CMOS圖像傳感器原理及行業(yè)應(yīng)用分析

上篇文章講述了人形機(jī)器人-3D視覺，對(duì)人形機(jī)器人視覺有了初步了解。但是從整個(gè)視覺行業(yè)來看應(yīng)用較為廣泛，3D視覺只是其中的一小部分，筆者特地梳理了整個(gè)視覺行業(yè)的底層CMOS傳感器技術(shù)，以及CMOS傳感器在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用和市場(chǎng)空間，以便大家對(duì)視覺有更多的了解和參考。

一、COMS圖像傳感器原理

1.1、原理

CMOS 圖像傳感器是一種光學(xué)傳感器，是攝像頭模組的核心元器件，對(duì)攝像頭的光線感知和圖像質(zhì)量起到了關(guān)鍵的影響。CMOS 圖像傳感器首先通過感光單元陣列將所獲取對(duì)象景物的亮度和色彩等信息由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；再將電信號(hào)按照順序進(jìn)行讀出并通過 ADC（Analog Digital Convertor）數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；最后將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并通過傳輸接口將圖像信息傳送給平臺(tái)接收。

圖|CMOS 圖像傳感器示意圖

來源：格科微招股書

CMOS 圖像傳感器是模擬電路和數(shù)字電路的集成。主要由四個(gè)組件構(gòu)成：微透鏡、彩色濾光片（CF）、感光二極管（PD）、電路層。

圖|CMOS構(gòu)成

來源：思特威招股書

光通過具有球形表面的微透鏡后聚攏穿過彩色濾光片，拆分成為紅、藍(lán)、綠色光進(jìn)入感光二極管內(nèi)并轉(zhuǎn)化為電子，再經(jīng)由像素電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，最后通過邏輯電路輸出成為圖像數(shù)字信號(hào)。

圖|CMOS原理圖

來源：思特威招股書

表|各名詞原理

來源：西南證券、與非研究院整理

1.2、Bayer陣列濾鏡與像素

感光元件上的每個(gè)方塊代表一個(gè)像素塊，上方附著一層彩色濾光片（CF），CF拆分完反射光中的 RGB成分后，通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經(jīng)典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像， Quad Bayer陣列擴(kuò)大到了4x4，并且以2x2的方式將RGB相鄰排列。

圖|CMOS 圖像傳感器Bayer 陣列濾鏡

來源：西南證券

像素，即亮光或暗光條件下的像素點(diǎn)數(shù)量，是數(shù)碼顯示的基本單位，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)抽象 的取樣，我們用彩色方塊來表示。圖示像素用R（紅）G（綠）B（藍(lán)）三原色填充，每個(gè)小像素塊的長(zhǎng)度指的是像素尺寸， 圖示尺寸為0.8μm。

圖|像素與像素尺寸

來源：西南證券

1.3、CIS種類介紹

早期的CIS采用的是前面照度技術(shù)FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜爾陣列濾鏡與光電二極管（PD）間夾雜著金屬（鋁，銅）區(qū)，大量金屬連線的存在對(duì)進(jìn)入傳感器表面的光線存在較大的干擾 ，阻礙了相當(dāng)一部分光線進(jìn)入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。

技術(shù)改進(jìn)后，在背面照度技術(shù)BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結(jié)構(gòu)下，金屬（鋁，銅）區(qū)轉(zhuǎn)移到光電二極管（PD）的背面，意味著經(jīng)拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進(jìn)入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復(fù)雜、更大規(guī)模電路來提升傳感器讀取速度。

來源：西南證券

堆棧式（Stack）結(jié)構(gòu)是在背照式基礎(chǔ)上的改良，將所有線路層移至感光元件的底層，縮小了芯片的整體面積，此外，感光元件周圍的邏輯電路也相應(yīng)移至底層，可有效抑制電路噪聲從而獲取更優(yōu)質(zhì)的感光效果。堆棧式 CMOS 傳感器的制作工藝與成本高于 BSI 結(jié)構(gòu)的 CMOS 傳感器，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平要求極高。

二、應(yīng)用市場(chǎng)分析

數(shù)據(jù)顯示，全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模由2017年的139.05億美元增長(zhǎng)至2022年的233.66億美元，復(fù)合年均增長(zhǎng)率達(dá)66.0%，預(yù)計(jì)2023年將達(dá)253.13億美元。

圖|CMOS全球出貨量和市場(chǎng)規(guī)模

來源：Frost&Sullivan

Frost&Sullivan 數(shù)據(jù)顯示，2012 年全球 CMOS 圖像傳感器出貨量為21.9億顆，市場(chǎng)規(guī)模為55.2億美元，2022年全球 CMOS 圖像傳感器出貨量為80.8億顆，市場(chǎng)規(guī)模為 214.5 億美元，預(yù)計(jì)2024年出貨量可達(dá) 91.1 億顆，市場(chǎng)規(guī)模增至238.4億美元。

CMOS圖像傳感器在國(guó)內(nèi)還處于高速發(fā)展的階段，2021年國(guó)內(nèi)CMOS圖像傳感器銷售額為295.4億元，同比增長(zhǎng)19%，增速明顯快于全球，預(yù)計(jì)到2024年國(guó)內(nèi)CMOS圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到516.5億元，符合增長(zhǎng)率為20%。

圖|國(guó)內(nèi)CMOS圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模及增速

來源：賽迪顧問

CMOS圖像傳感器下游應(yīng)用領(lǐng)域主要包括智能手機(jī)、安防監(jiān)控、汽車電子、消費(fèi)、工業(yè)（含機(jī)器視覺）、和醫(yī)療等其他領(lǐng)域。全球占比中手機(jī)占比最大為75.9%，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)手機(jī)占比61.82%，主要差別為安防監(jiān)控市場(chǎng)國(guó)內(nèi)占比21.6%，遠(yuǎn)超全球6.2%平均水平。汽車電子和機(jī)器視覺全球和國(guó)內(nèi)占比水平較為接近。

圖|2021年全球與國(guó)內(nèi)應(yīng)用占比

來源：賽迪顧問、與非研究院整理

2.1、智能手機(jī)

5G 時(shí)代手機(jī)用戶對(duì)智能手機(jī)的拍攝功能有很高的需求，智能手機(jī)的拍攝功能，包括分辨率、清晰度、美觀度和全場(chǎng)景適應(yīng)能力，已成為智能手機(jī)的核心亮點(diǎn)，因此對(duì)CMOS圖像傳感器的超高像素的要求非常高。

2022年全球手機(jī)出貨量12.059億部。2023年全年，全球智能手機(jī)總出貨量為11.669億部，同比下降4%。2024年1月16日，市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Canalys報(bào)告顯示，2023年第四季度，全球智能手機(jī)市場(chǎng)增長(zhǎng)8%，達(dá)到3.2億部，連續(xù)兩個(gè)季度復(fù)蘇。

來源：iFnd、與非研究院整理

來源：IDC，東吳證券研究所

根據(jù) IDC預(yù)測(cè)，2024 年全球智能手機(jī)出貨量有望恢復(fù)6.2%的增長(zhǎng)，下游需求修復(fù)將繼續(xù)帶動(dòng)CMOS圖像傳感器銷量增長(zhǎng)。

盡管手機(jī)出貨量呈下滑態(tài)勢(shì)，但由于手機(jī)多攝滲透率、手機(jī)平均搭載攝像頭數(shù)量的提升， 全球手機(jī)攝像頭出貨量呈緩慢上升態(tài)勢(shì)。2021 年全球手機(jī)攝像頭模組出貨量約為 48.2 億顆，同比增長(zhǎng) 5.77%，預(yù)計(jì) 2022 年為 49.2 億顆，同比增長(zhǎng) 2.1%。

根據(jù)Frost&Sullivan統(tǒng)計(jì)，全球智能手機(jī)后置雙攝及多攝（三攝及以上）的滲透率呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)。后置雙攝智能手機(jī)自 2015 年初具規(guī)模以來，于 2018 年滲透率達(dá)到高峰，占據(jù) 40.0%的份額。此后，后置三攝及以上的多攝智能手機(jī)逐漸成為市場(chǎng)主流，預(yù)計(jì)至2024 年，后置雙攝及多攝智能手機(jī)滲透率合計(jì)將達(dá)到 98.0%。

圖|手機(jī)攝像頭顆數(shù)

來源：Frost&Sullivan

與此同時(shí)，平均單部智能手機(jī)所搭載的攝像頭數(shù)量也在逐年上升，自 2015 年的 2.0 顆上升至 2019 年的 3.4 顆，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 14.3%，此后預(yù)計(jì)將以年均 7.3%的增長(zhǎng)率上升至 2024 年的 4.9 顆。智能手機(jī)攝像頭搭載數(shù)量的增加直接帶動(dòng)了 CMOS 圖像傳感器市場(chǎng)需求的上升，在智能手機(jī)市場(chǎng)進(jìn)入存量時(shí)代后，多攝趨勢(shì)為 CMOS 圖像傳感器市場(chǎng)注入了強(qiáng)大的發(fā)展動(dòng)能，使其有望實(shí)現(xiàn)顯著高于手機(jī)市場(chǎng)的增長(zhǎng)速率。

2.2、汽車電子

攝像頭為汽車視覺感知的核心。汽車智能駕駛系統(tǒng)按功能可劃分為：感知系統(tǒng)（環(huán)境感知與定位）、決策系統(tǒng)（智能規(guī)劃與決策）、執(zhí)行系統(tǒng)（控制執(zhí)行）三大核心模塊。在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的感知層，視覺感知扮演重要角色，其他多種傳感器（毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、激光雷達(dá)等）為輔助角色。視覺感知的核心就是車載攝像頭，隨著自動(dòng)駕駛級(jí)別的不斷提高，汽車相應(yīng)地需要增加車載攝像頭以增強(qiáng)汽車的信息獲取能力。

表|四類傳感器對(duì)比

來源：聯(lián)儲(chǔ)證券

與攝像頭價(jià)格相比，激光雷達(dá)的成本過高。早期的64線Velodyne機(jī)械激光雷達(dá)單價(jià)可以達(dá)到數(shù)十萬人民幣且使用壽命有限，隨著產(chǎn)量的提高和技術(shù)的迭代，近期的固態(tài)激光雷達(dá)可以下沉到萬元左右。而800萬像素輔助駕駛車載攝像頭每顆的價(jià)格在400-600元左右。

圖|不同自動(dòng)駕駛等級(jí)與其對(duì)應(yīng)的攝像頭需求數(shù)量

來源：Yole，聯(lián)儲(chǔ)證券研究院

Yole 預(yù)測(cè)的自動(dòng)駕駛等級(jí)以及其對(duì)應(yīng)的攝像頭需求數(shù)量顯示，L1 傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)車通常搭載 1前置攝像頭和1后置攝像頭；隨著自動(dòng)駕駛系統(tǒng)升級(jí)至L2+，對(duì)環(huán)視攝像頭的需求增加帶動(dòng)單車攝像頭的數(shù)量升至5個(gè)；2022年正是L2++的蓬勃發(fā)展期，通常單車攝像頭搭載量將躍升至12 顆左右，其中前置攝像頭的質(zhì)量要求攀升，內(nèi)置攝像頭也開始成為標(biāo)配。預(yù)計(jì) 2027年汽車行業(yè)將迎來L3和L4的輔助駕駛系統(tǒng)時(shí)代，預(yù)計(jì)單車攝像頭搭載量可能高達(dá) 20 顆左右。

具備 ADAS 功能的車載攝像頭與普通車載攝像頭的價(jià)格差異極大，數(shù)據(jù)顯示普通車載攝像頭的價(jià)格在150-200元左右，而具備輔助駕駛功能的前視攝像頭的價(jià)格為300-500元左右，兼?zhèn)湫酒退惴ǖ那耙晹z像頭模組價(jià)格更是高達(dá)1000-1500元。

圖2020-2030年全球車載攝像頭平均搭載量? ? ? 圖 2020-2026 年全球車載 CIS 市場(chǎng)規(guī)模

來源：Yole，長(zhǎng)城國(guó)瑞證券研究所

2021 年全球車載CIS市場(chǎng)規(guī)模約為38.1億美元，同比增長(zhǎng)56.8%。預(yù)計(jì)2026年有望達(dá) 90.7億美元，CAGR為18.94%。

圖|國(guó)內(nèi)車載攝像頭及子領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模（億）

來源：格科微招股書、聯(lián)儲(chǔ)研究院測(cè)算

中國(guó)車載攝像頭市場(chǎng)有望在2029年破千億，2023/2025/2030 年市場(chǎng)規(guī)模分別有望達(dá)到 226.8/448.1/1129.8億元。其中CMOS圖像傳感器2023/2025/2030 年市場(chǎng)規(guī)模分別有望達(dá)到113.4/201.7/451.9億元。

2.3、安防監(jiān)控

安防攝像機(jī)需要在可見光不足、暴曬高溫以及其他各類的苛刻環(huán)境條件下保持24小時(shí)正常工作，除常規(guī)參數(shù)達(dá)到基本要求外，其最重要的技術(shù)參數(shù)包括信噪比、HDR 和量子效率，同時(shí)對(duì)耗電量、極端溫度條件工作性能等也有較高的要求。

圖|全球安防CMOS出貨量（億顆）? ? ? ? ? ?圖|全球安防CMOS市場(chǎng)規(guī)模（億美元）

來源：Frost&Sullivan，長(zhǎng)城國(guó)瑞證券研究所

根據(jù)Frost&Sullivan統(tǒng)計(jì)，2020年安防監(jiān)控領(lǐng)域 CMOS 圖像傳感器的出貨量和銷售額分別為4.2億顆和8.7億美元，隨著未來安防監(jiān)控行業(yè)整體市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì) 2025年出貨量和銷售額將分別達(dá)到8.0億顆和20.1億美元，預(yù)期年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到13.75% 和18.23%。

中國(guó)是全球最大的視頻監(jiān)控市場(chǎng)，2019 年中國(guó)市場(chǎng)占全球?qū)I(yè)視頻監(jiān)控市場(chǎng)的比例約為48.4%。根據(jù)“十四五”發(fā)展規(guī)劃，國(guó)家將推進(jìn)智慧城市和數(shù)字鄉(xiāng)村改造，視頻監(jiān)控設(shè)備的需求將大幅上升，疊加智能視頻監(jiān)控技術(shù)的迭代提升，視頻監(jiān)控設(shè)備正在向各個(gè)行業(yè)加速滲透。由于物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，安防監(jiān)控?cái)z像頭已經(jīng)不再局限于機(jī)場(chǎng)、火車站、銀行和辦公樓等企業(yè)應(yīng)用，它們已經(jīng)成為零售企業(yè)，智能城市和智能家居的重要組成部分，用于收集和分析大數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控?cái)z像頭的出貨量隨之與日俱增。

2.4、機(jī)器視覺

機(jī)器視覺指的是通過計(jì)算機(jī)、圖像傳感器及其他相關(guān)設(shè)備模擬人類視覺功能的技術(shù)，以賦予機(jī)器“看”和“認(rèn)知”的能力。從目前市場(chǎng)使用場(chǎng)景來看，機(jī)器視覺領(lǐng)域內(nèi)CMOS圖像傳感器的應(yīng)用主要可分為傳統(tǒng)上的工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用（主要包括產(chǎn)線檢測(cè)、不良品篩檢、條碼識(shí)別、自動(dòng)化流水線運(yùn)作等），以及消費(fèi)級(jí)機(jī)器視覺應(yīng)用（如無人機(jī)、掃地機(jī)器人、AR/VR 等）。

目前來看，全球新興領(lǐng)域全局快門 CMOS圖像傳感器的主要應(yīng)用包括無人機(jī)、掃地機(jī)器人、AR/VR、新型家用式游戲主機(jī)、智能教學(xué)終端和翻譯筆等新型智能產(chǎn)品。對(duì)于上述新興視覺領(lǐng)域產(chǎn)品，動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下拍攝無畸變的影像是至關(guān)重要的需求，而只有高幀率的全局快門 CMOS 圖像傳感器才能滿足這類新興應(yīng)用的技術(shù)需求。

根據(jù)Frost&Sullivan統(tǒng)計(jì)，全球新興領(lǐng)域CMOS圖像傳感器市場(chǎng)自2018年實(shí)現(xiàn)行業(yè)技術(shù)突破后迅速擴(kuò)張，全局快門CMOS圖像傳感器總出貨量從2018年的1100萬顆迅速增至 2020 年的6000萬顆，過去三年間年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)132.7%。隨著AI和5G技術(shù)的商用落地，這些CMOS圖像傳感器的新興下游應(yīng)用市場(chǎng)不斷涌現(xiàn)，將為該市場(chǎng)發(fā)展注入了新活力。同時(shí)隨著下游應(yīng)用的更多樣化，其設(shè)備搭載的攝像頭數(shù)量也隨之增加，因此全球新興領(lǐng)域全局快門CMOS圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將持續(xù)增長(zhǎng)，總出貨量2025年將增至3.92億顆，未來五年間年均復(fù)合增長(zhǎng)率為35.7%。

三、競(jìng)爭(zhēng)格局

中國(guó) CMOS 傳感器行業(yè)起步較晚，行業(yè)參與企業(yè)數(shù)量較少，原因在于CMOS 傳感器屬于可大規(guī)模批量生產(chǎn)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，具有顯著的規(guī)模效應(yīng)，需要CMOS傳感器供應(yīng)商穩(wěn)定的前期投入作為研發(fā)基礎(chǔ)，導(dǎo)致行業(yè)準(zhǔn)入壁壘高。

圖|2021-2022年全球競(jìng)爭(zhēng)格局

來源：Yole developpement

2022年按廠商來看，索尼以42%市場(chǎng)份額排名第一，與2021年39%份額相比提升了3個(gè)百分點(diǎn)；三星以19%份額排名第二，相較2021年22%份額下滑了3個(gè)百分點(diǎn)；豪威科技(Omnivision）以11%份額排名第三，相比2021年13%份額下降了2個(gè)百分點(diǎn)。另外，?中國(guó)廠商里面，除了豪威外，格科微(Galaxycore，?4%份額)、思特威（Smartsens，2%）也位列前10；國(guó)外廠商中，除了索尼外，安森美（從4%到6%）、SK海力士（從3%到5%）份額上也有所增加。

四、總結(jié)

當(dāng)前中國(guó) CMOS 傳感器行業(yè)集中度極高，索尼、三星及豪威科技三家企業(yè)占有中國(guó) CMOS 傳感器市場(chǎng)份額的 70%以上，覆蓋智能終端、安防監(jiān)控及車載攝像頭等多個(gè)領(lǐng)域， 處于中高端市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。未來，以格科微電子有限公司、思特威電子科技有限公司為代 表的企業(yè)在經(jīng)過連續(xù)多年的技術(shù)追趕后，憑借較低的產(chǎn)品成本、豐富的營(yíng)銷渠道及全面的售后網(wǎng)絡(luò)，具備潛力取代國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)廠商，成為行業(yè)的頭部企業(yè)。