺寸 與感光元件的尺寸,其中感光元件的尺寸與像素?cái)?shù)量、像 素尺寸

11、正相關(guān),可簡(jiǎn)單理解為感光元件面積S=像素?cái)?shù)量N ?單個(gè)像素面積s.像素?cái)?shù)量以及像素尺寸的增 長(zhǎng)對(duì)于成像有積極作用,而CIS面積的縮小有利于降低品圓代工的本錢.因此對(duì)于 廠商而言,理論上追求的是 像素?cái)?shù)量多、單個(gè)像素尺寸大、CIS面積小,但是在本錢管控以及 輕薄化約束下,三者往往不能同時(shí)滿足必須舍 棄其一,即 不可能三角由于每條邊的選擇都有其固有 缺陷,因此在主攝高清化升級(jí)趨勢(shì)下,廠商往往選擇犧牲單個(gè)像素的尺寸.從高清到超清,攝像頭像素跨越式升級(jí).攝像頭像素由8M升級(jí)至12M ,智能 拍照進(jìn)入了高清時(shí)代.在安卓陣營(yíng) 領(lǐng)導(dǎo)品牌的持續(xù)創(chuàng)新下,旗艦智能 已經(jīng)步入超清拍攝 的新階段.2022年,高端旗艦

12、 將 4800萬(wàn)像素后置主攝 作為主打賣點(diǎn)之一,2022年三星、小米等品牌更是繼續(xù)以 億級(jí)像素作為營(yíng)銷熱點(diǎn).從全球 鏡頭像素結(jié)構(gòu)分布變化來(lái)看,低像素區(qū)間占比下降明顯,而高像素區(qū)間產(chǎn)品滲透 率逐步提升,此外像素規(guī) 格的天花板亦不斷被突破.圖23:全球 攝像頭分像素出貨量：億顆 200萬(wàn)像素以下單像素尺寸不斷縮小,高端旗艦市場(chǎng)三足鼎立".在智能 領(lǐng)域,像素?cái)?shù)量的增加勢(shì)必帶來(lái)CIS芯片尺寸的增長(zhǎng),因此縮小單個(gè)像素尺寸迫在眉睫,形成了行業(yè)技術(shù)開展趨勢(shì).早年的像素尺寸從 2.0 上迅速縮小至1.7技術(shù)迭代較快,彼時(shí)引領(lǐng)行業(yè) 技術(shù)開展的為美光.2022年以來(lái)受益于背照式BSD CIS技術(shù)的問世,

13、以索尼 為代表的CIS廠商產(chǎn) 品規(guī)格從1.4 m升級(jí)至1.1 實(shí)現(xiàn) 了智能 主攝向800萬(wàn)像素升級(jí).2022-2022年,由于單個(gè)像素感光效率下降以及像素間的串?dāng)_問題,像素尺寸縮小 速度有所放緩,三星運(yùn)用 DTI 深 溝槽隔離技術(shù)降低像素間串?dāng)_問題,推出1.0以傲術(shù)產(chǎn)品.2022年以來(lái),隨著 QUAD像素結(jié)構(gòu)的問世,CIS像素尺寸 縮小軍備競(jìng)賽提速,行 業(yè)保持每年一代的升級(jí)節(jié)奏,三星 對(duì)于小像素技術(shù)樂此不疲.技術(shù)迭代速度的加快,也意味著高端旗艦CIS市場(chǎng)的行業(yè)格局趨向集中,只有局部具備 技術(shù)實(shí)力的大廠 能夠獲取客戶,形成了以索尼、三星、豪 威為代表的 三足鼎立"格局.CIS尺寸增長(zhǎng)趨

14、勢(shì)明顯. 縱然單像素尺寸在縮小,但是考慮 到像素?cái)?shù)量增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于像素縮小的幅度,因此CIS的尺寸依舊在增長(zhǎng).對(duì)于本錢敏感度較低的高端旗艦機(jī) 往往追求極致的影像效果,多采用大底、高像素策略,搭載 的CIS尺寸將有望向卡片機(jī)、單反看齊突破1英寸.此前三星發(fā)布的GN2圖像傳感器尺寸為1/1.12英寸,最大像素 為50MP, HM2圖像傳感器尺寸為1/1.52英寸,最大像素 為108MP, GN以及HM系列的大底與高像素定位清楚.單像素尺寸的縮小至 1.0 地下會(huì)導(dǎo)致感光水平的下降, 諸多廠商解決之道是將原本應(yīng)用在相機(jī)CIS的像素四合一技術(shù)轉(zhuǎn)移至 CIS.傳統(tǒng)CIS像素陣列為“RGGB排 列,即

15、每四個(gè)相鄰像素中有兩個(gè)綠色像素,像素四合一 技術(shù)將四個(gè)同色像素合弁為 一個(gè)大像素,即索尼、三星、豪 威命名的 “Quad Bayer"、 “Tetracell、 “4CELE 技術(shù). 圖287 Bayer陣列像素示意圖Bayer像素傳感器Quad Bayer像素陣列可以針對(duì)特定場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)兩種模式,即在暗光環(huán)境下的總和模式以及亮光環(huán)境下的 Remosaic模式,分別適合于夜間以及白天成像.在總和模式下,圖像以2? 2合弁像素輸出,通過(guò)降低像素來(lái)提升靈敏度以及信噪比.Remosaic模式那么是在 CIS芯片上通過(guò)插值對(duì)像素進(jìn) 行重排實(shí)現(xiàn)全像素輸出,最終到達(dá)分辨率提升的效果.五、架構(gòu)：堆疊式

16、成就無(wú)限風(fēng)光背照式開啟3D堆疊式CMOS圖像傳感器開展大門.早期的CIS芯片架構(gòu)為前照式,2022年索尼率先將成熟的背照式CIS架構(gòu)商用,可極大改善夜間弱光拍照效果.原本 CIS 芯片像素層與邏輯層位于同一塊芯片,背照式架構(gòu)的問世叩 開了堆疊式CMOS圖像傳感器開展的大門,使得像素層與 邏輯層別離成為可能,且在像素層下方可以繼續(xù)引入存儲(chǔ)以及計(jì)算層芯片以實(shí)現(xiàn)更高速的讀取和更強(qiáng)大的圖像處理性 能.背照式CIS架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于高感光度與低噪點(diǎn).相比擬前照式CIS架構(gòu),背照式將光 電二極管置于引線、晶體管上 方,使得光線直接進(jìn)入到光電二極管防止光線被遮擋,同 時(shí)對(duì)于入射光的角度容忍度更高,大幅增加感光量

17、.前照式 到背照式帶來(lái)感光量的提升 意味著,在同等條件下背照式CIS架構(gòu)可以將單個(gè)像素的尺寸做到更小,進(jìn)一步提升 CIS 的分辨率.堆疊式CIS架構(gòu)實(shí)現(xiàn)本錢與功能的最優(yōu)解.CIS采用堆疊式架構(gòu)意味著 CIS整體面積 的縮小,像素區(qū)域面積占比的 提升,同時(shí)像素層以及邏輯層的別離可以實(shí)現(xiàn)本錢與功能 的最優(yōu)解,像素層追求高畫質(zhì)而邏輯層力圖實(shí)現(xiàn)功能化.近年來(lái),索尼、三星等廠商在CIS芯片中添加 DRAM 或ISP圖像信號(hào)處理器層以實(shí)現(xiàn)特定功能全局快門、高幀率、AI功能等,逐步向 “SoC圖像傳感器方向演變.像素 層對(duì)制程要求較低,廠商 多使用45nm以上成熟制程,而先進(jìn)制程對(duì)提升邏輯層的數(shù)據(jù)處理量以及速度大有裨益.以索尼IMX400圖像傳感器為例,其像素層、DRAM、ISP層分別使用90nm、30nm、40nm制程,不同制程對(duì)應(yīng)的晶圓代 工本錢或有差異.圖33:堆總式架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)以及小型化堆疊式CIS方案的誕生也引中出像素層與邏輯層芯片之間的垂直互聯(lián)問題,目前主流的 互聯(lián)技術(shù)包括 TSV 硅通 孔方案以及混合鍵合Hybrid Bonding 技術(shù)方案,未 來(lái)的開展方向或?yàn)閮烧呷诤戏桨?TSV方案：TSV連接技術(shù)通過(guò)穿透像素層填充