CIS行业专题：影像技术路线分化，国产龙头加速赶超

证券研究报告|2024年09月24日 CIS行业专题： 影像技术路线分化，国产龙头加速赶超 行业研究·行业专题电子·半导体 投资评级：优于大市（维持） 证券分析师：胡剑 证券分析师：胡慧 证券分析师：叶子 证券分析师：詹浏洋 021-60893306 021-60871321 0755-81982153 010-88005307 hujian1@guosen.com.cn huhui2@guosen.com.cn yezi3@guosen.com.cn zhanliuyang@guosen.com.cn S0980521080001 S0980521080002 S0980522100003 S0980524060001 CIS行业概况：预计2025年全球销售额330亿美元，汽车电子或为增长最快领域 CIS（CMOS图像传感器）是摄像头模组的核心元器件，完成“光-电-数字信号”转换与预处理。根据感光元件安装位置，CIS主要可分为前照式结构（FSI）、背照式结构（BSI）和堆栈式结构（Stacked），其中堆栈式结构受益于像素层在感知单元中的面积占比提升而图像质量大幅优化，同时有效抑制电路噪声。根据快门曝光方式不同，CIS可分为卷帘快门 （RS）和全局快门（GS），其中全局快门是高速摄影等应用场景下的最佳快门方式。据Frost&Sullivan数据，预计2021-2025年全球CIS销售额CAGR达11.9%，其中到2025年汽车电子相较2020年市场份额预计上升4.8pct，或成为增长最快领域。 CIS技术路线：索尼、三星、豪威影像技术竞相发展，国产CIS龙头有望加速赶超 当前CIS技术主要存在高像素、高帧率、高成像效果三个发展方向。索尼采用双层晶体管像素堆叠技术扩大动态范围，使得在拍摄明暗差较大的逆光场景时不需要增加图像传感器尺寸也能抑制过度曝光或暗部模糊等问题。三星主打大像素产品，推出像素合并技术、双垂直传输门（D-VTG）技术和AIRemosaic技术提升图像质量。豪威TheiaCel像素设计将DCGHDR与LOFIC技术整合在一个电路结构，实现了单像素DCGHDR，兼顾了高像素与高动态范围。近年来由于复杂的国际形势，索尼和三星有延缓CIS技术开发的趋势；同时由于各家影像技术持续分化，在不同路径产品线之间的差异化竞争背景下，国产CIS龙头在新产品推动下的新周期中有望实现加速赶超。 韦尔股份：国产CIS龙头，智能手机及汽车市场推动业绩高增 韦尔股份是全球知名的提供先进数字成像解决方案的芯片设计公司，其半导体产品设计业务主要由图像传感器解决方案、显示解决方案和模拟解决方案三大业务体系构成。2024年上半年，公司营业收入同比增长36.5%，主要由于公司在高端智能手机市场的产品导入及汽车市场自动驾驶应用的持续渗透。2024年上半年公司图像传感器解决方案收入同比增长49.9%，其中来源于智能手机市场同比增长78.5%，所推出高端图像传感器OV50H被广泛应用于国内主流高端智能手机后置主摄传感器方案中，正在逐步替代海外竞争对手同品类产品；来源于汽车市场同比增长53.1%，凭借先进紧凑的汽车CIS解决方案覆盖了广泛的汽车应用。 风险提示：国产替代进程不及预期；下游需求不及预期；行业竞争加剧的风险；国际关系发生不利变化的风险。 01 CIS行业概况：预计2025年全球销售额330亿美元，汽车电子或为增长最快领域 03 CIS技术路线：索尼、三星、豪威影像技术竞相发展，国产CIS龙头有望加速赶超 02 韦尔股份：国产CIS龙头，智能手机及汽车市场推动业绩高增 04 风险提示 一、CIS行业概况： 预计2025年全球销售额330亿美元，汽车电子或为增长最快领域 CIS（CMOSImageSensor，CMOS图像传感器）是一种光学传感器，能够将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号转换成数字信号。一个典型的摄像头模组主要由镜头组、图像传感器和PCB板等器件构成。作为当前图像传感器的主要种类，CIS在摄像头中起到“光-电-数字信号”转换的桥梁作用，是摄像头模组的核心元器件。 CIS集成度较高，通常由像素阵列（光电二极管）、行/列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成。与CCD图像传感器相比，CIS具有成本低、能耗低、数据处理速度快等优点，更适合应用于手机摄像、智能车载、安防监控等领域。 图：摄像头基本结构图：CIS芯片基本结构 资料来源：LUCIDVisionLabs官网，国信证券经济研究所整理资料来源：格科微招股书，国信证券经济研究所整理 CIS的工作原理可分为“光-电转换”、“电-数字转换”和“数字信号预处理”三个部分。 光-电转换：外界光通过微透镜照射到像素阵列上发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷，形成以电压值表示的模拟电信号。 电-数字转换：逻辑单元根据需要选择相应的像素单元，并将单元内的模拟电信号传输到对应的模拟信号处理单元以及AD转换器转换成数字图像信号。 数字信号预处理：数字放大器等部件会将数字图像信号进行一系列预处理，并通过传输接口将图像信息传送给平台接收。 光信号通过微透镜进入彩色滤光片，彩色滤光片拆分反射光中的红、绿、蓝成分，红绿蓝滤色片以1:2:1的比例排列在感光元件之上，形成拜尔阵列滤色镜。 通过滤光片的光信号经由光电二极管转换为用电压值表示的模拟电信号，并通过缓存与接口电路进行后期处理。 CIS中信号转换电路负责将光信号经由感光电路后形成的模拟电信号转换为数字电信号。 模拟电信号通过模数转换器转化为数字信号后，再经过数字放大器进行放大，可高效地对每个像素点间光信号强度差距进行区分，即使CIS处于外界光线强度较弱的情况时，亦呈现较为清晰的图像信号。 图3：CIS的工作原理 资料来源：头豹研究院，国信证券经济研究所整理 CIS根据感光元件安装位置，主要可分为前照式结构（FSI）、背照式结构（BSI）和堆栈式结构（Stacked）。 前照式结构（FSI）：采用自上而下的五层结构，分别是透镜层、滤光片层、线路层、感光元件层和基板层。当光从正面入射，采用FSI结构的CMOS图像传感器需要光线经过线路层的开口，方可到达感光元件层然后进行光电转换。FSI的主要优点是其工艺条件相对较易实现、制造成本相对较低，但若要实现优良的性能则需要较高的设计能力。 背照式结构（BSI）：将感光元件层的位置更换至线路层上方，感光层仅保留感光元件的部分逻辑电路。采用背照式结构，光线可以从背面入射直接到达感光元件层，电路布线阻挡和反射等因素带来的光线损耗大幅减少。与FSI相比，BSI的感光效果显著提升，但设计和工艺难度均较大且成本较高。 堆栈式结构（Stacked）：在BSI的基础上，上层仅保留感光元件而将感光元件周围的逻辑电路移至感光元件下层，再将两层芯片叠在一起，芯片的整体面积被极大地缩减，同时可有效抑制电路噪声从而获取更优质的感光效果。 采用堆栈式结构的CMOS图像传感器可在同尺寸规格下将像素层在感知单元中的面积占比从传统方案中的近60%提升到近90%，图像质量大大优化。同理，为达到同样图像质量，堆栈式CMOS图像传感器相较于其他类别CMOS图像传感器所需要的芯片物理尺寸则可大幅下降。 图：前照式结构（FSI）与背照式结构（BSI）对比 资料来源：索尼官网，国信证券经济研究所整理 图：背照式结构（BSI）与堆栈式结构（Stacked）对比 资料来源：索尼官网，国信证券经济研究所整理 根据快门曝光方式不同，CIS可分为卷帘快门（RollingShutter，RS）和全局快门（GlobalShutter，GS）两大类。 卷帘快门（RS）：通过控制光敏元逐行或逐列进行曝光，扫描完成所有像素单元的曝光。卷帘快门在感光度以及低噪声成像上较全局快门有一定的优势，但需要一定的曝光时间，更适用于远距离拍摄静止或移动速度较慢的对象。 全局快门（GS）：可使全部光敏元像素点在同一时间接收光照。在此过程中，快门的收集电路切断器会在曝光结束时启动以中止曝光过程，曝光在一帧图像读出后才会重启。全局快门是高速摄影等应用场景下的最佳快门方式，但其相比于卷帘快门读出噪声较高。 图：卷帘快门与全局快门 资料来源：电子发烧友，国信证券经济研究所整理 智能手机：CIS全球最大的应用市场；要求CIS在保持良好摄影效果的同时缩小芯片尺寸和降低能耗，对CIS的设计和制造技术有较高要求。 汽车电子：近年来已经大规模地被安装在智能车载行车记录、前视及倒车影像、360°环视影像、防碰撞系统之内；要求CIS在稳定性和寿命上通过车规级标准，且要保证高感光能力、高动态范围、LED闪烁抑制等功能。 安防监控：CIS市场增长较快的新兴行业领域之一；对于CMOS图像传感器在低照度光线环境成像、高动态范围HDR、高清/超高清成像、智能识别等成像性能方面提出了更高的要求。 机器视觉：包括传统工业领域与新兴视觉领域，近年来高速增长的新兴视觉领域对CIS在高清、高帧率和无畸变性能上提出了较高要求。 表：CIS产品的主要划分参数与应用场景 应用领域 产品定位 技术结构 主要像素范围 应用场景 智能手机 高端 BSI 4000万-1亿 主要应用于高端智能手机的前摄和后摄主摄像头 中端 BSI 1600-3200万 主要应用于中端智能手机的前摄和后摄、高端智能手机的副摄等 低端 BSI/FSI 200-1300万 主要应用于低端智能手机 汽车电子 中高端 BSI/FSI 100-800万 主要应用于汽车前装和准前装摄像头，例如车规级产品、360度环视、倒车影像、驾驶员监控等 低端 FSI 30-200万 主要应用于后装摄像头，如行车记录仪等 安防监控 高端 BSI 200-800万 主要应用于城市和企业的安防监控 中端 FSI 300-500万 主要应用于企业级安防监控和家用监控 低端 FSI 200万及以下 主要应用于家用监控 机器视觉 超高端 GS、HDR 400-1200万 主要应用于智慧交通等领域 高端 GS、HDR 30-200万 主要应用于新兴领域，例如无人机自动驾驶、扫地机器人、人脸支付设备、电子词典笔、AR/VR眼镜等 资料来源：思特威招股书，国信证券经济研究所整理 CIS的产业链主要可分为三部分：产业链上游为晶圆代工厂及封装测试厂商，负责CIS芯片的制造、封装与测试；产业链中游参与主体是CIS芯片设计企业，负责提供图像处理解决方案；产业链下游由模组厂商、系统厂商及终端应用商组成。CIS芯片企业主要分为IDM、Fabless和Fab-lite三种模式，不同CIS企业在产业链跨度上存在差异： IDM（IntegratedDeviceManufacture，垂直整合制造）：该模式以索尼和三星为代表。指企业负责CIS芯片的设计、制造和封测整个流程，甚至延伸至下游市场销售等职能。IDM模式下企业虽然经营费用和管理成本较高，但拥有较高的资源整合能力，能在短时间内完成新产品的研发与落地。Fabless：该模式以豪威科技、思特威、格科微为代表。指企业只负责CIS芯片的设计，将CIS的制造和封测环节外包给Foundry晶圆加工厂。Fabless模式下企业的运营费用较低，可以在芯片设计等核心业务上投入更多资源，但较易受上游晶圆代工厂的产能限制。Fab-lite：该模式以安森美和意法半导体为代表。指企业以IDM模式生产核心竞争力较强的芯片品类，将相对非核心的芯片品类交给晶圆代工厂生产。Fab-lite模式下企业牺牲了一部分利润换取在核心产品上的竞争力。 图：CIS产业链示意图 表：CIS企业的运营模式 类别 描述 优缺点 代表企业 IDM 企业规模较大，业务涵盖CIS设计、制造和封测整个流程 优点：资源整合能力高、新产品落地快、毛利率高缺点：运营费用管理成本高 索尼、