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来源：未来智库 1 摄像头简介和应用领域 1.1 摄像头成像原理和组成部分 摄像头是使用凸透镜成像原理来实现图像的成像并记录的设备。在图像记录方面，传统相机（胶片相机）采用胶片对影像进行记录，胶片上主要由感光材料（通常为卤化银）构成，感光材料经曝光后，会发生化学变化从而形成潜影，再经显影和定影后形成最终照片；数码相机 则是将透镜生成的光学图像投射到图像传感器表面，然后转换为电信号，并经过 A/D（模拟/数 字）转化后送到图像信号处理器（ISP）进行加工处理，最后以特定格式进行储存或通过显示器 件显示。  根据日本国际相机影像器材工业协会（CIPA）数据，胶片相机出货量在 2000 年前后达到峰 值，之后迅速被数码相机取代，而数码相机出货量在 2010 年左右达到峰值，然后迅速下滑，其 中尤以一体型数码相机下降尤为明显。  与数码相机结构类似，目前各种类型的摄像头基本都包括镜头、滤光片、图像传感器（CIS） 等零组件，另外，大部分摄像头还包括音圈马达（Voice Coil Motor，VCM），用于控制镜头对 焦。摄像头与图像信号处理器（Image Signal Processor，ISP）共同实现摄像功能。    1.2 手机是摄像头最大的终端应用领域 在全球摄像头的应用方面，手机、 视频监控、车载摄像机是三个最大的终端市场，可以在 很大程度上影响光学镜头模组各细分元器件行业的整体趋势。 从镜头的角度来看，TSR2018 年镜头市场调研报告显示，全球光学镜头模组在手机、视频监控以及车载镜头领域的合并收入将维持增长趋势，2018 年合并市场收入约为 59.16 亿美元， 预计 2022 年可达约 88.00 亿美元，其中全球手机摄像头的营收将达到 60.45 亿美元，全球监控 镜头营收将达到 11.42 亿美元，全球车载镜头营收将达到 16.13 亿美元。  从 CMOS 图像传感器市场来看，根据 Yole 数据，2019 年第四季度总体销售规模为 57.46 亿 美元，其中移动应用（主要为手机）销售规模约为 40 亿美元，约占整个 CIS 市场的 70%。 从摄像头模组市场来看，Yole 数据显示 2018 年全球摄像头模组整体出货为 51 亿颗，其中 智能手机市场占比为 82%；2018 年全球摄像头模组销售规模约为 271 亿美元，手机摄像头模组 销售规模约为 205 亿美元左右，占比约为 76%。   2 摄像头主要环节和演进发展方向 从成本结构来看，以手机摄像头为例，根据前瞻产业研究院数据，图像传感器成本占比最 高，达 52%；其次是光学镜头，占比 19%；另外，模组封装环节成本达 20%。Yole 的数据显示， 在 CMOS 摄像头模组（使用 CMOS 图像传感器）价值构成中，图像传感器占比达 45.2%；镜头 占比为 15.1%；音圈马达占比为 8.5%；模组封装环节及其他元件占比为 31.3%。Yole 预测 2024 年全球 CMOS 摄像头模组收入由 2018 年的 271 亿美元增长到 457 亿美元，2018-2024 年 CAGR 为 7.8%。此外，由于 3D 技术应用，光源次模组（illumination sub-modules）增长明显，将由 2018 年的 7.2 亿美元增长到 2024 年的 61 亿美元。   2.1 图像传感器：产业链价值占比最高，向大尺寸方向推进 图像传感器（Image Sensor）主要作用是将光学图像信号转换为电信号的传感器，其对摄像头系统的作用相当于视网膜对于人眼的作用。早期的图像传感器主要为真空电子器件，先后使 用过光电摄像管（iconoscope）、移相正析摄像管（image orthicon）、光导摄像管（vidicon）、 硒砷碲摄像管（saticon）、雪崩倍增靶摄像管（HARP）等。20 世纪 60 年代开始，先后有多种 固态图像传感器（solid-state image sensor）方案面世，其中最重要的是贝尔研究所 1969 年发明 并于次年对外发表的 CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）图像传感器，自此，图像 传感器逐步从真空电子扫描方式发展为固体自扫描输出方式。20 世纪 90 年代，CMOS （Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体元件）图像传感器出现， 随着工艺进步，逐步取代 CCD 成为主流的传感器类型。  CCD 图像传感器和 CMOS 图像传感器是目前市场上的两种图像传感器，两者都是利用感 光二极管（photodiode）进行光电转换，但是采用不同的数据传送方法和手段。CMOS 图像传感 器在成本、功耗、响应速度等方面明显优于 CCD 图像传感器，而在灵敏度、分辨率、噪声等指 标上相对较差，但是现已取得改进，性能逐步赶上甚至超过 CCD 图像传感器。 从市场份额来看，CMOS 图像传感器（CIS）已取代 CCD 图像传感器芯片成为图像传感器 市场的主流。2018 年，CMOS 图像传感器市场规模为 142 亿美元，同比增长 13.6%，占图像传 感器市场比重的 90%，较 2012 年的 74%和 2007 年的 54%提升明显。Yole 数据显示 2019 年 CMOS 图像传感器市场规模为 193 亿美元，同比增长 25%。 从 CIS 市场增速来看，根据 IC Insights 2018 年预测，2017-2022 年销售额 CAGR 为 8.8%， 销售量 CAGR 为 11.7%；根据 Yole 2018 年预测，2017-2023 年销售额 CAGR 为 9.4%，而该机 构最新预测显示，受到新冠肺炎疫情影响，2020 年增速将回落至 7%，2021 年略有反弹（增速 为 12%），预计 2025 年 CIS 市场规模将达到 280 亿美元。 根据 Yole 数据，CIS（CMOS 图像传感器）平均单价在 2015-2019 年逐步上升，2019 年平 均价格较 2018 年同比增长 8%，接近 3 美元，预计 2020 年单价同比增长 4%，并在 2020-2025 年基本稳定，维持在 3 美元的水平。 CMOS 图像传感器市场集中度较高，2017 年，前十大厂商市场份额合计为 94%，其中前三 家厂商索尼（Sony）、三星（Samsung）、豪威科技（Omnivision）市场份额合计占比达 73%， CR3 较 2014 年的 63%有明显提升。 传感器的尺寸很大程度上决定了相片的成像质量。传感器尺寸越大，感光面积越大，获得的信息更丰富；同时，在其它参数和拍摄条件（距离）一致的情况下，传感器尺寸越大，成像 的视角就越大；此外，传感器尺寸增加有助于实现物理背景虚化。 决定拍照质量的因素还包括有效像素和单位像素尺寸。有效像素越大，解析度越高，照片 细节更清晰；单位像素尺寸大小（单位像素尺寸=传感器宽度/照片分辨率宽度）决定了传感器 的感光能力，越大意味着更好的暗光拍摄能力，最直观的表现是较低的噪点水平。 单位像素尺寸和有效像素增大存在一定矛盾，在传感器整体尺寸固定的情况下，二者不可兼得。除了增加传感器尺寸外，目前还可通过像素四合一（将四个像素组合成一个像素，提升 单位像素尺寸，包括 RGGB、RYYB 等方式，其中：R 代表红色像素、G 代表绿色像素、B 代 表蓝色像素、Y 代表黄色像素）来解决高像素下暗光噪点问题。 目前各手机品牌厂商使用的传感器在像素增加的同时，尺寸也逐步增大（尤其是旗舰级）， 2019 年以前发布的手机采用的传感器尺寸通常在 1/2 英寸以下，而 2019 年以后采用 1/2 英寸以 上传感器的机型陆续上市，2020 年 2 月发布的 Samsung Galaxy S20/S20+/S20 Ultra 传感器分别 为 1/1.76 英寸、1/1.76 英寸、1/1.33 英寸，而 2020 年 2 月发布的华为 P40 系列传感器尺寸达到 1/1.28 英寸。 2.2 镜头：镜片数量增加仍为噱头，玻塑混合镜头有望逐步推广 光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头，简称镜头，其功能就是光学成像。光学镜头是光学成像系统中的必备组件，直接影响到成像质量的好坏，影响算法的实现和效果。镜头的组成是透镜结构，包括透镜（通常是多个镜片组合）、滤光装置、镜筒三部分。成像质量与光学镜头的众多参数相关，这些参数受到镜头镜片尺寸、曲率、镜片数量、镜片搭配结构和材质等多 因素的影响。 根据透镜镜片材质一般可分为塑胶透镜（plastic）或玻璃透镜（glass），常用的透镜结构包 括 1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G 等（P 代表 plastic，G 代表 Glass，数字代表 镜片数）。 塑料镜片凭借成本低、易批量生产等优势成为智能手机光学镜头的主流，但随着智能手机摄像头超高像素、大光圈方向升级过程中，塑料镜头在成像清晰度、失真率等光学性能方面的瓶颈越发明显。玻璃塑料混合镜头结合了玻璃镜头和塑料镜头的优点，能够减少镜头厚度和失 真率、提高成像清晰度和光圈尺寸。2017 年 8 月发布的 LG V30 首次采用玻塑混合镜头；2019 年 5 月，荣耀 20 Pro 发布，其 48MP 主摄采用 6P1G（6 片塑料镜头加 1 片玻璃镜头）玻塑混合 镜头方案。随着技术进步、成本降低以及消费者对拍照/摄像质量要求提升，预计玻塑混合镜头 将得到进一步推广。 镜头镜片数量增加，有助于提高聚光能力、消除像差，从而改善成像质量，同时增强变焦、 防抖等辅助功能，但是也会带来透光率降低、设计难度加大、制造良率下降、成本上升等问题。 从国内智能手机主摄像头镜片数分布情况来看，5P镜头和6P镜头占据主要市场份额， 2018 年我国智能手机主摄中 6P 镜头占比达 64.3%，5P 镜头占比达 35.6%，7P 镜头出货量相对较少。 2018 年 11 月，OPPO 发布了第一款采用 7P 主摄的 OPPO R17 Pro。紧接其后，小米、华为 分别于 2019 年 2 月、2019 年 4 月发布配置 7P 镜头的小米 9 透明尊享版、华为 P30 Pro。2019 年 11 月，小米发布首款采用 8P 镜头的小米 CC9 尊享版，同时 2020 年 2 月发布的小米 10 Pro 也采用了 8P 主摄。 光学镜头壁垒非常高，主要体现在专利、生产工艺、模具三个方面，因此，真正规模量产 高水准镜头的企业非常少。2018 年，在手机摄像头镜头市场，前五大厂商市场份额为 66%，略 低于安防监控摄像机镜头市场集中度（前五大厂商市场份额高达 84.3%）。 2.3 其他：马达、滤光片、模组封装 （1）马达 以手机摄像头为例，根据焦距是否可调节和调节方法，大致可以分为固定焦距（FF， FixedFocus）、自动对焦（AF，AutoFocus）、光学变焦（OZ，Optical Zoom），具备自动对焦和光学变焦的摄像头模组均需要使用马达。此外，光学防抖功能（OIS）也需要马达的参与。 目前智能手机摄像头采用的自动对焦马达主要分为三种：步进马达（Stepper Motor）、超声 波马达（Ultrasonic motor，压电马达 Piezo Motor 的一种）、音圈马达（VCM，Voice Circle Motor/Voice Coil Actuator）。音圈马达以其结构简单、体积小等特点成为现阶段的主流。 音圈马达（VCM）工作原理是在一个永磁场内，通过调节线圈直流电流大小来控制承载有前后簧片的镜头载体运动，从而带动镜头移动，实现清晰成像。音圈马达主要由磁石、铁壳、 上盖、线圈、载体、前簧片、后簧片、底座、霍尔芯片、PCB、电容等部分组成。音圈马达从功 能上可分为开环马达（Open Loop）、闭环马达（Close Loop）、光学防抖（OIS，Optical Image Stabilization）马达（分平移式、移轴式、记忆金属式）、OIS+Close Loop 六轴马达等。 根据 Yole 的统计，2018 年，音圈马达销量为 20.1 亿颗，市场规模为 23 亿美元，预计 2024 年销量将达到 40.2 亿颗，市场规模将达 44 亿美元。 从市场格局来看全球音圈马达制造企业数量上百家，主要分布在日本、韩国、中国等区域。其中，日本企业占据全球市场份额超过四成，并掌握着先进技术和制造能力，代表企业主要有 阿尔卑斯（ALPS）、三美（Mitsumi）、TDK 等。国内 VCM 企业自 2013 年开始迅速发展，目 前排名靠前的企业为浩泽、中蓝、新思考等。 （2）滤光片 滤光片是在塑料或玻璃基材中加入特种燃料或在其表面蒸镀一层或几层光学薄膜制成，来用以衰减（吸收）掉其他不希望通过的光波段，通过改变滤光片的结构和膜层结构匹配参数， 可以获得各种光谱特性，使滤光片可以控制、调整和改变光波的透射、反射等状态。 滤光片一般按光谱波段、光谱特性、膜层材料、应用特点等特性进行分类。按照光谱特性分类可以分为带通滤光片、截止滤光片、二向分光滤光片、中性密度滤光片、反射滤光片等；按照光谱波段分类可以分为紫外波段滤光片、可见光滤光片和红外波段滤光片；按照应用膜层材料分类可以分为软膜滤光片和硬膜滤光片；按照应用特点分类可以分为医用生化仪用滤光片、 荧光显微镜用滤光片、多波段硬膜滤光片等。 由于人眼与图像传感器对各波长的敏感度不同，光线通过镜头后，人眼看不到红外光会在 可见光成像的靶面形成虚像，影响图像颜色和质量。因此摄像头需要配备红外截止滤光片（IR Cut Filter），用于实现可见光（400-630nm）高透，近红外光区截止（700-1100nm）。按照基板材质不同，红外截止滤光片可分为白玻璃红外截止滤光片、蓝玻璃红外截止滤光片、树脂红外 截止滤光片等。 除红外截止滤光片外，由于生物识别技术和 3D 技术等在摄像头中应用，仅允许特定频段 红外光通过的滤光片（带通滤光片）需求也逐步打开。 （3）模组封装 模组厂将镜头、滤光片、图像传感器、马达、PCB、底座等元器件组装成摄像头模组。摄像 头模组常见的封装方式有单芯片（single chip solution）和双芯片（double chip solution）两种方 案，其中单芯片方案包括：1）PLCC/CLCC（Plastic/Ceramic Leaded Chip Carrier）；2）CSP（ChipScale Package）；3）COB（Chip On Board）；4）COF（Chip On FPC）；5）FC（Flip Chip）。模组封装的难度与集成度相关，集成的元件数量越多，摄像头功能越完善，封装难度也越高。 根据 Yole 数据，2018 年，全球摄像头模组市场规模约为 271.28 亿美元，同比增长 6%，其 中前五大供应商分别为 LG Innotek、Semco、富士康（夏普）、舜宇光学科技、欧菲光(5.610, -0.10, -1.75%)，合计模 组收入占比为 53.9%，较 2017 年合计份额提升 3.1pct。 3 手机摄像头其他创新和发展 摄像头是智能手机的一个重要的创新点，各厂商围绕高像素、大变焦、夜景摄影、3D 传感、 生物识别等方面进行的创新层出不穷，其中硬件方面主要围绕单镜头镜片数量/材质、镜头数量、 镜头类型等方面进行，另外在算法层也包括超画质技术、希区柯克变焦技术、Ultra Steady 视频 超级防抖技术等新应用。 3.1 多摄方案：摄像头数量持续增加 目前市面新推出的智能手机大多采用后置双摄像头或多摄像头方案，对于各种方案，均由主摄像头（一个或两个）负责实现基本的取景功能，其余副摄像头负责实现变焦、增大进光量、 色彩调节、细节调校等一个或数个辅助成像功能。 以双摄像头为例，手机中常见的方案包括彩色+彩色方案、彩色+黑白方案、广角+长焦方案、彩色+深度方案等。三摄像头和四摄像头方案等通常也是彩色摄像头、黑白摄像头、广角摄像头、 长焦摄像头、深度摄像头等的组合。此外，各摄像头方案常会添加光学防抖（OIS）、自动对焦 （AF）等功能。 除后置摄像头外，前置摄像头也开始采用双摄像头方案，如 Vivo X9、华为 P40 系列，此外 还有华为 Magic2、美图 V7 等采用前置三摄。由于高屏占比、美观性等需求，预计主流机型前 置摄像头数量增长空间有限。 根据前瞻产业研究院引用 Statistia 数据，2014-2018 年，全球平均智能手机单机摄像头数量 稳步提升，2018 年平均为 2.84 颗/部。根据旭日大数据，预计 2019 年、2020 年带有 2 个和 3 个 摄像头（包括前置摄像头，下同）的手机占比均下降，反之带 4 个和 5 个摄像头的手机占比持 续提升，2020 年占比分别为 42%、15%。而根据 Yole 数据，2019 年智能手机平均摄像头数量 约为 3.06 颗，同比增长 21.7%，预计智能手机摄像头数量稳步提升，2025 年平均每台智能手机 摄像头数量约为 3.83 颗。 3.2 3D 感测：ToF 方案应用前景广阔 相对于 2D 技术，3D 技术除了显示对象的 X 和 Y 值外，还可以提供记录场景或对象的深 度值，这为解决复杂任务提供了全新的可能。除了在消费电子领域外，3D 技术在机器人(9.080, -0.23, -2.47%)、工厂 自动化和医疗领域也具有广泛的应用前景。根据 Yole 数据，2019 年全球 3D 成像和传感市场规 模为 50.48 亿美元，其中，移动&消费应用占比 40%，是最大的应用领域，工业、国防&航空航 天和汽车应用占比分别为 21%、17%、17%；Yole 预测 2025 年全球 3D 成像和传感市场规模达 150.79 亿美元，2019-2025 年 CAGR 超过 20%，移动&消费应用继续为最大的应用领域，2025 年市场规模为 81.65 亿美元，占比为 54%，汽车应用上升为第二大应用领域，2025 年市场规模 为 36.73 亿美元，占比为 24%。 3D 技术在消费领域最典型的应用是智能手机，除了获得景深信息强化拍照功能外，还能够 进行生物识别应用。2017 年 9 月推出的 iPhone X 是最早应用 3D 传感技术的智能手机机型之 一，相对于传统前置摄像头，iPhone X 新增红外摄像头、泛光感应元件和点阵投影器，采用结 构光技术识别人脸 3D 信息。 3D 传感技术目前在手机前置和后置摄像头均已实现应用，根据 Yole 最新预测，3D 传感在 智能手机的主流应用将是在后置摄像头（rear camera），同时调整之前对前后摄像头的渗透率预 测，Yole 预计 2025 年 3D 传感在后置摄像头的渗透率为 42%，而前置摄像头渗透率约 25%。 采集 3D 信息的技术手段包括普通光学 3D（Optical 3D，包括立体视觉、结构光、ToF 等类 型）、CT 技术（根据采用包括通常的 X 光 CT 和光学 CT）、激光雷达等，其中 CT 技术主要 用于医疗领域，激光雷达主要用于国防&航空航天、交通等有远距离测量需求的领域。根据 Yole预测，ToF 相机、LiDAR、结构光相机将占据主要市场份额，这与应用场景的市场份额相适应。 应用于移动&消费领域的 3D 技术方案主要包括立体视觉（Stereo vision）、结构光（structured light）、飞行时间（Time-of-flight），其中立体视觉方式相对简单，不需要配置光源，但对处理器计算能力要求高。结构光和飞行时间在智能手机中应用近年受到关注较多，主流手机厂商推 出的相对前沿的 3D 功能机型主要围绕这两种技术方案。根据两种方案的不同特点，ToF 方案适 用范围广，前置和后置摄像头均可使用，而结构光方案主要用于前置摄像头。 三种 3D 方案中，由于立体视觉依赖于环境光不需要光源，模组构成与普通摄像头无异，而 结构光和 ToF 方案均需要光源，在模组中需增加发射和接收单元。3D 传感模组的光源主要由 Vcsel（垂直腔面发射激光器）和光学衍射元件（结构光方案下）/扩散器（ToF 方案下）、透镜 系统组成；另外，3D 传感模组的接收器为近红外摄像头，使用只允许特定频段红外光透过的窄 带滤光片。 3D 传感产业生态链包括光源、光学单元（透镜及滤光片等）、图像传感器及模组制造等直 接硬件环节，此外还包括软件、处理器、3D 系统设计等，根据 Yole 在 2018 年《3D Imaging & Sensing》的预测，预计 2023 年通信和消费领域光源、光学单元、图像传感器、模组制造环节市 场规模分别为 22 亿美元、44 亿美元、27 亿美元、62 亿美元。 3.3 潜望式镜头：突破厚度限制，实现 5 倍及以上光学变焦 相机的变焦方式主要包括数码变焦（Digital Zoom）和光学变焦（Optical Zoom）两种。数码变焦是通过数码相机内的处理器，把图片内的每个像素面积增大，从而达到放大目的，数码变焦并没有改变镜头的焦距，所得到的图片与变焦前图片本质上相同；光学变焦依靠光学镜头结构来实现变焦，通过改变镜片与对象的距离来放大与缩小需要拍摄的景物。此外，在手机中， 不同焦距镜头的混用也可以实现类似光学变焦效果。 受手机厚度限制，一般长焦摄像头焦距提升空间较窄，因而潜望式长焦摄像头应运而生。潜望式镜头又称内变焦镜头，通过使用反光镜对光路进行折叠（一次或多次），从而在不显著 增加手机厚度的前提下，提高变焦能力。以华为手机为例，2019年以来陆续推出的华为P30 Pro、 P40 Pro、P40 Pro+均采用潜望式长焦镜头，等效焦距分别为 125mm、125mm、240mm，厚度分 别约为 8.41mm、8.95mm、9.0mm，不使用潜望式镜头的可比版本华为 P30（最大焦距为 80mm） 和 P40（最大焦距为 80mm）的厚度约为 7.57mm、8.50mm。 相对于一般镜头而言，潜望式镜头在结构上新增转向棱镜组，用于改变光路方向。转向棱镜通常为玻璃材质，其加入对摄像头跌落稳定性、镜片数量瓶颈、算法优化等会带来一系列连锁反应。在潜望式镜头生产上，镜头厂商和模组厂商面临的挑战较大。 目前华为、三星、OPPO、Vivo 等品牌均发布配置潜望式镜头的手机机型，这些手机以 6.5 英寸（或接近 6.5 英寸）的大屏幕为主，后置摄像头数量均在 3 个以上。 潜望式摄像头突破了传统方案对变焦能力的限制，随着技术和产业链进一步成熟，预计未 来潜望式摄像头在大屏手机中的渗透率有望进一步提升。 |
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