一文看懂:光学行业 三摄+潜望式+3D

ittbank 2019-03-20 17:49

研究背景

光学创新因为能给用户带来非常直观而明显的体验提升,成为各大手机厂商进行差异化竞争的焦点,也让光学成为智能手机创新的主战场之一,当前三摄像头、潜望式摄像头和3D Sensing正成为光学下一阶段创新的主轴。三摄像头在华为的带动下成为2018年的亮点,可以带来更好的成像质量和变焦效果,有望在2019年被更多厂商采用;潜望式摄像头则在OPPO的带领下,有望被华为等厂商迅速跟进,快速渗透;自从iPhoneX开始搭载3D Sensing功能以来,苹果已在2019年新款iPhoneiPad中全面配备3D Sensing,未来苹果有望在旗下产品中全面配备3D Sensing


我们区别于市场的观点

光学创新永不眠,当前三摄像头、潜望式摄像头和3D Sensing正逐渐成为新的潮流,给产业链带来更大的市场空间。我们区别于市场的观点主要有以下两点:

1)我们认为三摄像头和潜望式摄像头有望成为2019年创新的重头戏。在手机进入存量市场之后,任何能吸引用户换机的创新都将给手机厂商迅速采用,这一点在双摄和全面屏方面体现得特别明显。三摄的成像质量和光学变焦能力相比双摄又有了大幅提高,并且在华为的带动下,有望在2019年开始快速渗透。潜望式摄像头的光学变焦能力实力强劲,在OPPO、华为的带领下,有望在2019年也加速渗透。

2)我们认为大陆光学产业链将在上述创新中扮演重要角色。在经过多年的发展之后,大陆厂商已经在准直镜头、光学镜头、滤光片、模组等环节具备了较强实力,涌现出了一批优质的上市公司。除此之外,大陆厂商正在突破图像传感器、VCSEL激光源等更高难度的产品,向高附加值产品延伸。两大创新带来的是全新的增量市场,竞争烈度较小,进入供应链的厂商可以充分享受到创新带来的红利。


投资观点

三摄像头和潜望式则有望在华为、OPPO的带领下,在2019年得到快速渗透;苹果给iPad Pro配备3D Sensing功能,未来将全面使用3D Sensing取代指纹识别。光学创新带来全新的增量市场,空间广阔,我们首次覆盖光学行业,给予“买入”评级。欧菲科技在模组领域具备很强实力,已进入顶级客户供应链,有望分享行业红利,维持“买入”评级。水晶光电在红外截止滤光片和窄带滤光片领域实力出众,客户优质,也有望借助创新得到较快发展,首次覆盖给予“买入”评级。舜宇光学科技在模组和镜头领域均是业内领先企业,也将受益光学创新,维持“买入”评级。瑞声科技研发的WLG有望在3D Sensing得到使用,给公司贡献新的成长动力,维持“增持”评级。



1、光学创新永不眠,新动向精彩纷呈

1.1、光学始终是智能手机创新的主战场之一

光学创新因为能给用户带来非常直观而明显的体验提升,成为各大手机厂商进行差异化竞争的焦点,也让光学成为智能手机创新的主战场之一。回顾历史,我们发现围绕着带来更好的拍照体验这个目标,光学经历了像素升级、光学防抖、大光圈、长焦镜头、光学变焦、多透镜设计、双摄像头等多种创新,其中以像素升级和双摄像头最为典型。

iPhone作为智能手机的开创者和标杆,其像素升级历史最为典型。第一代iPhone的后置摄像头像素只有200万,随后逐步升级到现在的1200万;前置摄像头则从iPhone 4的30万像素,逐步升级到了现在的700万像素。在苹果的带动之下,安卓手机厂商也积极升级手机摄像头像素,并在2011-2015年形成了“像素大战”。


双摄像头则是光学的另一重大升级。华为在2016年4月发布与德国徕卡合作的旗舰手机P9,开创智能手机的双摄浪潮。P9配备双1200万像素后置摄像头,两颗摄像头分别负责彩色和黑白功能。彩色摄像头用来获取物体的色彩,而黑白摄像头用来获取物体的细节,然后将两个图片融合为一张最终的图片。P9的双摄大幅提升照片质量,受到了消费者的热烈欢迎,并且是华为第一次成功引领产品创新,是华为手机品牌美誉度得以提升的重大功臣。

苹果则在2016年9月发布了配备双摄像头的iPhone 7 Plus。iPhone 7 Plus采用广角+长焦镜头,通过左右摄像头使用不同的FOV(可视角),使两个摄像头取景不同。当拍近景时,使用广角镜头,拍远景时,使用长焦镜头,从而实现光学变焦功能。iPhone 7 plus的双摄受到了消费者的热烈欢迎,并由于苹果在智能手机行业的标杆地位,迅速被众多安卓手机厂商所学习

光学行业发展到今天出现了新的动向,三摄像头、潜望式摄像头与 3D Sensing 成为行业下一阶段创新的重点。三摄像头则在双摄的基础上再次大幅提升拍照质量,有望在华为的带动下成为下一阶段的发展趋势;潜望式摄像头由于可以实现远距离光学变焦,有望在 2019 年迎来大发展;3D Sensing因为具备更高的安全性,并且可以带来 VR/AR 等更大的创新潜力,正逐步取代指纹识别成为手机标配。

1.2、华为引领三摄浪潮,渗透率有望快速提高

华为在 2018 年发布的 P 系列和 Mate 系列两大旗舰机中均采用了三摄像头设计。 P20 Pro 与 Mate20 Pro 均配备一颗 4000 万像素的主摄像头、一颗 2000 万像素的副摄像头、一颗 800 万像素的远摄像头,三颗摄像头分别起到彩色广角、黑白广角、彩色长焦的功能。

具体在进行拍摄时,通常是两颗摄像头在工作,要么是彩色+黑白,要么是长焦+黑白,三颗摄像头通常不会一起工作。

三摄的第一大优势是暗光场景下的强大拍照能力,这个时候使用的是彩色+黑白两颗摄像头,彩色摄像头用于成像,黑白摄像头用于捕捉细节。彩色主摄像头的传感器尺寸较大,可以获取更多的进光量,再加上黑白摄像头带来的细节捕捉,可以在暗光下获得更好的成像。

尽管彩色主摄像头采用4000万像素,但华为P20 Pro在自动模式下并非直接输出4000万像素的照片,而是采用4合1的方式,靠4000万像素感光元件输出一张1000万像素的照片,以有效提升暗光场景的拍照能力。如果需要输出4000万像素的照片,需要单独进行设置。


三摄的第二大优势是变焦能力。华为P20 Pro提供了3倍光学变焦和5倍三摄变焦两种变焦模式,其中3倍光学变焦用到长焦+黑白两颗摄像头,5倍三摄变焦则要分别用到彩色+黑白和广角+黑白两种模式。

由于长焦摄像头的80mm焦距刚好是主摄像头27mm焦距的三倍,所以当需要变焦拍摄远处的景象时,可以从主摄像头切换到长焦摄像头,从而实现模拟3倍光学变焦,这一点与iPhone的光学变焦原理是相同的。这种变焦实际上是“突然”发生的,但通过算法的调校,可以让这个过程平滑化,让拍摄者不会感到突兀。

由于只有两种焦距的摄像头,所以实际上只能实现3倍光学变焦,5倍三摄变焦实际上是对照片进行裁剪优化得到的。由于4000万像素彩色主摄像头的成像效果非常好,所以在需要实现5倍三摄变焦时,会把这颗摄像头的图像和长焦摄像头的图像进行裁剪优化,再加上黑白摄像头的细节能力,从而呈现出5倍变焦的效果。


三摄像头在大幅提升成像效果的同时,也大幅增加了制造难点,这些难点可以概括为硬件和算法两方面。

在硬件方面,难点在于摄像头的一致性要求。这三颗摄像头均可以实现成熟的单独量产,但组合起来就会出现一致性的问题。每颗摄像头的加工过程和安装位置都会产生细微差别,对于摄像头这种高精度的装置,1mm的偏差就足以毁掉整张照片。为此,华为在每条产线上引入了高精密的调校系统,通过光学检测和人工智能来进行分析和校准,保证对焦和成像的准确性。

在算法方面,难点在于解决变焦时的转换流畅度。由于三颗摄像头是两两组合来使用的,在变焦时要实现摄像头的切换,这个时候需要完美解决视差问题,即无论变焦到多少,切换到哪个摄像头,都不能感觉到明显的差异。为了实现像素级的精确,最终生成的图像都需要上万个点的对齐测试,这种算法的调校才是三摄的难点。

三摄像头一方面可以大幅改善成像质量,提供更好的光学变焦功能,另外一方面是对双摄的进一步升级,在硬件和算法的层面拥有更好的基础,可以更快地完成渗透。我们预计在华为的引领下,2019年将有包括苹果、三星、OPPO、vivo、小米等众多厂商开始使用三摄像头。

1.3、潜望式摄像头有望在2019年快速渗透

潜望式摄像头是指将镜头与手机平面垂直放置的摄像头。OPPO是最早推出潜望式摄像头的手机厂商,其在2017年的MWC上首次展示了潜望式摄像头技术。区别于传统双摄镜头的并列排布,OPPO将长焦镜头横向排列,与广角镜头形成垂直布局,由特殊的光学三棱镜让光线折射进入镜头组,实现成像。


潜望式摄像头最大的优势是可以实现高倍数的光学变焦。变焦就是改变焦距,从而得到不同宽窄的视场角、不同大小的影像和不同的景物范围。变焦通常有数码变焦和光学变焦两种方式,其中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;光学变焦是依靠镜头中镜片的移动(改变镜片之间的距离),进而改变镜头的焦距,实现变焦。

光学变焦可以分为内变焦和外变焦两类方案。内变焦指前后镜片之间的距离不变,由之间的镜片组前后移动变焦,简单理解就是变焦在机身内完成,摄像头外观没有变化;而外变焦则是通过前镜片组和后镜片组移动变焦,类似于我们平常见到的伸缩式镜头。

由于智能手机需要保持轻薄,而使用伸缩式摄像头会大幅增加手机的厚度,并且难以防水防尘,所以内变焦是手机实现光学变焦的主要方式。但由于手机厚度有限, 水平放置的摄像头只能有较小的焦距,光学变焦能力有限,所以通过采用潜望式摄像头的设计,能大幅增加摄像头的焦距,实现更好的光学变焦。

OPPO已在1月17日正式发布了其最新的潜望式摄像头技术,支持十倍光学变焦。该技术采用“接棒式”三摄配置方案,其中长焦摄像头采用潜望式结构,等效焦距为159mm,另外超广角镜头的等效焦距为15.9mm,再加上超清主摄,这样就构成了等效焦距15.9mm—159mm的三摄镜头组。OPPO的这款产品也赢得了MWC 2019的优秀技术奖。


在手机行业进入存量竞争之后,任何能吸引消费者的功能都成为手机厂商创新的重点。在OPPO的带领下,我们预计华为、小米等手机厂商也将很快推出配备潜望式摄像头功能的手机,潜望式摄像头行业正引来快速发展的新阶段。

1.4、3D Sensing快速渗透,行业规模不断增长

3D Sensing是指获取周围环境的三维信息来进行识别的功能,被广泛应用于工业、医疗、交通、科研、国防等领域中,例如无人驾驶所使用的激光雷达就是3D Sensing的一个典型应用。

随着技术的进步,3D Sensing逐步实现了小型化、低功耗,可以开始用于手机等消费级的电子产品中。当用于手机时,具有安全性高、使用简便、适合全面屏设计等优点,可以完美取代手机中的指纹识别解锁。苹果在2017年9月发布的iPhone X中首次配备3D Sensing功能,并命名为Face ID,并在2018年9月发布的iPhone XR、iPhone XS、iPhone XS Max中全面配备3D Sensing。

苹果在2018年10月30日发布的最新款iPad Pro中,同样去掉了指纹识别模块,转而使用3D Sensing功能,我们认为这将成为苹果在iPad产品系列中全面使用3D Sensing的开始,未来3D Sensing将成为iPad的标配。

我们预计苹果未来将在旗下产品中全线配备3D Sensing功能,由于苹果产品的出货量,未来3D Sensing将迎来广阔的发展空间。


2、三摄+潜望式:打开产业链成长新空间

手机摄像头主要由光学镜头(Lens)、音圈马达(VCM)、红外滤光片(IRCF)、图像传感器(Sensor)等组成。三摄相比单摄和双摄分别增加两颗和一颗摄像头,潜望式则需要增加一组镜片和折射镜头,将给整个摄像头产业链带来新的市场空间,产业链相关企业将迎来新的成长动力。

从手机摄像头产业链的价值量分布来看,CIS图像传感器占据了52%的价值量,是价值量最高的部件;光学镜头和模组的价值量占比分别达到了19%和20%,两者旗鼓相当,仅次于CIS图像传感器;音圈马达和红外截止滤光片的价值量占比分别达到6%和3%,价值量较少。


2.1、光学镜头:设计和制造难度大,经验积累是关键

光学镜头的主要作用是利用光的折射和反射原理,搜集被拍摄物体的反射光并将其聚焦于图像传感器上。

手机摄像头使用的镜头主要有塑胶和玻璃两种材质。塑胶镜头透光率不如玻璃镜头,但成型更为容易、良率较高、成本较低,通过不同形状的塑胶镜头进行组合,也可以达到非常好的成像效果,所以手机摄像头使用都是塑胶镜头。

衡量镜头解析力的常用指标是MTF(Modulation Transfer Function,调制转换函数),它衡量的是镜头对对比度的还原情况。理想镜头的还原情况可以达到100%,最差的镜头无法还原对比度,所以MTF的值位于0—1区间内。MTF的值越大,表明镜头的解析力越好。

例如在下图中,黑白条的对比度原本是100%,但经过镜头的处理之后,黑白条的中间地带会由于光线的串扰而呈现灰色,这就是无法完全还原对比度的情况。在这个例子中,这个镜头的MTF值为90%,表示可以还原90%的对比度。

在手机可见光摄像头中,尽管玻璃材料的透光量要好于塑胶镜头,但塑胶易于成型,可以组成各种所需要的组合,对光线的控制也更优,所以塑胶镜头的MTF反而会大于玻璃镜头。基于此,我们认为塑胶镜头仍将是未来一段时间内手机可见光镜头的主流,但玻璃镜头或玻塑混合镜头大概率也将会占有一席之地。


光学镜头具有非常高的技术难度,目前能大批量稳定生产高品质镜头的厂商较为稀少。光学镜头的难点主要在于设计和制造环节。

光学镜头的难点之一在于设计环节。设计环节需要的是多年的经验积累,以及想象力的发挥,不仅仅是一门工程,更是一门艺术。每一个设计的光学镜头都可以专门申请专利,保护设计师的心血结晶。设计环节直接决定厂商能否生产某一规格的镜头,是进入这个行业的门票。

光线在穿过镜头时,会发生非常复杂的折射过程才能到达图像传感器。这些复杂的折射过程会使图像传感器上的成像与根据高斯光学得到的理论结果产生差距,这就是像差。

像差主要由三种原因产生:1)通光介质的折射率随波长变化而变化;2)透镜表面通常为球面;3)光具有波粒二象性。由第一种原因产生的成像偏差称为色差,第二种产生的成像偏差称为球差,第三种产生的成像偏差称为衍射效应。目前已知的像差已经有几百种,比如轴向色差、球差、横向色差、慧差、场曲、像散和畸变等。


像差无法完全消除,所以这个世界不存在完美的镜头。光学设计就是通过组合不同形状、不同数目的透镜,实现对这些像差的控制,尽可能获得尽可能完美的成像效果。但是因为像差实在太多,所以想实现完全的像差控制是不可能的,只能通过光学设计在众多像差中取得平衡。光学设计不是工程,而是艺术,是对于美的理解,考验的是光学设计师的经验、天赋和灵感。莱卡和蔡司作为最优秀的光学厂商,引以为傲的正是其在光学设计上的深厚积累。华为与莱卡合作,主要的合作内容就是莱卡帮助华为改善光学设计。

光学镜头的难点之二在于制造环节。如果说设计解决的是镜头厂商能否生产的问题,那么制造环节就是决定生产良率和一致性的关键。在模具、成型、组装等环节,对于生产精度都有非常高的要求,任何一个环节出现差错都会对最后的成像效果产生非常大的影响。


模具环节是塑胶镜头制造的最关键部分。模具的质量直接影响镜片的成型,所以需要非常高精度的模具,不仅需要有经验的设计人员来进行设计,还需要制造人员具有精密加工和检测方面的基础。

在设计模具时,应该将成型时的所有可能影响精度的因素加以控制,包括成型机、成型条件、成型材料。整体模具的设计需要注意成型机的尺寸和精度、成型条件和成型材料的特性,并考虑到具有累加性的误差,如平行度、垂直度、同心度,以及影响塑胶流动的因素,例如排气孔的位置和浇口形状。

在制造模具时,需要考虑模具的加工方法、工作机械和模具材料,比如零件制造的机台、方法、程序是否合理。任何失误都会直接影响模具的尺寸精度,很容易导致模具无法达到设计的公差范围。

成型环节,材料发生了相变化、密度变化、温度变化以及压力变化,必须严格精确控制这些变量才能使透镜拥有良好的光学特性,这对厂商的生产提出了极高的要求,不仅需要高精度的仪器,还需要有经验的熟练工人才能完成操作,任何差错都会影响最后的成像质量。比如莱卡在冷却成型时,是按照一小时下降一度的速率逐渐降低温度的,以求得到最优质的光学镜头。

组装环节是按照顺序逐一将加工完成的镜片、隔片、压圈等部件完成装配,并实现光学性能的过程,目前主要通过自动化方式实现组装。镜头组装技术要点十分复杂,对部件加工精度、组装精度具有极高的要求,整体公差一般不超过3微米,而大立光等企业甚至达到2微米。组装还需要经验丰富功底深厚的专家团队,不断改进探索,需要多年积累才能制作一颗合格的镜头。


光学镜头设计非常复杂,目前已知的像差就有数百种,仍有大量未知的像差不断被发现,需要在设计中被考虑进去。光线的折射和反射路径数不胜数,需要设计师去不断计算和权衡。透镜的形状、位置、材料可以有无数种组合方式,让设计师们有空间去不断挖掘更好的设计。光学镜头行业永远没有进步的终点,永远都有探索的空间。

正因为这个行业进步永无止境,所以时间和经验才显得极为重要。无论是在设计还是在制造环节,镜头行业都需要大量的经验积累和有经验的熟练工人,去掌握设计的技巧和制造中的know-how,所以镜头行业经常可以见到只有拥有悠久历史的公司才能生产出优秀的镜头。例如德系的蔡司和莱卡,日系的佳能、尼康、索尼,都是具有几十年甚至上百年历史的顶级光学镜头厂商。时间和经验是光学镜头行业最重要的资产,也是竞争对手难以逾越的屏障。

手机镜头的生产尽管不像相机镜头那么困难,但时间和经验依然很重要。例如台湾的大立光是最早开始研究塑胶镜头的厂商之一,成立至今已有接近40年的历史。尽管塑胶镜头是在智能手机兴起之后才开始蓬勃发展,但大立光在此之前已积累了接近20年,所以其他厂商始终难以企及大立光的镜头品质和生产良率,这也造就了大立光在手机镜头领域的霸主地位。

除了大立光,大陆的舜宇光学在近些年也发展迅猛。在2012年收购柯尼卡美能达的上海工厂,并与其达成合作协议之后,舜宇光学掌握了大量设计和制造中的know-how,镜头品质和良率迅速改善,出货量大幅增加。时至今日,舜宇光学已经大幅缩小了与大立光的差距,技术实力非常出众。

在整个手机镜头行业中,台湾地区的大立光是绝对的霸主,2017年占据了34.5%的全球市场份额,并且主要供应高阶镜头。舜宇光学作为来自大陆的后起之秀,也占据了9.4%的市场份额,位居市场第二位,并在国产手机供应链中具有重要地位。除了大立光和舜宇光学,重要的手机镜头厂商还包括玉晶光、世高光、关东辰美等厂商。


2.2、音圈马达:总体技术难度不高,精度控制是关键

手机中控制镜头对焦的器件为音圈马达(VCM)。单反相机的对焦是通过转动镜筒带动镜头里某个镜片或者某组镜片前后移动,来修正光路,使成像落在感光元件上是最清晰的。普通的手机摄像头无法做到像单反相机那样移动某块镜片或者某组镜片来对焦,因此手机摄像头是通过镜头组整个前后移动实现自动对焦,驱动这一动作的就是VCM。

不同厂商的VCM结构略有不同,但总体上均包括外壳、支架、垫片、簧片、磁石、线圈、载体、底座等部件,内部结构较为复杂。


音圈电机(VCM)基于安培定理工作,即当线圈导电,其中的电流产生的作用力推动固定在载体上的镜头移动,从而改变对焦距离。可以看到,音圈电机(VCM)器件对于对焦距离的控制实际上是通过对线圈中电流的控制来实现的。

手机摄像头的VCM需要Driver IC配合完成对焦,通过Driver IC控制VCM供电电流的大小,来确定VCM搭载的镜头移动的距离,从而调节到适当的位置拍摄清晰图像。

衡量VCM的性能主要有以下几个指标:

1)行程,简单来说就是音圈马达在额定电流下能够跑多远;

2)灵敏度,就是电流与行程曲线之间的斜率,灵敏度越高越好;

3)磁滞,磁性物体都有保留其磁性的倾向,磁感应强度的变化总是滞后于磁场强度的变化,所以会造成音圈马达在同一电流下向上或者向下的行程产生位置差,磁滞越小越好;

4)启动电流,就是需要多大的电流来驱动 VCM,越小越好。

VCM的技术并不复杂,但由于对灵敏度的要求较高,所以生产时的精度控制是关键,这涉及到设计、材料等各个环节的改进。

正因为VCM技术难度并不高,所以全球参与VCM产业的厂商有上百家,总体上来看,这些厂家可以划分为日本、韩国、中国三大阵营。

2016年日本的音圈马达占据全球超过四成的市场份额,并掌握着全球音圈马达先进技术和制造能力,代表企业主要包括阿尔卑斯、三美、TDK等,其中阿尔卑斯和三美向苹果供应音圈马达。

韩国厂商占据全球VCM市场的超过两成份额,主要包括三星电机、磁化、Hysonic和LG-Innotek等。

2016年国产音圈马达在全球市场占据了三成以上的份额,企业数量在50家以上,主要包括新思考、比路电子、中蓝等,其中比路电子和新思考在国际市场表现较为出色。


2.3、红外截止滤光片:镀膜工艺是关键,水晶光电实力强劲

红外截止滤光片(IR-Cut filter) 是一种允许可见光透过而截止红外光的光学滤光片。当光线进入镜头,折射后可见光和红外光会在不同靶面成像,可见光成像为彩色,红外光成像为黑白。当把可见光所成图像调试好之后,红外光会在此靶面形成虚像,影响图像的颜色和质量。

红外截止滤光片又可细分为两种,一种是反射式滤光片,另一种是吸收式滤光片。滤光片最关键的工艺是镀膜,需要保证镀膜的均匀性和一致性,镀膜又可分为真空镀膜和化学镀膜两种方式。镀膜之后基本可以滤除650nm以上波长的光,满足基本的使用需求。

以蓝玻璃为基材镀膜制成的IRCF,是采用吸收的方式过滤红外光,可过滤630nm以上波长的光,比较彻底;而以普通玻璃为基材镀膜所制成的IRCF是以反射的方式过滤掉红外光,反射光容易造成干扰,效果差于蓝玻璃IRCF。

红外截止滤光片的主要生产厂商有欧菲光、水晶光电、田中技研、哈威特(已被奥托仑收购),欧菲光早在2002年就研发生产IRCF,此后进军触控屏及影像系统领域,IRCF增长放缓。水晶光电作为后起之秀,目前是国内龙头,同时也间接向苹果供应红外截止滤光片。


2.4、CIS传感器:技术创新与定制化是行业两大特点,IDM模式更有优势

CMOS图像传感器(CIS,CMOS Image Sensor)是实现将光信号转换为电信号的模数转换器。

CMOS图像传感器由两部分组成:感光区域和处理电路。

感光区域由大量的感光二极管构成,每个感光二极管就是一个像素单元。光子在经过感光二极管之后,就会通过激发光电二极管中的材料放电,从而转化为电子被释放出来。电荷被储存而形成电势差,电势差被测量出来,从而可以得到该像素单元的灰度值。

处理电路是对感光区域获得的数据进行处理的电路,例如自动对焦、光学防抖、曝光时间控制、自动增益控制、时序控制、同步信号、行起始信号、场起始信号等,在传感器的工作过程中起着非常重要的作用。


技术创新驱动与客户定制化要求高是CMOS图像传感器行业的两个重要特点。

CMOS图像传感器是个技术密集型的行业,只有不断开创新技术的厂商才能立于不败之地。CMOS图像传感器的第一次重大创新是由前照式(FSI)转变为背照式(BSI)。

像素单元由片上透镜、彩色滤光片、金属线路、光电二极管构成。前照式结构中,当光线射入像素单元,经过了片上透镜和彩色滤光片后,先通过金属排线层,最后光线才被光电二极管接收。在这个过程中,金属线路会遮挡和反射一部分光线,极为影响成像质量。

索尼改变了这种制造像素单元的方式,采用背照式结构,将光电二极管放在金属线路的前面。这一方法让像素可以获得更多的感光量,大幅提高了信噪比,而且可以采用更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。这一进步大幅提高了手机的拍摄质量,直接促成了数码相机的衰落,也让索尼击败豪威科技拿到iPhone 4S的图像传感器订单。


CMOS图像传感器的第二次重大创新是由非堆栈式转变为堆栈式。

非堆栈式是将感光区域和处理电路在同一片晶圆上制作,但这样会面临两个问题。

第一个问题是非堆栈式的两个区域都只能采用相同的工艺,比如65nm工艺。这样的工艺对于感光区域的像素制作是足够的,但是对于处理电路而言,更先进的工艺可以有更高的晶体管密度,其对于像素区域的管控能力也能得到提高,可以得到更好的画质。

第二个问题是为了提高像素集合光的效率,需要引入光波导管。光波导管的干刻过程中,硅晶圆和像素区域会有损伤,此时则要进行一个叫做“退火(annealing process)”的热处理步骤,让硅晶圆和像素区域从损伤中恢复回来,这时候需要将整块CMOS加热。这种加热会对处理电路产生不必要的损伤,会对信号读出产生影响。

索尼创造性地提出堆栈式的方法,解决了上面两个问题。首先利用晶圆和基板的热传导系数差异,通过加热将两者分离。然后使用65nm工艺制作感光区域,使用40nm工艺制作处理电路,然后堆叠在一起。这样一来,感光区域的面积也可以增大,可以制作更多的像素,处理电路也得到了优化。这样的摄像头体积变得更小,但功能和性能反而增强。

索尼在堆栈式结构的基础上再接再厉,在2017年2月推出了业界首款配备DRAM的三层堆栈式CMOS图像传感器IMX400。据索尼在ISSCC2017的论文中介绍,这个新型CIS的像素数组位于裸晶的顶层,DRAM数组和列驱动器位于中间,其余的区块则位于底部的ISP裸晶。加入了DRAM能够大大提升数据的读取速度,满足高质量照片的拍摄需求。


CMOS图像传感器行业的第二个重要特点是定制化要求非常高。

由于各大手机厂商对拍照性能的要求不同、理解也不同,所以对CMOS图像传感器的性能要求也不一样,这就需要进行定制化生产。

与公版感光元件固定化的参数相比,定制化的感光元件在参数选择上更加灵活。以华为P9为例,在确定了双摄像头理念后,找到索尼定制RGB/Monochrome架构的CMOS能够让双摄像头的实力得到更大发挥。另外如果在画质上有很高的追求,则可以找索尼定制一款低像素、大面积+大像素尺寸这种综合实力很强的CMOS(诸如IMX260)。

定制化要求CMOS图像传感器供应商具有柔性生产和较强的响应客户的能力,这也是在这个行业立足的核心竞争力之一。

技术创新与定制化这两大特点使得IDM模式在CMOS图像传感器行业更有优势。

IDM模式即将设计与制造两大环节垂直整合的模式,Fabless模式即只专注设计而将制造环节外包的模式。根据前面的分析,CMOS图像传感器其实有大量技术创新是在制造环节,那么IDM模式的厂商就可以更深刻地理解制造过程,从而实现技术上的改进,而代工的Fabless模式则因距离制造环节太远而无法更好地创新;与此同时,IDM模式让厂商在生产环节有了更多的掌控力,可以更好地完成手机厂商所要求的定制化参数。

根据Yole的统计,在2017年全球价值139亿美元的CMOS图像传感器市场中,索尼占据了42%的市场份额,是当之无愧的霸主。在索尼之后的是三星电子、豪威科技(Omnivision)、安森美(On Semi)等厂商。

索尼、三星、佳能、尼康等厂商采用的是IDM模式,SK海力士则通过收购Siliconfile而成为IDM厂商。其余厂商则采用Fabless/Fablite的模式,例如安森美(On Semi)交给L-Foundry代工,意法半导体交给台联电代工,豪威科技主要交给台积电代工,格科微主要交给中芯国际代工。


2.5、模组:技术壁垒不高,良率提升决定盈利能力

模组是把上述零组件整合到一起后的器件。手机摄像头模组的主流工艺有CSP、COB和FC三种,其中CSP主要用于低端产品,COB是最主流的工艺,FC则仅有苹果在使用。

CSP(芯片级封装)的优势在于制造设备成本低、洁净度要求低、良率较高,劣势在于镜头透光率低、模组厚度较高。

COB(板上封装)的优势在于设备成本较高但封装成本低,劣势在于洁净度要求高、良率较低,制程时间相对较长。

FC(倒装芯片)的优势在于封装密度很高、封装所得摄像头模组厚度最薄、缺点在于成本较高、良率较低。

与此同时,COB封装正向MOB(Molding On Board)和MOC(Molding On Chip)发展。MOB与COB的区别在于底座与线路板一体化,将电路器件包覆于内部,而MOC比MOB更加先进的地方在于将连接线一起包覆于内部。随着MOB和MOC的推出,COB封装的性能进一步向FC靠近,同时成本更低,未来有望取代FC封装。


摄像头模组行业的技术壁垒并不高,这也导致国内手机摄像头模组市场比较分散。根据旭日产研的数据,欧菲科技是2017年国内手机摄像头模组市场的第一名,但其所占份额也仅为11%。除了欧菲科技之外,还有舜宇、丘钛、信利、光宝、合力泰等也可以供应摄像头模组,但市场份额均只有个位数。

在技术壁垒不高的情况,良率提升就成为决定盈利能力的关键。由于技术壁垒不高,所以很多厂商可以进入这个市场,但每家厂商在设备自动化水平、产线布局、控制算法开发、生产经验等方面存在差异,这导致各家厂商在生产同规格产品时的良率会出现很大不同。所以尽管进入这个行业的门槛不高,但拥有较高的良率水平才是盈利的关键。

苹果作为目前唯一使用FC封装的手机厂商,其摄像头模组供应具有很强的封闭性,只有具备大量FC封装产能的模组厂才可能进入苹果供应链。目前全球拥有FC封装产能的模组厂包括LG-Innotek、夏普、索尼、欧菲科技(收购索尼广州厂)和高伟电子,所以苹果的前后置摄像头模组都有这几家负责。目前LG-Innotek和夏普是苹果后置双摄的模组供应商,而欧菲科技和高伟电子则是苹果前置单摄的模组供应商。由于拥有FC技术的模组厂并不多,所以苹果的摄像头模组供应较为稳定。

舜宇和欧菲则主要依靠国产手机厂商,例如华为、OPPO、vivo、小米等。这两大模组厂在模组小型化探索上领先国内其他厂商,已基于COB技术开发出了新型封装技术,尺寸进一步缩小。两大模组厂的产品定位较为高端,主要供应各大手机厂商的旗舰机型。伴随着国产手机厂商的快速崛起,以及华为、OPPO、vivo、小米四大厂商的份额快速提升,舜宇和欧菲的摄像头模组业务也实现了快速成长。


3、3D Sensing:全新市场,技术难度大,供应链要求高

3D Sensing的硬件可以分为发射端和接收端两部分。发射端由VCSEL激光源、准直镜头和DOE扩散片组成,接收端由窄带滤光片、光学镜头和红外CIS组成。

在工作时,VCSEL激光源首先会发射出数百束特定频率的红外光,这些红外光经过准直镜头的校准之后,被传导到DOE扩散片,扩散片会将红外光束分散成3万多个随机的红外光点,照射到人的面部;经过面部反射之后的红外光被接收端接收,在经过窄带滤光片的过滤之后,特定频率的红外光经过光学镜头的投射被红外CIS所接收。


3D Sensing是一个全新的增量市场,将给产业链带来新的成长动力。发射端的元器件大部分是创造了新的产业,价值量较大,在VCSEL激光源、准直镜头、DOE光学衍射元件、模组等领域给相关企业带来了巨大的全新需求。但发射端元器件的难度较高,需要较多的技术积累,所以目前主要是海外企业参与供应链,这也给未来大陆厂商的突破带来了契机。

接收端的元器件主要是在对存量产品应用领域的进一步的扩大,价值量相对发射端要小。大陆企业在窄带滤光片、光学镜头、模组等领域已经具有较强的实力,完全可以参与进去。但在红外CIS方面还是空白,需要未来的进一步突破。

3.1、VCSEL激光源:技术难度大,海外厂商主导

VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直共振腔表面射型激光)具有光束集中、精度高、小型化、低功耗、高可靠、转换效率高、成本低等诸多优点,从而顺理成章地击败红外LED和EEL成为3D Sensing的主流红外光源,被苹果等厂商所使用。

VCSEL的原理较为复杂,在介绍其工作原理前,我们首先介绍激光二极管的电激发光原理。

以砷化镓激光二极管为例,首先需要在砷化镓激光二极管芯片的上下各蒸镀一层金属电极,对着芯片施加电压,当芯片吸收电能时,会发出某种波长的光。发射的光在左右两个反射镜(DBR1、DBR2)间来回反射,产生谐振放大。由于右侧的反射镜被设计成可以透过一部分光(DBR2的层数较少),所以特定波长的高能量光束就会从右方穿出。


在上述过程中,DBR(Distributed Bragg Reflector,分布布拉格反光镜)起到了选取特定波长的光的重要作用。DBR由一系列不同折射率的介质层组成,每一介质层的厚度为波长的四分之一。当光遇到折射率大的介质时,光的速度变慢;遇到折射率小的介质时,光的速度变快。由于光在不同折射率介质的接口都会发生折射和反射,所以经过复杂的光学设计之后,DBR可以选择特定波长的光通过。

由于激光激发过程会产生波长很广的不“纯净”的光,所以在经过DBR的选择之后,可以产生波长范围很小的“纯净”的光,从而保证后续的使用。


在VCSEL中,发光层被称为多量子阱(MQW),其中由铟镓砷(InGaAs)和铝镓砷(AlGaAs)组成的MQW最为合适。铟(In)的比例可以决定最后发射激光的波长,当铟(In)的比例为0时,发射的是波长850nm的红外激光,这时的外延工艺较为简单,这也是850nm红外激光被广泛使用的原因;当铟(In)的比例为20%时,发射的是940nm波长的红外激光,这也是iPhone X所使用的红外激光的波长。

在MQW发光层的上下部分是p-DBR与n-DBR,用于筛选出特定波长的“纯净”光。由于出射光的方向一般是顶部,所以在底部还需要一层衬底。

阳光中的940nm红外光会在长距离传播中被空气中的水分吸收掉,而iPhone X所用的940nm红外光则因距离面部近而不会被吸收,这样可以避免阳光中的红外光干扰产生“红暴”现象,所以苹果才选用这个波长的红外光。850nm红外光则一般用于光通信中。

VCSEL的生产过程可以分为外延工艺和芯片工艺两部分,前者用于生产处外延片,后者是对外延片进一步的加工。

外延工艺的目的是在衬底上生成多量子阱谐振腔(MQW)和反射镜(DBR)等外延层,使用的工艺是MOCVD(金属有机物化学气相沉积),与传统化合物半导体的外延工艺很相近。

外延的基本过程是,将前驱物和掺杂物由反应气体送入一个已加热的高温反应腔体,砷、镓等三五族原子受热产生化学反应,并且在晶格成长最后形成原子排列整齐的薄膜,这种薄膜的沉积就被称为外延。

外延工艺的难点在于精准控制每层外延层的厚度、均匀度,以及控制缺陷密度。由于每层外延层只有几纳米至几十纳米厚度,所以对于工艺精细度的要求非常高。

芯片工艺包括多次清洗、光刻、干法刻蚀、金属化工艺以及一次湿法氧化工艺,与传统的芯片制造工艺较为类似。

湿法氧化工艺是VCSEL芯片制造中最关键的工艺,外延结构中高铝组分氧化层通过湿法氧化工艺后变成低折射率、高绝缘性的Al2O3形成有效的光场和电场限制。氧化孔径的大小和形状影响着VCSEL器件的很多性能参数,如VCSEL的阈值电流大小、光功率大小、串联电阻大小等。湿法氧化工艺时,通过控制氮气气体流量、腔室内加热温度来控制氧化速率,保证氧化速率的稳定性,从而达到用时间精准控制氧化孔径大小的目的,同时还使用红外光源的CCD用于实时观察氧化情况,保证氧化工艺的成功率。


VCSEL产业由设计、外延片、晶圆代工、封测等四个环节组成,整个产业高度分工、专业化程度很高,拥有较高的技术门槛。

大部分设计厂商都是从光通信领域切入消费电子领域,主要厂商包括Lumentum、Finsar、Princeton等。Lumentum为苹果核心供应商,其一方面采用IDM模式自行制造VCSEL,另外也与代工厂合作生产。除了Lumentum,苹果正在积极扶持Finsar,以降低供应链集中的风险。Princeton已在2017年被AMS(艾迈斯)所收购,并已在新加坡建设新工厂,用于生产高功率VCSEL,已成为小米8透明探索版的VCSEL供应商,未来可能是安卓厂商的首选。

在外延片领域,英国公司IQE是全球最大的独立外延片供应商,市场份额大约为80%,是苹果核心供应商。其他的外延片供应商还包括台湾地区的全新和联亚光电。

在代工领域,台湾地区的稳懋为全球最大的化合物半导体代工厂,其在化合物半导体代工市场的市占率超过50%,并与Lumentum紧密合作而成为苹果核心供应商。而宏捷科则拥有AMS(艾迈斯)入股,未来有望随着AMS而切入消费电子3D Sensing产业。

在封测领域,主要厂商均来自台湾地区,主要包括联均、欣品和同欣等厂商。


3.2、准直镜头:技术难度高,Heptagon垄断专利

VCSEL发出的光具有较宽的波瓣,不利于后续的衍射过程,需要将这些光汇聚校准为窄波瓣的近似平行光。这种将激光校准为平行光的器件就是准直镜头。

由于准直镜头靠近VCSEL红外激光源,VCSEL产生的大量热量会影响准直镜头的形状、尺寸及折射率,所以耐热性成为了准直镜头的关键。现在准直镜头的制造工艺有WLO、WLG和模造工艺三种

WLO(Wafer Level Opticals,晶圆级光学镜头)采用晶圆和特殊液体聚合物作为光学材料,被苹果选为iPhone X的准直镜头方案。WLO的生产过程主要包括以下六个步骤:

1)将特定液态聚合物的微小液滴准确分布到硅晶圆表面;

2)使用特定的精细模具压印聚合物,使用紫外光固化晶圆上的聚合物,使其硬化;

3)将晶圆从模组中分离出来;

4)在晶圆的另一面重复上述过程;

5)使用小间隔物堆叠按上述过程生产的晶圆;

6)将堆叠而成的硅晶圆切割成单独的微光学结构,每个晶圆可以产生上千个微光学结构。

在上述过程中,紫外光对聚合物的缩水补偿是工艺的关键。


目前大部分WLO专利都在Heptagon(已被AMS收购)手中,形成了非常高的壁垒,苹果iPhone X所使用的WLO就是由Heptagon所提供。

WLO采用半导体级工艺,具有尺寸小、高度低、一致性好、生产灵活等特点,采用半导体工艺在大规模量产之后具有成本优势。但目前WLO工艺仍处于生产的初级阶段,积累的生产经验不多,导致良率不高。同时WLO工艺目前最高像素只能做到3M,只适合做非成像镜头(如准直镜头),限制了其适用范围。而在至关重要的耐热性方面,由于WLO是聚合物和玻璃混合在一起,聚合物的耐热性较差,导致WLO的整体耐热性受到限制。正因为WLO的耐热性较差,所以业内正在寻找各种替代方案。

除了WLO方案,目前还有WLG工艺和模造工艺涌现,同样可以解决耐热性问题,可能在未来成为准直镜头的选择。未来准直镜头的技术路径存在较大的不确定性。

WLG(Wafer Level Glass,晶圆级玻璃)采用半导体级工艺生产玻璃镜头,具有良好的耐热性,可能在未来取代WLO成为准直镜头的首选方案。

WLG首先制作两块相互吻合的模具,然后使用这两块模具在晶圆级玻璃的上下两面同时压制,就可以得到所需要的镜头形状,最后将晶圆级玻璃切割成单个镜头即可使用。上述过程中的模具设计和制造是关键。

WLG由于使用全玻璃材料,所以相比WLO具有更好的耐热性,更利于用作准直镜头。WLG的最大像素可以达到20M,可实现多层透镜叠加,工艺一致性好,所以除了准直镜头,还可以用作成像镜头。

目前WLG方案进展最快的厂商是瑞声科技,公司拥有来自丹麦的WLG模具设计和制造团队(Kaleido)、日韩光学设计团队和高效的本土管理团队。瑞声除了可将WLG用作准直镜头,还可以用于手机前后置摄像头等成像镜头,具有较大的想象空间。但目前WLG方案仍不成熟,产能、良率、成本等方面仍需要时间才能突破。

模造工艺即首先使用模造工艺生产玻璃透镜和塑胶透镜,然后将玻璃透镜或塑胶透镜组合到一起制成准直镜头。在具体材料组成方面,有全玻璃、玻塑混合、全塑胶三种组合。尽管塑胶的耐热性不如玻璃,但台湾的大立光通过在塑胶镜头中多增加一片透镜,并增加音圈马达,也可以具有较强的耐热性。根据大立光最新的股东常会透露,其全塑胶方案已向客户送样。

模造工艺生产流程主要包括玻璃初胚的制作、加热成型、退火处理、量测、芯取、镀膜、切边、涂墨等工序,制造过程中需要掌握大量know-how才能控制好质量和良率,对工艺的精细度要求非常高。

模造工艺是目前制造镜头的最成熟工艺,目前手机摄像头所用的成像镜头都是使用模造工艺制成的,所以模造工艺在产能、良率、成本上都有较为明显的优势,大立光、舜宇光学、瑞声科技等均可大规模制造模造镜头。如果模造工艺成为准直镜头的方案,将对这些传统手机镜头供应商带来较大的增量市场空间。


3.3、光学衍射元件:精度控制是关键,台湾地区厂商掌握主导权

经过准直镜头校准后的激光束并没有特征信息,因此下一步需要对激光束进行调制,使其具备特征结构,光学衍射元件(DOE)就是用来完成这一任务的。VCSEL射出的激光束经准直后,通过DOE进行散射,即可得到所需的散斑图案(Pattern)。

DOE的基本原理是利用衍射原理在元件表面制备一定深度的台阶(光栅),光束通过时产生不同的光程差,满足布拉格衍射条件。通过不同的设计来控制光束的发散角和形成光斑的形貌,实现光束形成特定图案的功能。DOE是一个单一光学元件,可将入射光束分散成无数个光束再射出。每一个分散之后再射出的光束,都与原先入射进来的光束拥有相同的光学特性,包括偏振性、相位等。DOE可产生1D(1xN)或2D(MxN)的光束矩阵,视DOE的表面微结构而定。

DOE的特点是能够在保持较高衍射效率的同时对光强分布进行精确控制,因此DOE成为让激光生成随机散斑的理想元件。

DOE的表面是大量的台阶式光栅,需要保证纳米级别的精细度,所以一般是用半导体生产中的光刻、刻蚀等工艺来制造。


DOE的制造门槛较高,苹果是由其自行设计pattern,然后交由台积电采购玻璃后进行图案化过程,精材科技将台积电pattern后的玻璃进行堆叠、封装和研磨,然后交采钰进行ITO工序,最后由精材科技进行切割。台湾地区的奇景光电也具有生产DOE的能力,目前正与高通合作。大陆地区还没有具备DOE设计和加工能力的公司。

3.4、接收端镜头:使用普通手机镜头,产业链十分成熟

传统的手机镜头需要达到非常好的成像效果,所以需要非常复杂的光学设计和制造工艺。(关于手机镜头的工艺难点和行业特性,请参见本报告的2.1节)但接收端红外摄像头对光学镜头的要求远不如可见光摄像头那么高,对光线的通光量、畸变矫正等指标容忍度较高,所以目前3D Sensing接收端镜头主要使用已成熟的普通镜头。

苹果iPhone X接收端镜头为4P结构,供应商为台湾地区的大立光和玉晶光。除了这两大厂商,还有关东辰美、舜宇光学、瑞声科技等均可提供接收端镜头。随着大陆手机厂商开始普及3D Sensing功能,舜宇光学和瑞声科技可能凭借本土供应链优势而获得较大的份额。

3.5、窄带滤光片:所起作用十分重要,镀膜工艺是关键

窄带滤光片是只允许特定波长的光通过而滤除其余波长的光的光学元件。3D Sensing的发射端会发射940nm波长的红外光,接收端需要滤除其余波长的光而仅仅接受940nm红外光,所以需要使用窄带滤光片。窄带滤光片的通带相对比较窄,一般要求在中心波长值的5%以下。

窄带滤光片的薄膜一般由低折射率和高折射率的两种膜组成,叠加后层数达几十层,每一层薄膜的参数漂移都可能影响最终性能;而且窄带滤光片透过率对薄膜的损耗非常敏感,所以制备峰值透过率很高、半带宽又很窄的滤光片非常困难。制备薄膜的方法有很多种,包括化学气相沉积、热氧化法、阳极氧化法、溶胶凝胶法、原子层沉积(ALD)、原子层外延(ALE)、磁控溅射等,而不同方法制备的薄膜性能差异很大。


窄带滤光片的难度和价值量都高于传统摄像头所用的滤光片,目前仅有VIAVI和水晶光电的技术较为成熟,这两家也是苹果iPhone X的窄带滤光片供应商。

随着国产手机厂商将在2019年开始快速普及3D Sensing功能,水晶光电作为本土的窄带滤光片供应商,将有望占据更为重要的位置。

3.6、红外CIS:技术较为成熟,定制化是行业主要特点

红外CIS(CMOS Image Sensor)即红外CMOS图像传感器,是用来将接收到的红外光转换为数字信号的器件,在技术上已经比较成熟。

在原理上,红外CIS与可见光CIS是一致的,但可见光CIS需要识别RGB三种颜色,并且需要呈现非常清晰的图像,所以对分辨率的要求很高(关于RGB CIS的详细分析,请参见本报告的2.4节)。而红外CIS只需要获取结构光的深度信息,不需要产生清晰的成像,所以分辨率要求不高,通常2M像素即可满足要求。目前红外CIS的供应商主要有意法半导体、奇景光电、三星电子、富士通、东芝等,其中意法半导体是iPhone X红外CIS的供应商。

由于各厂商使用的3D Sensing方案差异较大,各个厂商对红外CIS的要求也有很大的差异,所以需要供应商提供定制化的红外CIS。例如iPhone X所用的接收端红外CIS使用了独创的SOI衬底和深沟隔离(DTI)两种技术,用于满足苹果的定制化要求。

红外CIS成像系统的有效范围与其灵敏度直接相关,并由两个关键性的测量参数所确定:量子效率(QE)和调制传递函数(MTF)。红外CIS的QE代表其捕获光子与其转换为电子的比率,QE越高,NIR照明所能达到的距离越远,并且图像亮度越高。MTF所测量的是在特定的分辨率下图像传感器将成像物的对比度传送到图像中的能力,MTF越高,图像越清晰。

SOI衬底是使用二氧化硅绝缘物作为衬底的一种新型硅片。在传统硅片里,使用单晶硅作为衬底,由于硅衬底可以导电,所以源极和漏极其实是相连的,衬底中会有存在漏电,增大功耗,同时产生巨大的寄生电容。SOI衬底由于使用绝缘物作为衬底,就会大幅减少漏电,也大大减少了寄生电容,这样可以提高量子效率。

由于像素与像素之间会产生光线与电流的串扰问题,这种串扰会降低成像的锐度,影响图像的还原,形成噪点。深沟隔离技术可以理解为一堵墙,可以避免像素间的干扰,增强光线利用率。


3.7、模组:行业门槛并不高,良率提升是盈利关键

3D Sensing模组环节就是把上述各元件组装形成一个整体的过程。模组环节技术难度并不大,并且受益于摄像头模组行业的发展关于摄像头模组行业的讨论,请参考本报告的2.5节),已经拥有众多厂商可以生产3D Sensing模组,所以行业门槛并不高。

尽管行业进入门槛不高,但如何把产品良率维持在一个较高的水平是稳定盈利的关键。影响3D Sensing模组良率的环节主要体现在以下几个方面:

1)发射端拥有准直镜头、衍射光学元件等非常精密的光学元件,在组装时需要保证非常高的精度;

2)发射端的VCSEL激光器需要进行光谱检测和校准;

3)发射端、接收端、泛光感应器件需要通力合作,三者在位置上的准确度和稳定性对于最终3D Sensing效果有非常重要的影响,需要高难度的匹配和校准。

以上环节主要是对精度的要求,稍有不慎就会产生废品降低良率,所以这是一个需要精密和准确的行业,而不是一个依靠技术创新的行业。


目前,具备3D Sensing模组制造能力的厂商包括LG Innotek、富士康、夏普、欧菲科技、舜宇光学等。其中LG Innotek是iPhone 3D Sensing发射端模组的独家供应商,富士康和夏普是iPhone 3D Sensing接收端模组的供应商。欧菲科技、舜宇光学等大陆厂商在模组领域也具备很强的实力,已经可以大规模量产3DSensing模组。随着国内手机厂商在3D Sensing领域快速推进,欧菲科技、舜宇光学将有望深度受益。


4、投资建议:关注成功进入创新供应链的企业

无论是三摄像头、潜望式摄像头还是3D Sensing,都是智能手机的增量创新,都将带来全新的增量市场空间。当创新得到应用时,只要是成功进入创新供应链的企业,都将充分受益于创新带来的红利。所以我们建议投资者关注成功进入三摄像头、潜望式摄像头还有3D Sensing创新供应链的企业。

欧菲科技是模组行业的龙头企业,充分受益于三摄像头、潜望式摄像头和3D Sensing的创新。在三摄像头和潜望式摄像头方面,公司是华为两款旗舰手机三摄模组的重要供应商,也是OPPO潜望式摄像头的重要供应商,同时正积极协同其他客户开发三摄和潜望式方案,有望继续受益;在3DSensing方面,公司已经成功进入苹果3D Sensing接收端模组的供应,同时也为华为等厂商供应3D Sensing模组。

水晶光电是滤光片行业的龙头企业,也将深度受益于三摄像头、潜望式摄像头和3D Sensing的创新趋势。在三摄像头和潜望式摄像头方面,公司一直都是苹果、华为等各大厂商的红外截止滤光片主要供应商,随着三摄像头趋势不断渗透,公司有望继续受益;在3D Sensing方面,公司是苹果接收端窄带低通滤光片的核心供应商,同时也已经进入华为等厂商的供应链。

1.1、欧菲科技:光学模组业务充分受益于创新趋势

华为、OPPO等客户的三摄和潜望式模组核心供应商,率先受益光学创新的进一步扩散。公司与华为、OPPO等优质客户拥有长期的合作关系,是其三摄和潜望式模组的核心供应商,率先积累了足够的生产经验,在竞争中较有优势。除了华为与OPPO,公司与苹果、vivo、小米、三星等主要手机厂商都有良好的合作关系,都是这些客户已有摄像头模组的主要供应商。未来随着这些客户也开始加快光学创新,公司有望抢占先机,率先受益创新的进一步扩散

3D Sensing模组成功进入优质客户供应链,受益3D Sensing渗透率的持续提升。公司在2017年收购索尼华南厂,借此成功进入苹果前置摄像头模组供应链。收购完成后,公司积极扩充产能,加强内部管理、提高良率,积极配合苹果研发,在2018年成为苹果3D Sensing接收端模组供应商。与此同时,公司积极开拓安卓厂商,目前已成为华为等优质客户的3D Sensing模组核心供应商。未来随着3D Sensing应用范围的进一步扩大,公司的出货量也有望继续大幅增加,推动业绩持续高速增长。

2018年前三季度业绩继续保持快速增长。公司2018年前三季度实现营业收入311.50亿元,同比增长27.35%;实现归母净利润13.76亿元,同比增长34.69%;扣非后归母净利润为12.36亿元,同比增长56.38%。公司产品结构进一步提升,高端产品占比增加,毛利率同比提升2.41pct,盈利能力进一步增强。

盈利预测、估值与评级:我们认为欧菲科技在三摄像头、潜望式摄像头和3D Sensing等光学创新趋势中卡位精准,拥有先发优势,将继续受益于两大创新的扩散。根据公司最新的业绩快报,我们下调公司2018年EPS至0.68元(前值为0.77元),考虑到手机摄像头创新可能不足以弥补手机总体出货量下降的影响,我们下调公司2019—2020年EPS分别至0.90/1.12元(前值分别为1.10/1.44元)。考虑到光学行业的未来创新仍将涌现,公司作为光学行业龙头有望继续受益,我们维持“买入”评级。

风险提示:消费电子行业景气度下降;双摄渗透率不及预期;汽车电子业务推进不及预期。


4.2、水晶光电:滤光片产品受益于光学创新,首次覆盖给予“买入”评级

4.2.1、滤光片龙头企业,业绩持续增长

公司成立于2002年,2008年在深交所上市,产业布局包括光学镀膜、蓝宝石衬底、反光材料、虚拟显示和镀膜设备五大板块。光学镀膜业务主要包括红外截止滤光片(IRCF)、窄带滤光片和低通滤光片(OLPF),是公司最主要的业务,营收占比超过75%。

公司2017年实现营业收入21.46亿元,同比增长27.71%,实现归母净利润3.56亿元,同比增长40.35%,保持着快速增长势头。这样的增长势头也延续到了2018年,公司2018年前三季度实现营业收入16.34亿元,同比增长7.67%,实现归母净利润4.05亿元,同比增长49.70%。

4.2.2、三摄为红外截止滤光片业务打开市场新空间

三摄相比双摄增加了一颗摄像头,需要增加使用一片红外截止滤光片,市场空间大幅增加。公司是红外截止滤光片行业的龙头,技术领先、产能有保障,已经进了苹果、三星、华为等顶级手机客户的供应链。随着三摄有望在明年快速渗透,公司有望借助优质客户平台获取较大的市场份额。

4.2.3、受益3D Sensing创新,窄带滤光片业务迎来新机遇

公司的窄带滤光片产品已进入苹果供应链,成为其中国产化率最高的产品,表明公司产品品质已进入国际顶级行列。随着苹果全面推广使用3D Sensing功能,对公司产品的需求将大幅增加。在安卓阵营,目前已有华为、小米、三星等多家厂商搭载3D Sensing,安卓端的渗透有望在2019年开始加速。公司与这些安卓厂商拥有多年的紧密合作关系,已经进入部分产品的供应链,未来有望受益安卓端的快速渗透。

4.2.4、盈利预测与投资评级

关键假设

1、薄膜元器件:该部分业务主要包括红外截止滤光片、窄带滤光片和低通滤光片等产品,这些产品将在2019—2020年受益于3D Sensing和三摄像头的快速渗透,我们预计该板块2018—2020年的营收增速将分别为8%、15%和20%,毛利率则维持在29%的水平。

2、蓝宝石衬底:该板块与下游LED需求紧密相关,受下游需求推动,我们预计2018—2020年营收将保持15%的稳健增长,毛利率则保持在25%的水平。

3、反光制品:该部分市场已经成熟,行业增速较低,我们预计2018—2020年营收将保持在5%的水平,毛利率则保持在47%的水平。

盈利预测

我们预计公司2018—2020年营业收入分别为23.26亿、26.56亿、31.40亿元,分别同比增长8.39%、14.21%、18.21%;公司2018—2020年净利润分别为4.63亿、5.32亿、5.86亿元,分别同比增长30.12%、14.80%、10.26%。


投资评级

我们预计公司2018—2020年的EPS分别为0.70/0.80/0.88元,当前股价对应PE分别为22/19/17倍。由于苹果产业链公司通常具有相似的发展路径,同时在市场认知中具有非常强的板块效应,具有比较好的参照作用。我们选取同属于消费电子苹果产业链的立讯精密、歌尔股份、信维通信作为可比公司,这三家公司当前股价对应2019年PE平均为22倍,而公司当前股价对应2019年PE约为19倍,低于可比公司平均水平。公司在滤光片领域具有较强的技术实力,未来两年增长动力充足,我们给予公司对应2019年21倍PE,对应目标价为16.80元,首次覆盖给予“买入”评级。


4.2.5、风险分析:

安卓厂商推进3D Sensing进展缓慢:3D Sensing具有比较高的技术难度,安卓厂商现有技术仍不完全成熟,可能导致推进3D Sensing进展缓慢。

三摄像头和潜望式摄像头成本高昂导致厂商跟进意愿不强:目前三摄像头和潜望式摄像头的成本相比双摄和单摄由较大的提升,可能拖累手机厂商尝试三摄和潜望式的动力,使得普及进度慢于预期。

4.3、舜宇光学科技:等待三摄、3D产品放量,驱动2019年业绩反转

公司简介

公司是全球领先的综合光学产品和解决方案龙头。手机摄像模组国内出货量份额暂居第二,但产品结构及ASP显著优于同业;手机镜头市场份额位居全球及国内第二,与龙头大立光的技术及份额差距正在缩减;车载镜头全球市场份额第一,龙头地位稳固。

1H18公司实现营收120亿元人民币,同比增长19%。盈利能力方面,毛利率受摄像模组毛利下滑影响同比下降1.2个百分点至19.4%,净利率下降1.7个百分点至9.9%,1H18实现净利润12亿元人民币,同比微增2.5%。

投资逻辑

◆模组ASP及毛利率短期承压,等待19年创新产品放量驱动业绩反转 

伴随国产高端新机密集发布,2018年下半年CCM出货增速加快,然而由于光学规格升级暂缓,ASP提升不及预期;同时受原材料成本压力、行业竞争加剧、流程人员结构调整及新基地产能利用率不足等多重因素影响,拖累光学产品毛利率继续承压。2019年3D、三摄等创新产品放量更为明显,受益渗透初期显著的产品溢价,公司CCM业务有望实现反弹。

◆手机镜头量价齐升趋势不变,车载镜头出货不及预期 

手机镜头出货强劲,高端供应链地位提升明显;且伴随产品结构升级,ASP及毛利率有望继续改善。受汽车销量疲软影响,车载镜头出货增长不及预期,2018年1-11月累计出货量同比增长23%低于全年指引30-35%。

◆盈利预测、估值与评级

鉴于CCM业务ASP及毛利率继续承压,维持18-20年净利润预测分别为32/43/60亿元人民币,CAGR为28%。伴随产能利用率爬坡、高端产品竞争压力缓解等内外因素解决,叠加三摄、3D等高端产品放量推动结构优化,有望驱动2019年基本面回暖,维持“买入”评级,维持目标价120元港币,对应19年27倍PE。

◆风险提示:镜头行业竞争加剧;多摄、3D等创新应用渗透不及预期。


4.4、瑞声科技:独创WLG镜头放量趋势等待确认

公司简介

公司致力于打造集声学、触控马达、结构件、光学等核心部件一体化技术平台。公司声学及触控马达中长期技术优势及市场地位稳固,声学份额35%以上稳居全球第一,同时首创先进的水平马达;结构件领域,作为新进入者成功切入安卓主流客户供应链,选择性地聚焦旗舰市场;光学领域,独创WLG方案是未来推进重点,渗透趋势还待明确。

公司2018年前三季度实现营收134.3亿人民币,同比下降4.8%。盈利能力方面,前三季度毛利率下滑4.2个百分点至36.9%,净利率下滑4.3个百分点至20.7%;2018年前三季度实现净利润27.5亿元,同比下滑21.2%。

投资逻辑

◆声学业务经营压力持续,安卓市场放量为未来成长关键

由于声学升级趋势暂缓,公司在大客户供应链份额暂受挤压,拖累声学整体表现,加快拓展安卓市场为未来成长关键。安卓声学配置较大客户仍有较大差距,未来价值量提升空间可观,后续放量趋势明确,然短期对整体业绩的拉动作用有限。

◆马达及结构件继续承压,等候新产品上量驱动业务回暖

由于产品出货量减少,18Q3触控马达及结构件合并营收同比下滑;市场价格竞争压力持续带来结构件毛利率下滑,拖累触控马达及结构件业务整体毛利率。步进电机模组、屏幕发声2.0方案等新产品陆续发力有望推动触控业务恢复健康增长。金属机壳行业成长性受限,3D玻璃行业渗透趋势明确,后续结构件业务表现取决于3D玻璃能否顺利放量。

◆塑料镜头规模效应渐显,然WLG放量趋势尚未明确

光学业务成长迅速,伴随产能扩张带动经验曲线爬升及规模效应凸显,产品良率及利润率有望改善。WLG已获客户认可,为批量生产做好准备,由于像素瓶颈、成本高昂等问题,未来能否放量仍面临一定不确定性。

◆盈利预测、估值与评级

维持18-20年EPS预测分别为3.45/3.73/4.39元人民币。大客户业务承压拖累整体业绩表现,安卓客户、新产品短期拉动力度有限,后续安卓声学及马达业务顺利放量有望驱动其恢复健康成长,基于DCF估值法,维持目标价66元港币,对应19年16x PE,维持“增持”评级。

◆风险提示:声学升级迟缓;马达市场份额下降;金属机壳行业竞争加剧;3D玻璃渗透放缓。


5、风险分析

3D Sensing算法开发出现重大困难:算法是3D Sensing的核心,且开发难度较大,如果3D Sensing的算法开发出现重大困难,将延缓手机厂商配备3D Sensing的步伐;

VCSEL激光器等关键器件出现产能瓶颈:VCSEL激光器等关键设备在此之前适用范围较窄,产能规模并不大,如果厂商扩产不及时或良率提升出现困难,则可能出现产能瓶颈;

三摄像头和潜望式成本高昂导致厂商跟进意愿不强:目前三摄像头和潜望式的成本相比双摄和单摄由较大的提升,可能拖累手机厂商尝试三摄和潜望式的动力,使得普及过程慢于预期。


6、附录:

6.1、水晶光电:滤光片龙头迎来成长新空间

6.1.1、滤光片是公司的主要业务

公司成立于2002年,2008年在深交所上市,产业布局涉及光学镀膜、蓝宝石衬底、反光材料、虚拟显示和镀膜设备五大板块。

光学镀膜业务包括红外截止滤光片、窄带滤光片和低通滤波器。红外截止滤光片主要用于智能机摄像头,服务于苹果、华为、OPPO、vivo、小米等消费电子客户;窄带滤光片为公司拓展新业务,用于3D Sensing;低通滤光片主要用于数码相机和安防监控摄像头。 2018上半年光学镀膜业务的营收占比达到81%。

此外,公司的蓝宝石业务主要包括LED用蓝宝石衬底、手机镜头保护镜片;反光材料主要用于交通领域的夜间反光;其他业务包含了以AR眼镜、汽车HUD等微型投影显示系统为主的虚拟显示业务。

公司第一大股东为星星集团,但星星集团并不参与公司实际经营管理,企业经营决策权交给以董事长林敏为首的职业管理人团队,其中董事长林敏持股2.28%。公司其他股东还包括中央汇金、社保基金、香港中央结算等机构投资者。


6.1.2、财务分析:业绩持续稳健增长,盈利能力持续强劲

近两年公司业务势头正盛,业绩迅速增长。2016年公司营业总收入由上年的11.85亿元增长至16.80亿元,增速42.20%;2017年度公司实现营业收入21.46亿元,同比增长27.71%。2016年公司归母净利润2.54亿元,同比增速为70.05%;2017年实现归母净利润3.56亿元,同比增长40.35%。

公司始终保持着强劲的盈利能力,毛利率一直维持在30%以上,而净利率始终维持在10%以上。2017年,公司毛利率达到30.67%,净利率达到16.90%,延续了近两年的盈利能力增强势头。从期间费用率来看,公司2011—2017年的费用率基本保持稳定。


公司在2018年前三季度实现营业收入16.34亿元,同比增长7.67%;实现归母净利润约4.05亿元,同比增长49.70%,继续保持着快速的增长势头。公司前三季度毛利率达到28.91%,与前期基本持平。

6.1.3、深耕滤光片领域,受益光学新趋势

苹果掀起了使用3D Sensing的浪潮,并率先在iPhone和iPad产品中全面使用该功能。苹果在业内具有标杆的作用,苹果的创新一般都会得到安卓厂商的模仿和学习。目前已有华为、OPPO、小米等厂商推出了多款搭载3D Sensing功能的智能手机,并有望从2019年开始出现快速渗透。3D Sensing的接收端需要窄带滤光片,这对公司而言是一个全新的增量市场。

华为则开启了三摄像头的趋势。三摄像头在成像质量、光学变焦、等各方面都有更好的效果,有望在华为的带动下成为新趋势。目前除了华为,还有苹果、OPPO、vivo、小米等厂商对三摄非常感兴趣,三摄渗透率有望在2019年出现快速提升。公司的红外截止滤光片迎来了更大的市场空间。

公司在滤光片领域耕耘多年,具有领先的技术实力。同时深度绑定苹果、华为、OPPO、vivo、小米等顶级客户,大部分滤光片产品都供应上述优质厂商。随着两大光学创新的逐步渗透,公司有望借助客户优势迅速抢占市场,未来业绩有望保持高速增长。


6.2、光学行业海外重点上市公司介绍

6.2.1、索尼:CMOS图像传感器行业的领导者

索尼于1946年在日本东京成立,创始人为井深大和盛田昭夫,公司前身为“东京通信工业株式会社”,并于1955年改名为索尼(Sony)。索尼一向以高品质的产品而闻名于世,目前公司业务包括游戏及网络服务、音乐、电影、家庭娱乐、影像产品及解决方案、移动通信、半导体、金融等九大板块。

索尼在2017财年共实现营业收入85439.82亿日元,其中游戏及网络服务占比为21.98%,音乐业务占比为9.05%,电影业务占比为11.43%,家庭娱乐业务占比为13.83%,影像产品及解决方案业务占比为7.42%,移动通信业务占比为8.18%,半导体业务占比为9.61%,金融业务占比为13.98%。

索尼的半导体业务主要就是CMOS图像传感器产品,索尼从2016财年第一财季开始单独披露半导体业务的经营状况。半导体业务在2018财年前两个财季共为索尼带来4566.85亿日元的收入,同比增长5.56%。


索尼在CMOS图像传感器领域具有执牛耳者的地位,旗下CMOS产品被命名为Exmor,它的众多创新大幅推动了这个行业的发展。

第一代Exmor在每列都集成了模数转换;第二代Exmor使用铜制程降低了厚度;第三代Exmor则减少了铜制程的布线厚度;第四代Exmor加强了像素阱对近红外的感光;第五代Exmor采用背照式结构;第六代Exmor采用堆叠式结构。


正因为索尼在CMOS图像传感器领域拥有持续的创新和绝对领先的技术水平,所以索尼成为该领域的霸主,在2017年拥有大约42%的市场份额。索尼CMOS图像传感器在2017年初的产能约为8.8万片/月(按照等效12寸晶圆计算),至2018年初增产至约10万片/月,增幅约为14%。索尼目前计划将在2021年3月前向半导体业务投入6000亿日元(约合53亿美元),继续扩产20%—30%,以满足市场不断增长的需求。



6.2.2、大立光:手机镜头领域的领导者

大立光电股份有限公司成立于1987年,前身是1980年所创立的大根精密光学股份有限公司,并于2002年在台湾证券交易所上市。大立光总部位于台中市南屯区,目前在台中拥有5座工厂,在大陆拥有2座工厂,是全球最大的手机镜头制造商。

借助于智能手机的红利,大立光的营业收入持续增长,从2008年的74.78亿元新台币增长至2017年的531.36亿元新台币,年复合增长率达到了24.34%;与此同时,公司的盈利能力也在不断增强,公司2017年的毛利率达到了69.36%,净利率达到了48.89%。

大立光技术实力出众,所生产的产品均较为高端。公司2017年出货的手机镜头中,1000万像素以上的产品收入占比达到70%—80%,800万像素产品达到10%—20%,500万像素产品达到0%—10%,其他规格产品达到0%—10%。


6.2.3、Lumentum:VCSEL激光源行业的领导者

Lumentum前身是JDS Uniphase Corporation的通信和光学产品业务,于2015年被分拆上市而成为一家独立公司。

Lumentum是行业领先的光学和光子产品供应商。公司处理一系列终端市场的应用,包括数据通信、电信网络、商用激光器制造、检验和生命科学应用领域。公司利用其核心光学与光子技术和批量生产能力,扩大具有吸引力的新兴市场。该市场具有效益优势,提供基于光学、光电子的解决方案,包括消费类电子产品的3D传感和适用于各种消费和工业应用的二极管光源。

由于3D Sensing的快速渗透,Lumentum营业收入在近两年出现了快速增长,2018财年的营收达到12.48亿美元,同比增长24.55%;与此同时,盈利能力也出现了大概改善,2018财年的毛利率达到34.63%,同比提升2.87pct,净利率达到19.885,同比提升30.11pct。

从营收结构来看,Lumentum来自通信业务的收入占比达到38.1%,消费及工业产品的收入占比达到34.7%,数据通信的收入占比达到12.15,激光产品的收入占比达到15.1%。从客户来看,苹果收入占比达到30%,华为收入占比达到11%,通信公司Ciena收入占比达到11%,这是Lumentum最大的三个客户。


来源:杨明辉电子


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