光学专题研究报告：手机摄像头持续创新，多方位支撑技术升级.pdf

1 / 43 请参阅最后一页的股票投资评级说明和法律声明 2020年5月20日 证券研究报告 光学专题研究报告 手机摄像头持续创新，多方位支撑技术升级 主要观点： 手机是摄像头的主要终端应用市场。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。当前常见的摄像头与数码相机结构相近，基本都包括镜头、滤光片、图像传感器（主要为CMOS图像传感器，即CIS）、马达（可选）等零部件构成。从下游应用角度来看，手机、 视频监控、车载摄像机是三个最大的终端市场，其中手机又是最大的应用领域，根据TSR数据，2018年手机镜头市场规模约为 60.45 亿美元，占整体市场约 69%；而Yole 数据显示，2019Q4 智能手机 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）图像传感器份额约为70%；从摄像头模组的角度来看，2018年手机应用销量和销售额占比分别约为83%和76%。 图像传感器和镜头构成摄像头的主要成本来源。从成本来看，在手机摄像头中，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）中，图像传感器成本占比达45.2%；镜头成本占比为 15.1%；音圈马达成本占比为 8.5%；模组封装环节及其他元件成本占比为31.3%。图像传感器和镜头不仅占据了摄像头模组成本的大部分，同时这两个领域相对其他环节具有更高的壁垒，体现在技术和人才等多方面。 手机摄像头图像传感器演进方向：传感器尺寸增加。传感器的尺寸很大程度上决定了相片的成像质量，增加传感器尺寸作用主要体现在：1）增加感光面积，提升获取信息丰富度；2）扩大成像的视角； 3）有助于实现背景虚化；4）为提高解析度和暗光能力创造条件。 目前各手机品牌厂商使用的传感器尺寸逐步增大（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。 长城国瑞证券研究所 分析师： 刘亿 liuyigwgsc 执业证书编号：S0200519090001 联系电话：0592-5169085 地址：厦门市思明区莲前西路2号莲富大厦17楼 长城国瑞证券有限公司 投资评级 看好 评级变动 首次评级 行业研究 行业研究 2 / 43 请参阅最后一页的股票投资评级说明和法律声明 镜头改进方向：镜片数量和材质。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。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。2019年11月，小米CC9率先采用8P主摄像头。 玻璃材质镜头光学性能优于塑料材质镜头，但是由于工艺难度大，成本上存在劣势，在手机中以塑料镜头为主。玻璃塑料混合镜头结合了玻璃镜头和塑料镜头的优点，已被 LG V30、荣耀 20 Pro等机型使用。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。 其他创新和发展：多摄方案、3D感测、潜望式镜头。从后置摄像头数量来看，目前最多的是后置五摄，机型如华为P40 Pro+、小米CC9 Pro等；前置摄像头方面，Vivo X9、华为P40系列采用前置双摄，此外还有华为Magic2、美图V7等采用前置三摄。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。 3D感测技术能记录场景或对象的深度值，为解决复杂任务提供了全新可能。在手机摄像头中应用的 3D 技术包括：立体视觉（Stereo vision）、结构光（structured light）、飞行时间（Time-of-flight）。Yole预计2025年3D传感在后置摄像头（结构光和ToF方案）的摄像头为42%，超过前置摄像头的约25%水平。 变焦能力是目前手机摄像头的重要卖点，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，目前华为、三星、OPPO、Vivo推出的最新系列均具备潜望式长焦机型。预计未来潜望式摄像头在大屏手机中的渗透率有望提升。 投资建议： 摄像头产业链包括图像传感器、镜头、滤光片、马达、模组封装等环节，根据Yole数据，2018年全球摄像头模组销售规模为271亿美元，其中图像传感器价值占比约为45%，镜头价值占比约15%。从下游终端来看，手机仍是主要应用领域，占价值量比重大概70-80%。 在手机领域，摄像头一直是主要创新点，各类创新旨在改善拍摄质量或辅助功能，包括大尺寸传感器、多镜片镜头、玻塑混合镜头、3D感测镜头、潜望式镜头、不同类型摄像头组合等方面（以及尚未应用的屏下摄像头）。持续的创新在一定程度上提升了行业nMwOmMpRnMzQqOuNmMpQnRbRcMbRmOnNtRrRfQrRtOkPtRqQ9PpOnONZsQrONZnMoN行业研究 3 / 43 请参阅最后一页的股票投资评级说明和法律声明 壁垒，建议持续关注图像传感器、镜头、滤光片、模组制造等各个环节中具备较高研发实力、具有优质客户资源的龙头企业。 风险提示： 宏观经济下行致消费不振风险；手机销售量不及预期风险；突发事件带来的供需冲击风险；创新不受市场认可风险；市场竞争风险。 行业研究 4 / 43 请参阅最后一页的股票投资评级说明和法律声明 目 录 1 摄像头简介和应用领域 . 7 1.1摄像头成像原理和组成部分. 7 1.2手机是摄像头最大的终端应用领域. 9 2 摄像头主要环节和演进发展方向 . 12 2.1图像传感器：产业链价值占比最高，向大尺寸方向推进. 13 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. 20 2.3其他：马达、滤光片、模组封装. 24 3 手机摄像头其他创新和发展 . 32 3.1多摄方案：摄像头数量持续增加. 32 3.2 3D感测：ToF方案应用前景广阔 . 36 3.3 潜望式镜头：突破厚度限制，实现5倍及以上光学变焦. 40 行业研究 5 / 43 请参阅最后一页的股票投资评级说明和法律声明 图目录 图1：1951-2018年全球相机出货结构情况 . 8 图2：数码相机成像框架 . 8 图3：手机摄像头的基本结构 . 9 图4：摄像头产业链简要图示 . 9 图5：全球光学镜头模组收入及结构（百万美元） . 10 图6：2015Q4-2019Q4全球CMOS图像传感器分领域销售情况 . 11 图7：2012-2024年全球摄像头模组分领域销售情况与预测 . 11 图8：2016年手机摄像头模组成本构成 . 12 图9：2018年CMOS摄像头模组价值构成 . 12 图10：2018和2024年摄像头模组价值结构（亿美元） . 12 图11：图像传感器的发展历程 . 13 图12：CCD和CMOS图像传感器设计比较 . 14 图13：2017年图像传感器市场结构 . 15 图14：2018年图像传感器市场结构 . 15 图15：2007-2022年CMOS图像传感器销售额及预测 . 16 图16：2016-2025年CMOS图像传感器市场规模及预测 . 16 图17：2015-2025年CMOS图像传感器平均单价及预测 . 17 图18：图像传感器市场前三厂商份额情况 . 17 图19：2017年CMOS图像传感器市场份额情况 . 17 图20：2017Q4-2020Q4主要厂商分季度图像传感器收入情况与预测 . 18 图21：CMOS传感器结构图 . 19 图22：两种像素四合一方案（RGGB和RYYB）像素阵列比较 . 19 图23：光学镜头参数示意图 . 21 图24：2018年国内智能手机主摄像头镜片数分布 . 22 图25：华为P30后置摄像头镜片结构 . 23 图26：2018年手机摄像头镜头市场份额情况 . 24 图27：2018年安防摄像头镜头市场份额情况 . 24 图28：FF摄像头模组结构 . 25 图29：AF摄像头模组结构 . 25 图30：音圈马达的结构 . 26 图31：全球音圈马达市场规模和销量情况 . 27 图32：部分滤光片图示 . 28 图33：红外截止滤光片效果图示. 29 图34：摄像头模组封装形式（单芯片） . 30 图35：2017和2018年全球摄像头模组市场格局 . 31 图36：iPhone 11Pro三摄像头方案配置情况 . 34 图37：2014-2018年全球智能手机搭载摄像头数量情况 . 35 行业研究 6 / 43 请参阅最后一页的股票投资评级说明和法律声明 图38：2018-2020年智能手机市场摄像头数量结构与预测 . 35 图39：2017-2025年全球智能手机单机搭载摄像头数量情况与预测 . 35 图40：3D成像和传感市场结构和规模预测 . 36 图41：iPhone X“齐刘海”传感器配置及启动步骤 . 37 图42：智能手机3D摄像头渗透率及预测 . 37 图43：结构光和飞行时间（ToF）应用机型发布情况 . 39 图44：立体视觉、结构光和飞行时间3D方案相机模组比较 . 40 图45：移动和消费应用3D传感生态链及规模预测 . 40 图46：潜望式摄像头结构及光路. 41 表目录 表1：传统相机和数码相机比较 . 7 表2：摄像头的基本元件及功能 . 8 表3：CCD和CMOS图像传感器比较 . 14 表4：索尼近年部分图像传感器型号及应用情况 . 19 表5：光学镜头主要参数介绍 . 20 表6：不同材料镜头比较 . 21 表7：主要手机品牌商摄像头镜片数量情况（2019年以来新机） . 22 表8：光学镜头行业主要壁垒 . 24 表9：不同变焦方式比较 . 25 表10：三种对焦/变焦马达比较 . 25 表11：2019年10月-2020年1月全球主要摄像头马达出货情况（单位kk，百万颗） . 27 表12：不同材质红外截止滤光片比较 . 29 表13：不同摄像头模组封装形式比较 . 30 表14：手机摄像头的创新点及应用情况 . 32 表15：不同双摄像头方案比较. 33 表16：主要手机品牌部分后置多摄像头方案 . 33 表17：主要3D技术及应用场景 . 38 表18：立体视觉、结构光和飞行时间3D方案比较 . 38 表19：潜望式摄像头对镜头和模组厂商的要求变化 . 42 表20：采用潜望式摄像头的智能手机机型基本情况 . 42 行业研究 7 / 43 请参阅最后一页的股票投资评级说明和法律声明 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。 表1：传统相机和数码相机比较 项目 传统相机 数码相机 成像原理 凸透镜成像原理。 凸透镜成像原理。 成像过程 1、经过镜头把景物影像聚焦在胶片上； 2、胶片上的感光剂随光发生变化，形成潜影； 3、胶片上受光后变化了的感光剂经显影液显影和定影后，形成和景物相反或色彩互补的影像。 1.经过镜头光聚焦在图像传感器（CCD/CMOS）上； 2.图像传感器（CCD/CMOS）将光转换成电信号； 3.经处理器加工，记录在相机的内存上； 4.通过电脑处理和显示器的电光转换，或经打印机打印便形成影像。 分辨率 感光元素数量是分子数量级的，以亿为单位。 感光器件只有几百万到上千万像素。 感光方位 胶片感光是全方位的，正前方来的光线和侧方来的光线同样起作用。 数码感光器件有错位、拖后的“管状效应”，对于中央来的光线敏感，对于侧面来的光线不敏感。 照片质感 有层次，胶片上感光物质涂层对光线颜色、程度等反应不同，照片显得有厚度。 照片是电子信息，一般照片很高清，也会比较平。 色彩 不同的胶片拍同一个场景会有不同的颜色风格。 相对来说比较真实。 资料来源：公开资料、长城国瑞证券研究所 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。 行业研究 8 / 43 请参阅最后一页的股票投资评级说明和法律声明 图1：1951-2018年全球相机出货结构情况 资料来源：日本国际相机影像器材工业协会（CIPA）、长城国瑞证券研究所 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。 图2：数码相机成像框架 资料来源：公开资料、长城国瑞证券研究所 表2：摄像头的基本元件及功能 元器件 主要功能 代表企业 镜头（Lens） 其组成是透镜结构，由几片透镜组成，一般可分为塑胶透镜（plastic）或玻璃透镜（glass）。其功能是利用透镜成像原理在图像传感器表面成像。 蔡司、徕卡、大立光、舜宇光、玉晶光等 音圈马达（Voice Coil Motor） 控制镜头对焦。 索尼、夏普、Shicoh、Hysonic、TDK等 红外截止滤光片 （IR cut filter） 位于LENS与Sensor之间。因人眼与CMOS Sensor对各波长的响应不同，人眼看不到红外光但sensor会感应，因此需要IR cut filter阻绝红外光。可分为反射式（普通IR）及吸收式（蓝玻璃）两种。 水晶光电、五方光电、欧菲光等 图像传感器 （Image Sensor） 将从镜头上传导过来的光线转换为电信号，再通过内部的DA转换为数字信号。图像传感器是起感光记录作用的元件，和胶卷类似。主要分两种：CCD索尼、三星、豪威科技等 0200004000060000800001000001200001400001951 1953 1955 1957 1959 1961 1963 1965 1967 1969 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 2015 2017胶片相机出货（千台） 一体型数码相机（千台） 可更换镜头数码相机（千台）图像信号处理器（ISP） 图像传感器 景象 镜头 快门光圈 滤光片 感光片 放大 ADC 彩色插值 效果处理 压缩 存储 光线 闪光灯 马达调焦 YUV或RGB数行业研究 9 / 43 请参阅最后一页的股票投资评级说明和法律声明 （Charge Coupled Device，电荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体），当使用CCD时，需要添加数字信号处理器（DSP），将模拟信号转化为数字信号并进行处理（修改、删除、强化等）。 图像信号处理器 （ISP，Image Signal Processor） 对图像数字信号进行处理，主要包括：AEC（自动曝光控制）、AGC（自动增益控制）、AWB（自动白平衡）、色彩校正、Lens Shading、Gamma 校正、祛除坏点、Auto Black Level、Auto White Level等。 可以与CIS（CMOS图像传感器）集成。 - 资料来源：公开资料、长城国瑞证券研究所 图3：手机摄像头的基本结构 资料来源：Yole、长城国瑞证券研究所 图4：摄像头产业链简要图示 资料来源：公开资料、长城国瑞证券研究所 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