光學(xué)電子行業(yè)專題研究報告

光學(xué)電子行業(yè)專題研究報告一、成像三要素：傳感器、鏡頭、算法身處移動智能時代，智能手機(jī)已是隨處可見高頻使用的終端產(chǎn)品，全球以及國內(nèi)智能手

機(jī)以往享受功能機(jī)向智能機(jī)的過渡、4G網(wǎng)絡(luò)普及、智能機(jī)高端升級等紅利迎來高速增

長。網(wǎng)絡(luò)通信更新?lián)Q代與手機(jī)形態(tài)、功能的變化顛覆行業(yè)固有格局，昔日的摩托羅拉、

諾基亞已沉寂落寞，4G時期智能手機(jī)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時代，智能手機(jī)終端廠商為了爭取更多市場份額在外觀

和功能方面的創(chuàng)新將大展拳腳、百花齊放。以手機(jī)攝像頭為例，鏡頭模組一般由對焦馬達(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)制可以簡單概括為當(dāng)光線透過鏡片后匯聚在圖像

傳感器，傳感器記錄其圖像信息并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，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)外界光透過鏡片照射在感光單元陣列時，圖像傳感器通過感光單元

陣列將攜帶拍攝對象的亮度以及色彩等信息的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過模數(shù)

轉(zhuǎn)換模塊將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后再將數(shù)字圖像信號進(jìn)行預(yù)處理并對外輸

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匯聚至圖像傳感器，其透光率以及折射角度會影響

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，但在成本方面處于劣勢，因此廠商會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)量也會影響成像的效果，鏡

片數(shù)量更多有助于對光線的修正，可往往伴隨著光軸偏移概率提升、制造良率下降

等問題。成像算法：除了硬件外，各家手機(jī)廠商的軟件算法對于成像效果的影響舉足輕重，

通過對多張照片以及多個攝像頭獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，可以將優(yōu)化后的圖像

輸出，軟件算法在自動對焦、防抖、HDR、背景虛化等方面的加持也使得廠商能在

硬件條件薄弱時獲得媲美友商“堆料”的效果，如熱衷于改進(jìn)相機(jī)軟件算法的谷歌

Pixel系列手機(jī)。在評價各大廠商的影像能力方面，業(yè)內(nèi)一般參考

DXOMARK的評分，國內(nèi)安卓廠商如

華為、小米等在光學(xué)升級的軍備競賽使得其幾乎輪流坐該榜單的“鐵王座”，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手機(jī)影像評分排在前列的機(jī)型包括華為

Mate40/P40

系列、小米

10

系列、VivoX50

系

列以及

iPhone12

系列等。拋開軟件算法不談，在硬件層面，CMOS圖像傳感器會極大地影響到拍照以及視頻的成

像質(zhì)量，根據(jù)

DXOMARK網(wǎng)站公布的多個評分維度，CMOS圖像傳感器的性能會牽連

諸多細(xì)項(xiàng)并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)發(fā)展。二、技術(shù)迭代：行業(yè)玩家?guī)捉?jīng)沉浮縱覽成像技術(shù)的發(fā)展歷史，從最早的膠片影像時代到后面的電子影像時代，而電子影像

時代又可以智能手機(jī)高度滲透的

2015

年為界限劃分為數(shù)碼影像時代以及移動影像時代。

不同時代承載影像的技術(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

影像時代大幕的開啟。當(dāng)時依舊是膠片機(jī)的天下，徠卡、哈蘇、富士、柯達(dá)等廠商

是彼時聲名顯赫的消費(fèi)級相機(jī)以及膠卷品牌。20

世紀(jì)

50

年代，光電倍增管(PMT，

PhotoMultiplierTube)圖像傳感器問世，在性能方面表現(xiàn)突出但受限于造價過高主

要應(yīng)用于專業(yè)掃描以及印刷等領(lǐng)域，并未撼動消費(fèi)級膠片相機(jī)的地位。數(shù)碼影像時代（1985-2015）：20

世紀(jì)

70

年代

CCD（ChargeCoupledDevice，

電荷耦合元件）圖像傳感器的問世打開了數(shù)碼影像時代的大門，CCD的體積以及

造價相較于膠片以及

PMT優(yōu)勢明顯，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

開始憑借成本、功耗與集成度等突出優(yōu)勢開始在數(shù)碼相機(jī)逐步取代

CCD地位，后

面也迎來了移動終端的風(fēng)口，迅速應(yīng)用在智能手機(jī)、個人電腦、平板電腦等消費(fèi)電

子領(lǐng)域。移動影像時代（2015-至今）：CMOS圖像傳感器在消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域

幾乎完成了對于

CCD的替代，在消費(fèi)電子圖像傳感器市場建立起統(tǒng)治級地位，而

智能手機(jī)的高度普及也意味著普通居民邁向移動影像時代，伴隨而來的是數(shù)碼相

機(jī)市場的萎靡不振。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。三、CMOSvsCCD：生而不凡作為在電子影像時代廣泛應(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，都是通過感光二極管完成光電轉(zhuǎn)換，再將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字

信號，但是數(shù)據(jù)傳送方式存在差異。CMOS圖像傳感器在每個像素中嵌入了放大器并完

成電荷-電壓的轉(zhuǎn)換，且其讀取速度更快，經(jīng)過

A/D轉(zhuǎn)換后對外輸出數(shù)字信號。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，最后匯聚至最底部，再經(jīng)

過放大器統(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”。正是因?yàn)閮烧叩臄?shù)據(jù)傳送方式以及工藝差異，因此兩者的優(yōu)劣勢十分明顯。在成本、功

耗、讀取速度等方面

CMOS領(lǐng)先于

CCD，而在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面，

CMOS圖像傳感器稍有遜色。CMOS的諸多優(yōu)勢造就了

CMOS與生俱來的普適性，行

業(yè)巨頭引領(lǐng)的技術(shù)迭代又進(jìn)一步鞏固其在行業(yè)發(fā)展過程中的領(lǐng)先地位。如今，智能手機(jī)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，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圖像主要三大升級方向?yàn)楦呦袼?、高幀率與高成像效果，囊括了

像素尺寸、CIS尺寸、像素數(shù)量、架構(gòu)、量子效率、靈敏度等諸多技術(shù)指標(biāo)。為了達(dá)到

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、制造與封測等多方面

的更高水準(zhǔn)。四、像素層：手機(jī)

CIS的不可能三角像素數(shù)量多、單個像素尺寸大、CIS面積小三者不能同時滿足。高像素的三個衡量指標(biāo)

包括像素數(shù)量、單個像素尺寸與感光元件的尺寸，其中感光元件的尺寸與像素數(shù)量、像

素尺寸正相關(guān)，可簡單理解為感光元件面積（S）=像素數(shù)量（N）?單個像素面積（s）。

像素數(shù)量以及像素尺寸的增長對于成像有積極作用，而

CIS面積的縮小有利于降低晶圓

代工的成本。因此對于手機(jī)廠商而言，理論上追求的是像素數(shù)量多、單個像素尺寸大、

CIS面積小，但是在成本管控以及手機(jī)輕薄化約束下，三者往往不能同時滿足必須舍棄

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趨

勢下，廠商往往選擇犧牲單個像素的尺寸。從高清到超清，攝像頭像素跨越式升級。攝像頭像素由

8M升級至

12M，智能手機(jī)拍照

進(jìn)入了高清時代。在安卓陣營領(lǐng)導(dǎo)品牌的持續(xù)創(chuàng)新下，旗艦智能手機(jī)已經(jīng)步入超清拍攝

的新階段。2019

年，高端旗艦手機(jī)將

4800

萬像素后置主攝作為主打賣點(diǎn)之一，2020

年三星、小米等品牌更是繼續(xù)以億級像素作為營銷熱點(diǎn)。從全球手機(jī)鏡頭像素結(jié)構(gòu)分布

變化來看，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。單像素尺寸不斷縮小，高端旗艦市場“三足鼎立”。在智能手機(jī)領(lǐng)域，像素數(shù)量的增加勢

必帶來

CIS芯片尺寸的增長，因此縮小單個像素尺寸迫在眉睫，形成了行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨

勢。早年的像素尺寸從

2.0μm以上迅速縮小至

1.7μm，技術(shù)迭代較快，彼時引領(lǐng)行業(yè)

技術(shù)發(fā)展的為美光。2010

年以來受益于背照式（BSI）CIS技術(shù)的問世，以索尼為代表的

CIS廠商產(chǎn)

品規(guī)格從

1.4μm升級至

1.1μm，實(shí)現(xiàn)了智能手機(jī)主攝向

800

萬像素升級。2011-2018

年，由于單個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

μm技術(shù)產(chǎn)品。2018

年以來，隨著

QUAD像素結(jié)構(gòu)的問世，CIS像素尺寸縮小軍備競賽提速，行

業(yè)保持每年一代的升級節(jié)奏，三星對于小像素技術(shù)樂此不疲。技術(shù)迭代速度的加快，

也意味著高端旗艦

CIS市場的行業(yè)格局趨向集中，只有部分具備技術(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尺寸增長趨勢明顯?？v然單像素尺寸在縮小，但是考慮到像素數(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。對于成本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晰。單像素尺寸的縮小至

1.0μm以下會導(dǎo)致感光能力的下降，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)移至手機(jī)

CIS。傳統(tǒng)

CIS像素陣列為“RGGB”

排列，即每四個相鄰像素中有兩個綠色像素，“像素四合一”技術(shù)將四個同色像素合并為

一個大像素，即索尼、三星、豪威命名的“QuadBayer”、“Tetracell”、“4-CELL”技術(shù)。QuadBayer像素陣列可以針對特定場景實(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

合并像素輸出，通過降低像素來提高靈敏度以及信噪比。Remosaic模式則是在

CIS芯片上通過插值對像素進(jìn)行重排實(shí)現(xiàn)全像素輸出，最終達(dá)到分辨率提升的效果。五、架構(gòu)：堆疊式成就無限風(fēng)光背照式開啟

3D堆疊式

CMOS圖像傳感器發(fā)展大門。早期的

CIS芯片架構(gòu)為前照式，

2009

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

像傳感器發(fā)展的大門，使得像素層與邏輯層分離成為可能，且在像素層下方可以繼續(xù)引

入存儲以及計算層芯片以實(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)勢在于高感光度與低噪點(diǎn)。相比較前照式

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)入到光電二極管避免光線被遮擋，同

時對于入射光的角度容忍度更高，大幅增加感光量。前照式到背照式帶來感光量的提升

意味著，在同等條件下背照式

CIS架構(gòu)可以將單個像素的尺寸做到更小，進(jìn)一步提高

CIS的分辨率。堆疊式

CIS架構(gòu)實(shí)現(xiàn)成本與功能的最優(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，同時像素層以及邏輯層的分離可以實(shí)現(xiàn)成本與功能

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，索尼、三星等廠商在

CIS芯片中添加

DRAM或

ISP（圖像信號處理器）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，不同制程對應(yīng)的晶圓代工成本或有差異。堆疊式

CIS方案的誕生也引申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（HybridBonding）技術(shù)方案，未來

的發(fā)展方向或?yàn)閮烧呷诤戏桨浮SV方案：TSV連接技術(shù)通過穿透像素層填充金屬（Cu/W等）實(shí)現(xiàn)與邏輯層