了解CMOS图像传感器：中国制造商不会缺席

图像传感器是当今应用最广泛、最重要的传感器之一。它们主要采用由感光单元阵列和辅助控制电路组成，通过复杂的信号和图像处理技术，获取物体的亮度和色彩信号，并输出数字化的图像信息。图像传感器中的感光单元通常使用光电二极管将光电信号进行转换。当受到光照时，光电二极管会产生一个电流信号，其强度与光的强度成正比。

图像传感器是手机摄像头模组的核心组件。图像传感器主要分为两大类：CCD图像传感器和CMOS图像传感器。CCD和CMOS都利用光电二极管进行光电转换，将图像转化为数字信号，但它们在光电二极管周围的信号处理电路以及对感光单元产生的电信号的处理方法上有所不同。CMOS（互补金属氧化半导体）技术作为一颗冉冉升起的新星，自20世纪90年代以来受到了广泛的关注和大量的研发投入，逐渐赶上了CCD（电荷耦合器件）。目前，它在图像传感器市场占据主导地位，CMOS传感器拥有显著优势，占市场份额的90%。

(1) 传感器像素阵列发生光电效应；

(2) 光电效应使像素阵列中的每个像素单元产生与外部颜色和亮度相对应的电荷信号；

(3) 信号通过模数转换器转换为数字图像信号；

(4) 数字信号由同一芯片上的ISP进行处理后输出。简单来说，CMOS传感器就像一个太阳能电池矩阵，每个像素都是矩阵中的一个单元。每个单元根据前面的亮度和颜色排列进行充电，通过计算每个单元的电荷，就可以得到相应的亮度和颜色，从而再现真实场景。

CMOS 传感器将图像传感和信号转换功能集成到单个芯片上。近年来，CMOS 图像传感器经历了快速增长，并已接近完全取代 CCD 传感器。根据 IC Insights 的数据，2017 年 CMOS 传感器销售额占图像传感器总销售额的 89%（而 2007 年仅为 54%），出货量占图像传感器总出货量的 81%。鉴于 2017 年 81% 的市场份额，我们相信 CMOS 传感器凭借其卓越的成本效益，将继续保持绝对优势，并进一步挤压 CCD 的市场份额。

1.CMOS图像传感器芯片采用适合大规模生产的标准工艺技术，在大规模生产时，单位成本远低于CCD。

2.CMOS传感器将图像采集单元和信号处理单元集成在同一基板上，减小了尺寸，同时保持了低功耗和低发热，非常适合移动设备和各种小型化设备。

3.相比之下，CCD传感器成本效益不高，体积大，发热量大，功耗高，不适合目前大多数电子产品。

CMOS图像传感器市场预计将从2007年的40亿美元增长到2022年的190亿美元。

手机是CMOS传感器最大的应用市场，在汽车和安防等新兴应用领域增长迅速。2017年，手机CMOS传感器市场规模占整体应用市场的62%，达到77.5亿美元。预计到2022年，手机CMOS传感器市场营收将达到86亿美元。未来几年，汽车、安防监控、医疗、玩具/游戏和工业应用将是CMOS传感器快速发展的主要驱动力。

汽车领域将成为CMOS传感器的第二大应用市场。3）医疗/科研领域：过去，医疗和科研领域主要使用CCD传感器。然而，随着技术进步，这些领域现在正寻求用成本更低、性能更高的CMOS传感器来取代大多数旧产品。该应用领域的复合年增长率预计为34%，2020年的销售额将达到8.67亿美元。

在 CMOS 传感器应用场景日益多样化、终端用户对性能要求不断提高的背景下，CMOS 传感器正经历着快速的技术迭代，各大厂商频繁推出前沿新技术。以图像质量（尤其是在弱光环境下）和成像速度这两大基本需求为例，业界提出了丰富的解决方案：

1.低光成像能力对于手机、相机和工业应用中的图像传感器至关重要，特别是对于需要24/7运行的安全和汽车图像传感器。行业标准解决方案是增加传感器尺寸和进光量，从而增加每个像素的面积。除此之外，另外两种方法是使用BSI-CMOS（背照式CMOS图像传感器）和近红外光技术。

得益于背照式和近红外光技术，CMOS传感器在低光照环境下的成像质量得到显著提升。

2. 高速传感器能更好地捕捉运动物体，提供多帧降噪、慢动作视频录制和减少图像失真等功能。这对于手机摄影、交通监控和自动驾驶具有重要意义。当相机与拍摄对象之间存在高速相对位移时（例如，从行驶的车辆中拍摄高尔夫挥杆或灯柱），会出现图像线条弯曲、边缘模糊以及部分图像曝光不正确等问题，这被称为滚动快门效应。滚动快门效应的根本原因是图像传感器无法快速捕捉所有像素；因此，高速传感器应运而生。

为解决卷帘快门效应，目前业界提供了两种解决方案：一种是配备DRAM的三层堆叠式图像传感器，面向手机等消费电子产品。该传感器将数据直接存储在集成DRAM中，以实现高速摄影和图像捕捉。另一种是面向工业应用的全局快门传感器。与逐行曝光的传统卷帘快门传感器相比，全局快门传感器可以同时曝光整个传感器，从而捕捉无失真运动物体图像，这对于机器视觉和安防领域具有重要意义。

为实现高速成像能力，CMOS传感器发展出了两条主要的技术路径：

除了对图像质量和速度的要求外，医疗领域还需要小型化（OmniVision的医用内窥镜CMOS传感器仅为0.5毫米见方）；汽车领域需要高可靠性和高灵敏度；物联网（IoT）领域需要低成本以实现广泛应用。在技术进步和不断变化的需求的双重驱动下，CMOS传感器正在快速发展。

索尼、三星和豪威科技领跑，国内厂商聚焦中低端市场

CMOS 传感器属于典型的半导体行业，能够进行大规模量产，并具有显著的规模经济效应。然而，要取得成果需要大量的初期投资，导致强者恒强的局面。目前，CMOS 传感器制造商有几十家，但根据 YOLE 的统计，2016 年，排名前三的制造商——索尼、三星和豪威科技——合计占有 72% 的市场份额，表明市场集中度很高。

2016年CMOS传感器市场集中度提升，三大巨头合计占据72%的市场份额。

索尼稳居CMOS传感器市场榜首，三星和豪威科技紧随其后。据YOLE统计，2016年行业领导者索尼占据了42%的市场份额，产品覆盖各类消费电子和工业应用，专注于高端市场，拥有最强的技术实力。其次是三星，主要面向消费电子市场，多采用自主生产和销售的模式。技术上紧随索尼，已能提供与索尼同等水平的CMOS产品。但三星的CMOS传感器在工业领域的应用相对较少。第三是豪威科技，在工业应用方面拥有深厚的经验，尤其是在汽车CMOS领域，其市场份额超过了索尼。

在三大CMOS传感器制造商中，索尼在规模上具有显著优势。

在下游各行各业的旗舰和主流产品中，绝大多数都采用了这三大巨头的CMOS传感器解决方案。可以看出，近期几款热门的手机都使用了索尼、三星和豪威科的CMOS传感器。这三家制造商在消费电子领域的CMOS传感器市场份额中占据了很大一部分。在汽车和安防等工业应用中，通常首选安森美、豪威科和索尼的产品，而三星的CMOS传感器通常只在其自有终端产品中使用。

主流手机主要采用索尼、三星和豪威科技的CMOS传感器。

除了这三大巨头占据主流市场外，还有两个厂商分别定位于高端和低端市场。但从市场规模和下游客户群体来看，它们无法与主流市场相提并论。在最后两节中，我们将首先介绍索尼、三星以及部分国内厂商的CMOS传感器。第三章将重点介绍豪威科技。

三大CMOS传感器厂商在出货量和ASP方面存在显著差异。

一、索尼：技术领先，稳居榜首

索尼半导体部门旗下的CMOS图像传感器业务，已成为索尼最赚钱的支柱业务之一。早在CMOS图像传感器普及之前，索尼的CCD图像传感器就凭借其在灵敏度和信噪比方面的优势，广泛应用于安防、交通等领域。随着CMOS图像传感器逐渐成为主流，索尼凭借在CCD时代积累的强大技术实力，继续引领市场。2016年，其CMOS传感器销售额达到48.58亿美元，占整个半导体部门营收的70%。在其2017财年（2017年4月1日至2018年3月31日），索尼半导体业务在强劲的CMOS销售带动下，实现销售额8500亿日元（约合77.9亿美元），同比增长10%；营业利润更是创下1640亿日元（约合15亿美元）的历史新高。

经过多年的发展，索尼在技术方面已成为行业领导者，拥有卓越的产品性能、源源不断的新技术以及快速的迭代更新，使得竞争对手在短期内难以撼动其领先地位。在消费电子领域，索尼最具代表性的技术是堆叠式传感器技术。堆叠式传感器一经推出便受到移动设备制造商的青睐，索尼更是进一步开发了带有DRAM的三层堆叠式传感器。

索尼率先推出了堆叠式传感器技术。

在行业应用中，索尼主要有两种技术：STARVIS 和 Pregius。STARVIS 主要应用于安防领域，是一种进一步增强背照式 CMOS 传感器灵敏度的技术。它不仅提高了可见光灵敏度，还提高了近红外光等宽波长光线的利用效率，而近红外光常用于监控摄像头。Pregius 是索尼为其全局快门技术命名的技术，其工作原理是在每个像素下方添加存储单元。在曝光期间，所有像素同时曝光，信息存储在相应的存储单元中，以避免滚动快门效应。这项技术主要应用于工业机器视觉。

索尼的STARVIS技术进一步提升了CMOS的灵敏度。

在产品方面，索尼建立了业界最全面的CMOS产品线，涵盖了各个领域，并在中高端市场保持着强大的市场份额。在消费电子领域，索尼CMOS传感器已成为各大制造商最常见的选择，也是高端产品的标配，无论是手机还是相机。例如，2017年下半年发布的IMX400系列CMOS，一经推出便受到各大厂商的追捧。今年早些时候因其出色的摄影能力而大放异彩的华为P20 Pro，也采用了索尼最新的IMX600传感器。在大多数行业领域，尤其是在安防和工业视觉等细分领域，索尼也是领导者。只有在一些高端领域，它仍然落后于Teledyne Dalsa、ON Semiconductor和e2v等成熟的工业级图像传感器供应商。

二、三星：借力集团资源，在消费领域崛起

三星的消费级CMOS传感器一直紧随索尼的步伐，技术差距逐渐缩小。现在，每当索尼发布新款手机CMOS传感器时，三星都能迅速跟进推出性能相似的产品。例如，在索尼发布其三层堆叠CMOS传感器IMX400后不久，三星就推出了竞争性产品S5K2L3，并将其用于其旗舰S系列和Note系列手机，展现出卓越的性能。近年来，三星在其旗舰手机的主摄像头CMOS传感器方面采用了混合供应原则，在不同地区和手机版本中同时使用索尼的IMX系列和三星的ISOCELL传感器。

2013年，三星推出了ISOCELL技术，显著提升了其CMOS传感器的性能。事实上，在Galaxy S5之前，三星的传感器主要用于售价约1000元人民币的入门级智能手机。之后，三星将ISOCELL技术应用于Galaxy S5，其性能获得了市场认可。恰逢索尼CMOS传感器短缺，本已小有名气的三星CMOS传感器得以推广，华为、魅族、小米、OPPO等国内厂商开始在其部分机型上尝试使用。这为三星CMOS传感器打开了中高端市场的大门。

三星的 ISOCELL 技术可减少像素之间的串扰。

然而，在工业应用领域，三星落后于竞争对手。在汽车CMOS领域，三星的市场份额几乎为零。在安防等其他工业应用领域，三星的CMOS传感器基本是自产自销。然而，三星的CMOS业务得到了整个三星集团的支持，其在各种产品线上的应用潜力巨大。凭借三星集团雄厚的财力和支持，三星的CMOS传感器业务有望在未来积累更强的竞争力。

国内 CMOS 制造商：

主要面向中低端市场，积极发展自主技术

总体而言，国内 CMOS 传感器制造商在规模和技术方面仍落后于国外制造商，其产品主要用于中低端消费电子产品领域。然而，一些国内领先的 CMOS 传感器制造商，如思特威（SmartSens）和格科微（Galaxycore），正依靠其自主核心技术逐步扩大市场份额并渗透到中高端市场。

一、思特威

成立于2004年，思比科微电子技术有限公司是一家专注于CMOS图像传感器的研发和销售的无晶圆厂制造商。基于其自主核心技术“SuperPix”信号处理技术和“SuperImage”技术，公司开发了大量国内领先的CMOS图像处理器。公司专注于低像素CMOS产品，主要产品涵盖30万像素、130万像素、200万像素和500万像素。这些产品价格相对较低，在中低端市场接受度高，广泛应用于手机摄像头、平板电脑摄像头和电脑摄像头。

坚果手机已在中低端市场站稳脚跟，现正寻求拓展中高端市场。2015年后，公司研发了800万像素和1200万像素的芯片产品并成功推向市场，获得了良好的反响。其CMOS产品也已进入部分热门手机的供应链，例如360 N7手机。坚果手机的主要产品

除了上述应用领域，坚果手机在指纹识别、虹膜识别、医疗成像和测绘等高附加值特种传感器芯片的研发方面也取得了一些创新成果：

(1) 坚果与合作伙伴成功开发了高精度光学指纹识别传感器芯片和超薄光学指纹识别模组。该技术提供更高的分辨率和活体检测能力，显著提升了指纹识别的安全性。

(2) 虹膜识别图像传感器芯片被合作伙伴应用于虹膜识别手机、虹膜识别平板电脑、智能门锁等新产品。

(3) 医用内窥镜CMOS图像传感器芯片应用于心血管微创手术、胃镜等医疗设备。

(4) 观测设备用CMOS图像传感器芯片应用于国产观测设备。

（5）机器视觉芯片应用于点读笔、无人机悬停定位、工业测距等领域。

该公司于2015年在全国中小企业股份转让系统（新三板）挂牌，是韦尔股份持续资产重组的目标公司之一。公司2016年和2017年的营业收入分别为4.61亿元和4.62亿元，净利润分别为292万元和-1488万元。利润下滑的主要原因是手机市场放缓，导致中低端CMOS产品需求减弱。中低端市场竞争激烈导致产品价格和毛利率下降，从而影响了利润。

思特威近期业绩及毛利率

格科微成立于2003年，主要从事CMOS图像传感器、LCD驱动芯片、高端嵌入式多媒体SOC芯片及应用系统的设计、开发和销售。格科微最初从电脑摄像头的CMOS传感器起步，于2007年进入手机市场。凭借中国手机市场的快速增长，公司迅速占领了中低端市场。

2014年，格科微出货量超过9.4亿颗CMOS图像传感器芯片和1亿多颗LCD驱动芯片，总销售额超过3.5亿美元。在中国CMOS图像传感器芯片出货量排名第一，全球排名第二。然而，格科微进军高端市场的尝试随后受挫，同时在中低端市场面临思特威等公司的激烈竞争。

格科微重大技术突破

其他主要的国内CMOS厂商包括比亚迪微电子、长光辰芯和瑞芯微电子。

老牌厂商豪威科技蓄势待发

此前已被国内资本收购的豪威科技，同样是传感器领域的重要参与者。鉴于其独特的地位，我们在此单独讨论。

OmniVision（OV）于1995年在美国加州成立，是数字图像处理解决方案的领先供应商。其CameraChip和AmeraCubeChip系列CMOS图像传感器芯片广泛应用于消费类和工业类应用。OmniVision于2000年在纳斯达克上市。2016年，中国财团完成了对OmniVision的私有化，并计划将其在A股市场上市。2018年5月，韦尔股份宣布恢复对OmniVision的收购。

豪威科技在CMOS传感器市场占据约12%的市场份额，显著领先于二线竞争对手。根据YOLE统计，豪威科技的CMOS传感器销售额在2015年和2016年分别达到12.5亿美元和14.4亿美元，市场份额分别为12.2%和12.4%。这一规模仅次于索尼和三星，是排名第四的安森美半导体的两倍。

本公司下游应用主要涉及智能手机、车载摄像头、医疗摄像头、安防设备、无人机以及VR/AR摄像头。根据BDO发布的CCD/CMOS图像传感器市场分析报告，OmniVision在安防领域占据56%的市场份额，在汽车领域占据29%的市场份额。此外，OmniVision在医疗成像、物联网（IoT）以及专用应用等多个新兴领域也展现出快速增长的势头。

作为CMOS领域的资深厂商，豪威科技拥有行业领先的技术实力。截至2018年5月底，豪威科技拥有4060项专利；2017年研发投入超过10亿元人民币，占其营业收入的10%以上；并在全球多个地区设立了分支机构和研发中心，具备与索尼等公司竞争的实力。

CMOS 传感器是豪威科技（OmniVision）的主要收入来源，连续三年占其核心业务的 94% 以上，毛利率稳步增长，从 2016 年的 16.54% 上升到 2018 年前五个月的 24.83%。主要用于支持 CMOS 传感器的 ASIC 芯片毛利率较高，并呈现明显的上升趋势。相比之下，硅基液晶（LCOS）投影显示芯片的毛利率大幅下降，这主要是由于产品结构调整和新产品仍处于整合阶段；摄像头晶片（camera cube chips）的毛利率为负，这主要是由于设备折旧成本较高。这两类产品的业务占比非常小，对公司的盈利能力不会产生重大影响。

2011 年之前，豪威科技是 CMOS 传感器市场的领导者，但随后面临激烈竞争。索尼在 2010 年的市场份额仅为 7% 左右，但由于豪威科技在 2011 年失去了苹果 iPhone 的订单，以及随后许多高端旗舰手机转向索尼，索尼的传感器在 2011 年后经历了快速增长，市场份额持续增加，甚至导致 2014 年开始出现供应短缺。三星成功抓住了这一机会，进入了相对紧张的 1300 万像素传感器市场，获得了众多手机品牌的广泛采用，并超越豪威科技成为第二大厂商。在低端市场，豪威科技也面临中国和韩国制造商的竞争。幸运的是，豪威科技凭借其卓越的技术保持了市场份额，并逐渐扩大了与市场二线厂商的差距。

近期，韦尔股份再次对豪威科技发起收购尝试。与索尼和三星不同，豪威科技没有自己的晶圆厂，背后也没有商业帝国。因此，豪威科技在生产能力不足和晶圆厂技术泄露方面经常面临问题。如果豪威科技与韦尔股份联手，预计将利用其与中国资本市场的深度融合，更好地专注于技术创新、建立合作伙伴关系和筹集资金。这将使他们能够建立一个稳定的晶圆厂封装和测试系统，连接大量国内客户，并抓住CMOS传感器领域的巨大发展机遇，迎来新的发展时代。