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器人-3D視覺，對人形機器人視覺有了初步了解。但是從整個視覺行業(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視覺行業(yè)的底層CMOS傳感器技術(shù)，以及CMOS傳感器在各個行業(yè)中的應(yīng)用和市場空間，以便大家對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象景物的亮度和色彩等信息由光信號轉(zhuǎn)換為電信號；再將電信號按照順序進行讀出并通過 ADC（Analog Digital Convertor）數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；最后將數(shù)字信號進行預(yù)處理，并通過傳輸接口將圖像信息傳送給平臺接收。

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、綠色光進入感光二極管內(nèi)并轉(zhuǎn)化為電子，再經(jīng)由像素電路轉(zhuǎn)化為電壓信號，最后通過邏輯電路輸出成為圖像數(shù)字信號。

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

感光元件上的每個方塊代表一個像素塊，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數(shù)量，是數(shù)碼顯示的基本單位，其實質(zhì)是一個抽象 的取樣，我們用彩色方塊來表示。圖示像素用R（紅）G（綠）B（藍）三原色填充，每個小像素塊的長度指的是像素尺寸， 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進入傳感器表面的光線存在較大的干擾 ，阻礙了相當一部分光線進入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。

技術(shù)改進后，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，對生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平要求極高。

二、應(yīng)用市場分析

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

圖|CMOS全球出貨量和市場規(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，市場規(guī)模為 214.5 億美元，預(yù)計2024年出貨量可達 91.1 億顆，市場規(guī)模增至238.4億美元。

CMOS圖像傳感器在國內(nèi)還處于高速發(fā)展的階段，2021年國內(nèi)CMOS圖像傳感器銷售額為295.4億元，同比增長19%，增速明顯快于全球，預(yù)計到2024年國內(nèi)CMOS圖像傳感器市場規(guī)模將達到516.5億元，符合增長率為20%。

圖|國內(nèi)CMOS圖像傳感器市場規(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、安防監(jiān)控、汽車電子、消費、工業(yè)（含機器視覺）、和醫(yī)療等其他領(lǐng)域。全球占比中手機占比最大為75.9%，國內(nèi)市場手機占比61.82%，主要差別為安防監(jiān)控市場國內(nèi)占比21.6%，遠超全球6.2%平均水平。汽車電子和機器視覺全球和國內(nèi)占比水平較為接近。

圖|2021年全球與國內(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

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

2022年全球手機出貨量12.059億部。2023年全年，全球智能手機總出貨量為11.669億部，同比下降4%。2024年1月16日，市場調(diào)研機構(gòu)Canalys報告顯示，2023年第四季度，全球智能手機市場增長8%，達到3.2億部，連續(xù)兩個季度復(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，2024 年全球智能手機出貨量有望恢復(fù)6.2%的增長，下游需求修復(fù)將繼續(xù)帶動CMOS圖像傳感器銷量增長。

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

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

圖|手機攝像頭顆數(shù)

來源：Frost&Sullivan

與此同時，平均單部智能手機所搭載的攝像頭數(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)合增長率達到 14.3%，此后預(yù)計將以年均 7.3%的增長率上升至 2024 年的 4.9 顆。智能手機攝像頭搭載數(shù)量的增加直接帶動了 CMOS 圖像傳感器市場需求的上升，在智能手機市場進入存量時代后，多攝趨勢為 CMOS 圖像傳感器市場注入了強大的發(fā)展動能，使其有望實現(xiàn)顯著高于手機市場的增長速率。

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、超聲波雷達、激光雷達等）為輔助角色。視覺感知的核心就是車載攝像頭，隨著自動駕駛級別的不斷提高，汽車相應(yīng)地需要增加車載攝像頭以增強汽車的信息獲取能力。

表|四類傳感器對比

來源：聯(lián)儲證券

與攝像頭價格相比，激光雷達的成本過高。早期的64線Velodyne機械激光雷達單價可以達到數(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格在400-600元左右。

圖|不同自動駕駛等級與其對應(yīng)的攝像頭需求數(shù)量

來源：Yole，聯(lián)儲證券研究院

Yole 預(yù)測的自動駕駛等級以及其對應(yīng)的攝像頭需求數(shù)量顯示，L1 傳統(tǒng)標準車通常搭載 1前置攝像頭和1后置攝像頭；隨著自動駕駛系統(tǒng)升級至L2+，對環(huán)視攝像頭的需求增加帶動單車攝像頭的數(shù)量升至5個；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配。預(yù)計 2027年汽車行業(yè)將迎來L3和L4的輔助駕駛系統(tǒng)時代，預(yù)計單車攝像頭搭載量可能高達 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格差異極大，數(shù)據(jù)顯示普通車載攝像頭的價格在150-200元左右，而具備輔助駕駛功能的前視攝像頭的價格為300-500元左右，兼?zhèn)湫酒退惴ǖ那耙晹z像頭模組價格更是高達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 市場規(guī)模

來源：Yole，長城國瑞證券研究所

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

圖|國內(nèi)車載攝像頭及子領(lǐng)域市場規(guī)模（億）

來源：格科微招股書、聯(lián)儲研究院測算

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

2.3、安防監(jiān)控

安防攝像機需要在可見光不足、暴曬高溫以及其他各類的苛刻環(huán)境條件下保持24小時正常工作，除常規(guī)參數(shù)達到基本要求外，其最重要的技術(shù)參數(shù)包括信噪比、HDR 和量子效率，同時對耗電量、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市場規(guī)模（億美元）

來源：Frost&Sullivan，長城國瑞證券研究所

根據(jù)Frost&Sullivan統(tǒng)計，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)整體市場規(guī)模的不斷擴大，預(yù)計 2025年出貨量和銷售額將分別達到8.0億顆和20.1億美元，預(yù)期年復(fù)合增長率將達到13.75% 和18.23%。

中國是全球最大的視頻監(jiān)控市場，2019 年中國市場占全球?qū)I(yè)視頻監(jiān)控市場的比例約為48.4%。根據(jù)“十四五”發(fā)展規(guī)劃，國家將推進智慧城市和數(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)備正在向各個行業(yè)加速滲透。由于物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，安防監(jiān)控攝像頭已經(jīng)不再局限于機場、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)控攝像頭的出貨量隨之與日俱增。

2.4、機器視覺

機器視覺指的是通過計算機、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)，以賦予機器“看”和“認知”的能力。從目前市場使用場景來看，機器視覺領(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)機器視覺應(yīng)用（主要包括產(chǎn)線檢測、不良品篩檢、條碼識別、自動化流水線運作等），以及消費級機器視覺應(yīng)用（如無人機、掃地機器人、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、掃地機器人、AR/VR、新型家用式游戲主機、智能教學(xué)終端和翻譯筆等新型智能產(chǎn)品。對于上述新興視覺領(lǐng)域產(chǎn)品，動態(tài)場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，全球新興領(lǐng)域CMOS圖像傳感器市場自2018年實現(xiàn)行業(yè)技術(shù)突破后迅速擴張，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)合增長率高達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)用市場不斷涌現(xiàn)，將為該市場發(fā)展注入了新活力。同時隨著下游應(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圖像傳感器市場規(guī)模預(yù)計將持續(xù)增長，總出貨量2025年將增至3.92億顆，未來五年間年均復(fù)合增長率為35.7%。

三、競爭格局

中國 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)準入壁壘高。

圖|2021-2022年全球競爭格局

來源：Yole developpement

2022年按廠商來看，索尼以42%市場份額排名第一，與2021年39%份額相比提升了3個百分點；三星以19%份額排名第二，相較2021年22%份額下滑了3個百分點；豪威科技(Omnivision）以11%份額排名第三，相比2021年13%份額下降了2個百分點。另外，?中國廠商里面，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)

當前中國 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 CMOS 傳感器市場份額的 70%以上，覆蓋智能終端、安防監(jiān)控及車載攝像頭等多個領(lǐng)域， 處于中高端市場的領(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、豐富的營銷渠道及全面的售后網(wǎng)絡(luò)，具備潛力取代國際競爭廠商，成為行業(yè)的頭部企業(yè)。