認識CMOS影像感測器：中國製造商不會缺席

影像感測器是現今最廣泛使用且最重要的感測器之一。它們主要採用感光元件陣列和輔助控制電路，來擷取物體的亮度與色彩訊號，並透過複雜的訊號與影像處理技術，輸出數位化的影像資訊。影像感測器中的感光元件通常使用光電二極體來轉換光電訊號。當受到光照時，光電二極體會產生電流訊號，其強度與光線強度成正比。

影像感測器是手機相機模組的核心元件。影像感測器主要分為兩大類：CCD 影像感測器和 CMOS 影像感測器。CCD 和 CMOS 都利用光電二極體進行光電轉換，將影像轉換為數位訊號，但它們在光電二極體周圍的訊號處理電路以及感光元件產生的電訊號處理方式上有所不同。CMOS（互補式金屬氧化物半導體）技術作為一顆冉冉升起的新星，自 1990 年代以來受到了極大的關注和研究資源，逐漸趕上了 CCD（電荷耦合元件）。目前，它在影像感測器市場上佔據主導地位，CMOS 感測器擁有顯著的優勢，佔據了 90% 的市場份額。

（1）感測器的像素陣列發生光電效應；

（2）光電效應使像素陣列中的各個像素單元產生對應外部顏色和亮度的電荷訊號；

（3）訊號經由類比數位轉換器轉換為數位影像訊號；

（4）數位訊號由同一晶片上的ISP進行處理後輸出。簡單來說，CMOS感測器就像一個太陽能電池陣列，每個像素都是陣列中的一個單元。每個單元根據前面的亮度與顏色排列進行充電，透過計算每個單元的電荷量，即可獲得對應的亮度與顏色，從而重現真實場景。

CMOS 感測器將影像感測和訊號轉換功能整合到單一晶片上。近年來，CMOS 影像感測器經歷了快速成長，並已接近完全取代 CCD 感測器。根據 IC Insights 的數據，2017 年 CMOS 感測器的銷售額佔總影像感測器銷售額的 89%（相較於 2007 年的 54%），出貨量佔總影像感測器出貨量的 81%。鑑於 2017 年 81% 的市佔率，我們相信 CMOS 感測器將憑藉其優越的成本效益，持續保持其絕對優勢，並進一步擠壓 CCD 的市場份額。

1.CMOS影像感測器晶片採用適合大量生產的標準製程技術，因此在量產時，其單位成本遠低於CCD。

2.CMOS感測器將影像擷取單元和訊號處理單元整合在同一基板上，縮小尺寸的同時保持低功耗和低發熱，非常適合行動裝置和各種微型化裝置使用。

3.相比之下，CCD感測器成本效益不高，體積龐大、發熱量大且功耗高，因此不適用於目前大多數電子產品。

CMOS 影像感測器市場預計將從 2007 年的 40 億美元增長至 2022 年的 190 億美元。

行動電話是 CMOS 感測器最大的應用市場，在汽車和安全等新興應用領域也快速成長。2017 年，行動電話 CMOS 感測器市場規模佔整體應用市場的 62%，達到 77.5 億美元。預計到 2022 年，行動電話 CMOS 感測器市場營收將達到 86 億美元。未來幾年，汽車、安全監控、醫療、玩具/遊戲和工業應用將是 CMOS 感測器快速發展的主要驅動力。

汽車領域將成為 CMOS 感測器的第二大應用市場。3) 醫療/研究領域：過去，CCD 感測器主要用於醫療和研究領域。然而，隨著技術的進步，這些領域現在正尋求以成本更低、性能更高的 CMOS 感測器取代大多數舊產品。該應用領域預計將有 34% 的複合年增長率，2020 年銷售額將達到 8.67 億美元。

在 CMOS 影像感測器應用場景日益多元化、終端使用者對性能要求不斷提升的背景下，CMOS 影像感測器正經歷快速的技術迭代，主要廠商頻繁推出前沿新技術。以影像品質（尤其是在低光源環境下）和成像速度這兩大基本需求為例，業界已提出了豐富的解決方案：

1.低光源成像能力對於手機、相機和工業應用的影像感測器至關重要，特別是對於需要24/7運作的安全和汽車影像感測器。業界標準的解決方案是增加感測器尺寸和進光量，從而增加每畫素的面積。除此之外，還有兩種方法是使用BSI-CMOS（背照式CMOS影像感測器）和近紅外光技術。

得益於背照式和近紅外光技術，CMOS 感測器在低光環境下的成像品質顯著提升。

2. 高速感測器能更好地捕捉移動物體，提供多幀降噪、慢動作錄影和減少影像失真等功能。這對於手機攝影、交通監控和自動駕駛至關重要。當相機與主體之間存在高速相對位移時（例如捕捉高爾夫揮桿或從移動車輛中拍攝路燈桿），會出現線條彎曲、影像邊緣模糊以及影像部分區域曝光不正確等問題，這被稱為滾動快門效應。滾動快門效應的根本原因是影像感測器無法快速捕捉所有像素；因此，高速感測器應運而生。

為了解決滾動快門效應，業界目前提供兩種解決方案：一種是配備 DRAM 的三層堆疊式影像感測器，專為手機等消費性電子產品設計。此感測器直接將資料儲存在整合的 DRAM 中，以實現高速攝影和影像擷取。另一種是專為工業應用設計的全域快門感測器。與傳統逐行曝光的滾動快門感測器相比，全域快門可同時曝光整個感測器，以捕捉無失真的移動物體影像，這對於機器視覺和安全領域具有重大意義。

為了實現高速成像能力，CMOS 感測器發展出了兩條主要技術路徑：

除了對影像品質和速度的要求外，醫療領域還有微型化需求（OmniVision 的醫療內視鏡 CMOS 感測器僅 0.5 毫米見方）；汽車領域需要高可靠性和高靈敏度；物聯網 (IoT) 領域則需要低成本以實現廣泛應用。在技術進步和不斷變化的需求的雙重驅動下，CMOS 感測器正在快速演進。

Sony、Samsung 和 OmniVision 引領市場，國內廠商聚焦中低階市場

CMOS 感測器屬於可大規模量產的典型半導體產業，具有顯著的規模經濟效益。然而，要達到成果需要龐大的前期投資，導致強者恆強的局面。目前有數十家 CMOS 感測器製造商，但根據 YOLE 的統計，2016 年，排名前三的製造商—Sony、Samsung 和 OmniVision—合計佔有 72% 的市場份額，顯示市場高度集中。

2016 年 CMOS 影像感測器市場集中度提升，三大巨頭合計市佔率達 72%。

Sony 穩居 CMOS 感測器市場龍頭地位，緊隨其後的是三星（Samsung）和安森美（OmniVision）。根據 YOLE 的統計數據，行業領導者 Sony 在 2016 年佔據了 42% 的市場份額，其產品涵蓋了各種消費電子和工業應用，專注於高端市場並擁有最強的技術實力。其次是三星，主要目標市場為消費電子，多採用自主生產和銷售的模式。技術上，三星緊隨 Sony，已能提供與 Sony 同級別的 CMOS 產品。然而，三星的 CMOS 感測器在工業領域的應用相對較少。第三是安森美科技（OmniVision Technologies），在工業應用領域擁有豐富的經驗，尤其是在汽車 CMOS 方面，其市場份額甚至超越了 Sony。

在三大CMOS感測器製造商中，索尼在規模上具有顯著優勢。

在各下游領域的旗艦及主流產品中，絕大多數都採用這三大巨頭的CMOS感測器解決方案。可見，近期熱門的幾款手機均採用了索尼、三星和豪威科的CMOS感測器。這三家廠商掌控了消費電子領域CMOS感測器的大部分市場份額。在汽車和安防等工業應用領域，通常偏好安森美、豪威科和索尼的產品，而三星的CMOS感測器則通常僅出現在其自有終端產品中。

主流手機主要採用索尼、三星和豪威科技的CMOS感測器。

除了這三個主導主流市場的巨頭外，還有兩個其他廠商定位於高端和低端市場。然而，就市場規模和下游客戶基礎而言，它們無法與主流市場相比。在接下來的兩個部分中，我們將首先介紹來自Sony、Samsung和一些國內廠商的CMOS感測器。我們將在第三章重點介紹OmniVision。

這三大CMOS感測器製造商在出貨量和平均售價方面差異顯著。

I. Sony：技術領先，穩居榜首

Sony 的半導體事業群下的 CMOS 感測器業務，已成為 Sony 最賺錢的支柱業務之一。即使在 CMOS 影像感測器普及之前，Sony 的 CCD 影像感測器就憑藉其在靈敏度和訊號雜訊比方面的優勢，廣泛應用於監控、交通等領域。隨著 CMOS 影像感測器逐漸成為主流，Sony 憑藉其在 CCD 時代積累的強大技術實力，持續引領市場。2016 年，其 CMOS 感測器銷售額達到 48.58 億美元，佔整個半導體事業群營收的 70%。在其 2017 會計年度（2017 年 4 月 1 日至 2018 年 3 月 31 日），Sony 的半導體業務在強勁的 CMOS 銷售帶動下，實現銷售額 8500 億日圓（約合 77.9 億美元），年增 10%；營業利潤更創下 1640 億日圓（約合 15 億美元）的歷史新高。

經過多年的發展，索尼在技術方面已成為行業領導者，擁有卓越的產品性能、源源不斷的新技術以及快速的迭代更新，使得競爭對手在短期內難以撼動其領先地位。在消費電子領域，索尼最具代表性的技術是堆疊式感測器技術。堆疊式感測器一經推出便受到行動裝置製造商的青睞，索尼進一步開發了帶有 DRAM 的三層堆疊式感測器。

Sony首創堆疊感測器技術。

在產業應用方面，Sony 主要有兩項技術：STARVIS 和 Pregius。STARVIS 主要用於安防領域，是一種進一步提升背照式 CMOS 感測器靈敏度的技術。它不僅提升了可見光的靈敏度，還提高了近紅外光等寬波長光線的利用效率，這類光線常被用於監視攝影機。Pregius 是 Sony 對其全域快門技術的命名，其原理是在每個像素下方增加儲存單元。曝光時，所有像素同時曝光，資訊會儲存在對應的儲存單元中，以避免滾動快門效應。此技術主要用於工業機器視覺。

Sony的STARVIS技術進一步提升了CMOS的敏感度。

在產品方面，Sony 建立了業界最全面的 CMOS 產品線，涵蓋各個領域，並在中高階市場保持強勁的市佔率。在消費性電子領域，無論是手機或相機，Sony 的 CMOS 感測器已成為主要製造商最常見的選擇，也是高階產品的標準配備。例如，於 2017 年下半年發表的 IMX400 系列 CMOS，便立即受到各大製造商的青睞。而今年稍早以卓越的攝影能力大放異彩的華為 P20 Pro，也採用了 Sony 最新的 IMX600 感測器。在大多數產業領域，尤其是在安全監控和工業視覺等利基市場，Sony 同樣是領導者。僅在某些高階領域，它仍落後於 Teledyne Dalsa、ON Semiconductor 和 e2v 等成熟的工業級影像感測器供應商。

II. Samsung：利用集團資源在消費市場中崛起

三星的消費級 CMOS 感測器一直緊隨 Sony 的步伐，逐步縮小技術差距。現在，每當 Sony 發布新款手機用 CMOS 感測器時，三星都能迅速跟進推出性能相似的產品。例如，在 Sony 發布其三層堆疊式 CMOS 感測器 IMX400 後不久，三星便推出了競爭性的 S5K2L3，並將其用於其旗艦 S 和 Note 系列手機，展現了卓越的性能。近年來，三星在其旗艦手機的主鏡頭 CMOS 感測器上採取了混合供應原則，在不同地區和手機版本中同時採用 Sony 的 IMX 系列和三星的 ISOCELL 感測器。

在 2013 年，三星推出了 ISOCELL 技術，顯著提升了其 CMOS 感測器的效能。事實上，在 Galaxy S5 之前，三星感測器主要用於售價約 1000 元人民幣的入門級智慧型手機。之後，三星將 ISOCELL 技術融入 Galaxy S5，其效能獲得了市場認可。適逢索尼 CMOS 感測器短缺，原本已頗有名氣的三星 CMOS 感測器得以推廣，華為、魅族、小米、OPPO 等國產廠商開始在部分機型上嘗試使用。這為三星 CMOS 感測器打開了進入中高階市場的大門。

三星的 ISOCELL 技術減少了像素之間的串擾。

然而，在工業應用方面，三星落後於競爭對手。在汽車 CMOS 領域，三星的市佔率幾乎為零。在安全等其他工業應用中，三星的 CMOS 傳感器基本上是自產自銷。然而，三星的 CMOS 業務有整個三星集團作為後盾，其在各產品線的應用潛力巨大。憑藉三星集團雄厚的財力支持，三星的 CMOS 傳感器業務預計未來將積累更強的競爭力。

國內 CMOS 製造商：

主要針對中低端市場，積極開發獨立技術

一般來說，國內 CMOS 感測器製造商在規模和技術上仍落後於外國製造商，其產品主要用於中低端消費電子領域。然而，一些領先的國內 CMOS 感測器製造商，如 Superpix 和 Galaxycore，正逐步擴大其市場份額，並依靠其獨立核心技術滲透中高端市場。

一、Superpix

創立於2004年，陞泰科技股份有限公司是一家專注於CMOS影像感測器研發與銷售的無晶圓廠製造商。憑藉其獨立核心技術「SuperPix」訊號處理技術與「SuperImage」技術，公司已開發出大量國內領先的CMOS影像處理器。公司專注於低畫素CMOS產品，主要產品涵蓋30萬畫素、130萬畫素、200萬畫素及500萬畫素。這些產品價格相對實惠，在中低階市場廣受歡迎，廣泛應用於手機相機、平板電腦相機及電腦相機。

堅守在中低端市場站穩腳跟後，錘子科技正尋求拓展至中高端市場。2015年後，公司研發出800萬像素和1200萬像素的晶片產品並成功推向市場，獲得了良好的迴響。其CMOS產品也進入了部分熱門手機的供應鏈，例如360 N7手機。錘子科技的主要產品

除了上述應用領域，錘子科技在指紋辨識、虹膜辨識、醫療影像及測繪等高附加值特種感測器晶片的研發上也取得了一些創新成果：

（1）Smartisan 與合作夥伴成功開發出高精度光學指紋辨識感測器晶片及超薄光學指紋辨識模組。此技術具備更高解析度與活體辨識能力，大幅提升指紋辨識的安全性。

（2）虹膜辨識影像感測器晶片已由合作夥伴應用於虹膜辨識手機、虹膜辨識平板電腦、智慧門鎖等新產品。

（3）醫療內視鏡 CMOS 影像感測器晶片已應用於心血管微創手術、胃鏡等醫療設備。

（4）觀察設備用 CMOS 影像感測器晶片已應用於國產觀察設備。

（5）機器視覺晶片應用於點讀筆、無人機懸停定位、工業測距等領域。

該公司於 2015 年在新三板掛牌，是韋爾股份持續資產重組的目標公司之一。公司 2016 年和 2017 年的營業收入分別為人民幣 4.61 億元和人民幣 4.62 億元，淨利潤分別為人民幣 292 萬元和 -人民幣 1488 萬元。利潤下滑的主要原因是手機市場放緩，導致中低端 CMOS 產品需求減弱。中低端市場的激烈競爭導致產品價格和毛利率下降，進而影響了利潤。

思特威近期表現與毛利率

豪威科技成立於2003年，主要從事CMOS影像感測器、LCD驅動晶片、高階嵌入式多媒體SOC晶片及應用系統的設計、開發與銷售。初期，豪威科技以電腦攝影機的CMOS感測器起家，並於2007年進入手機市場。藉由中國手機市場的快速成長，迅速佔領了中低階市場。

2014年，格科微出貨超過9.4億顆CMOS影像感測器晶片和超過1億顆LCD驅動晶片，總銷售額超過3.5億美元。在CMOS影像感測器晶片出貨量方面，格科微位居中國第一、全球第二。然而，格科微隨後進軍高階市場的嘗試受挫，同時在中低階市場面臨著思特威等公司的激烈競爭。

格科微重大技術突破

其他主要的國內CMOS廠商包括比亞迪微電子、長光辰芯和睿信微電子。

老牌廠商豪威科技蓄勢待發

先前已被國內資本收購的豪威科技，同樣是感測器領域的重要參與者。由於其獨特的地位，我們在此單獨討論。

OmniVision (OV) 於 1995 年在美國加州成立，是數位影像處理解決方案的領導供應商。其 CameraChip 和 AmeraCubeChip 系列 CMOS 影像感測器晶片廣泛應用於消費性及工業應用。OmniVision 於 2000 年在 NASDAQ 上市。2016 年，中國財團完成對 OmniVision 的私有化，並計劃在 A 股市場上市。2018 年 5 月，韋爾股份宣布重啟對 OmniVision 的收購。

OmniVision 在 CMOS 影像感測器市場的市佔率約為 12%，遠超第二梯隊的競爭對手。根據 YOLE 的統計數據，OmniVision 的 CMOS 影像感測器銷售額在 2015 年和 2016 年分別達到 12.5 億美元和 14.4 億美元，市佔率分別為 12.2% 和 12.4%。這一規模僅次於 Sony 和 Samsung，是排名第四的 ON Semiconductor 的兩倍。

本公司下游應用主要涵蓋智慧型手機、車載鏡頭、醫療鏡頭、監控設備、無人機及 VR/AR 鏡頭。根據 BDO 所編製的 CCD/CMOS 影像感測器市場分析報告，OmniVision 在安控領域市佔率達 56%，在車載領域市佔率達 29%。此外，OmniVision 在醫療影像、物聯網 (IoT) 及特殊應用等眾多新興領域亦展現快速成長。

身為CMOS領域的資深製造商，豪威科技擁有業界領先的技術實力。截至2018年5月底，豪威科技共擁有4,060項專利；2017年研發投入超過人民幣10億元，佔營收比重超過10%；並在全球多地設立了分支機構和研發中心，具備與索尼等公司競爭的實力。

CMOS 感測器是 OmniVision 的主要營收來源，連續三年佔其核心業務的 94% 以上，毛利率穩步上升，從 2016 年的 16.54% 上升到 2018 年前五個月的 24.83%。主要用於支援 CMOS 感測器的 ASIC 晶片毛利率很高，並呈現明顯的上升趨勢。相比之下，矽基液晶（LCOS）投影顯示晶片的毛利率顯著下降，這主要是由於產品結構調整和新產品仍處於整合階段；攝影鏡頭晶片的毛利率為負，這主要是由於設備折舊成本高昂。這兩類產品在公司業務中所佔的比例非常小，對公司的獲利能力不會產生重大影響。

在 2011 年之前，OmniVision 是 CMOS 影像感測器市場的領導者，但隨後面臨激烈競爭。Sony 在 2010 年的市佔率僅約 7%，但由於 OmniVision 在 2011 年失去了蘋果 iPhone 的訂單，隨後許多高階旗艦手機轉向 Sony，Sony 的感測器在 2011 年後經歷了快速成長，市佔率持續提升，甚至導致 2014 年起出現供應短缺。三星成功把握了這個機會，進入了相對緊俏的 1300 萬畫素感測器市場，獲得了眾多手機品牌的廣泛採用，並超越 OmniVision 成為第二大廠商。在低階市場，OmniVision 也面臨中國和韓國製造商的競爭。幸運的是，OmniVision 憑藉其卓越的技術維持了市佔率，並逐漸拉開了與市場上二線廠商的差距。

近期，韋爾半導體再次對豪威科技發動收購嘗試。與索尼和三星不同，豪威科技沒有自己的晶圓廠，也沒有龐大的企業集團作為後盾。因此，豪威科技經常面臨晶圓廠產能不足和技術洩漏的問題。如果豪威科技與韋爾半導體聯手，預計將能藉助其與中國資本市場深度融合的優勢，更好地專注於技術創新、建立合作夥伴關係和籌集資金。這將使他們能夠建立穩定的晶圓代工封裝測試體系，連接大量國內客戶，並抓住CMOS感測器領域巨大的發展機遇，迎來新的發展時代。