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手机规格战延伸相机模块
剖析手机用相机模块产业动态与技术发展趋势

【作者: MIC】2014年10月02日 星期四

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社群网络兴起,用户拍照与自拍需求提升,使得移动电话照相功能逐渐受到重视;此外,移动电话品牌厂为突破日益明显的同质化现象,不仅持续提升相机模块画素,画质改善与照相功能也成为其差异化重点。有鉴于此,相关供应链逐渐于近年开发OIS、MEMS与数组相机模块等新技术。


移动电话用相机模块产业供应链发展动向

相机模块主要由镜头模块、影像传感器与VCM(Voice Coil Motor,音圈马达)等零组件组成,其中日本与韩国于相机模块产业供应链布局较为完整,而台厂主要集中于镜头模块与相机模块组装,欧美厂商则以影像传感器为主。此外,中国大陆于近年积极布局进入门坎相对低的相机模块组装产业,除了原有的舜宇与信利外,欧菲光、歌尔声学等厂商也积极切入。



图一 : 相机模块主要由镜头模块、影像传感器与VCM等零组件组成,其中日本与韩国于相机模块产业供应链布局较为完整。
图一 : 相机模块主要由镜头模块、影像传感器与VCM等零组件组成,其中日本与韩国于相机模块产业供应链布局较为完整。

高画素与镜头模块厚度难两全

观察搭载于智能型移动电话之镜头模块规格,2MP画素以下的前置镜头模块,以往皆为2片镜片,然在近年前置相机模块画质逐渐受重视,HD功能渗透率提高,前置镜头模块搭载4片镜片比率持续提升。



图二 : 高画素与镜头模块厚度难两全,将提升高阶产品进入门坎
图二 : 高画素与镜头模块厚度难两全,将提升高阶产品进入门坎

此外,过往主相机模块的主流画素8MP则多搭载5片镜片的镜头模块,然近来由于8MP相机模块亦被中低阶机种所采用,遂出现品牌厂为了降低成本而搭载3~4片镜片的镜头模块。然整体来说,由于画素持续上升,镜头模块的平均搭载镜片仍持续提升。


随着相机模块画素持续提升,Pixel Size相对变小,为了避免随之而来的感亮度不足现象以及提高画质,必须增加镜头模块的镜片数。但是镜片数增加,则会让镜头模块变厚,无法符合移动电话轻薄化的趋势。在不影响镜头模块高度下增加镜片数,镜头模块厂多以减少单片镜片厚度达到,然此举将会降低镜头模块生产良率,提高镜头模块的生产门坎。整体而言,镜头模块产业由于进入门坎以及跨入高阶产品的技术门坎较高,不若相机模块组装产业分散,毛利水平也相对较高。


技术屏障难以突破,影像传感器产业相对稳定

影像传感器为决定相机模块画素与画质的关键零组件,约占相机模块40%的成本,目前主要厂商有Samsung、Sony、OmniVision、Aptina,其市占率共计约七成,产业集中程度更甚镜头模块产业。近年虽有中国大陆厂商如格科微、思比科新进,期待打破影像传感器的寡占市场,但由于既有龙头厂商已有多年的技术基础,加上高昂的设备投资资本,以及技术密集的特性,对于新进厂商构筑成较高的进入障碍。


此外,由于Youtube、Facebook等社群网络兴起,使得照片与影片分享更为便利,刺激消费者于高画质录像的需求。在移动电话业者将照相功能视为新战场下,除了于画素的竞逐之外,录像规格也成为另一比较重点。CMOS影像传感器大厂如Sony、OmniVision、Aptina等陆续推出支持4K录像的产品,提升录像功能,使消费者也能够以移动电话拍摄高分辨率影片。


为解决画素持续提升所产生的感光不足问题,影像传感器厂商如Sony与Samsung皆于近两年开发相关技术以因应。传统的影像传感器架构为两个芯片层,上层芯片有感光区与逻辑区,下层芯片则用来强化结构乘载。



图三 : Sony推出的堆栈式(stacked)影像传感器,不仅可扩大感光区,让Pixel Section有更多的空间可摆放,也可提高运算能力。(Source:Houseofjapan)
图三 : Sony推出的堆栈式(stacked)影像传感器,不仅可扩大感光区,让Pixel Section有更多的空间可摆放,也可提高运算能力。(Source:Houseofjapan)

而Sony推出的堆栈式(stacked)影像传感器,将原本应位于上层芯片的逻辑区移到下层芯片,不仅可扩大感光区,让Pixel Section有更多的空间可摆放,不需缩小太多Pixel Size,此外也可提高运算能力。Samsung则是推出ISOCELL技术,在Pixel之间加入物理屏障,降低画素之间的干扰,可提升色彩饱和度,同时也提升低感亮度下的成像表现。


移动电话用相机模块关键发展技术

OIS良率不定 短期难普及

由于移动电话愈趋轻薄,用户于拍照时容易有手震现象;此外,移动电话多无搭载光学变焦功能,拍摄远处风景时必须伸长手臂,也让移动电话于拍照时更难达到平衡状态,故近年品牌厂开始于相机功能上加入防手震功能。



图四 : OIS已成为品牌厂考虑用于作为产品营销的差异化功能
图四 : OIS已成为品牌厂考虑用于作为产品营销的差异化功能

然以往移动电话的防手震功能,多半采用电子防手震,利用裁切照片中的晃动部分,以达到影像清晰效果,但此举将降低照片分辨率,且需要使用更多时间以完成运算。而光学防手震(Optical Image Stabilization,以下简称OIS)功能主要是透过物理作用,利用陀螺仪侦测手震所移动的角度,再根据此角度计算出图像的偏移量,之后利用镜头模块或影像传感器的移动,将手震所造成的偏移角度抵换,使移动电话在手震下仍可拍摄出清晰的影像。


OIS已成为品牌厂考虑用于作为产品营销的差异化功能,宏达电、Nokia与LG陆续推出搭载OIS的机种,多家品牌厂也计划于2014年推出相关产品,其中尤以中国大陆品牌厂询问度最高。


但是目前具量产经验的OIS马达厂商仅有AP Photonics 、TDK、Mitsumi与LG Innotek,且受限于良率及产能问题,短期恐无法大量供应;在OIS相机模块组装方面,Sharp、LG Innotek与光宝均有量产经验,中国大陆厂商则有舜宇、信利与欧菲光开始供应OIS样品。在产能有限的情况下,加上国际客户搭载于旗舰机种的大量需求,恐造成OIS相机模块的垄断,并形成供应瓶颈,因此OIS相机模块普及率短期亦将受限。


独家供应与量产问题 MEMS相机模块挑战重重

MEMS主要靠静电力驱动,而VCM的结构则包含磁铁、线圈与弹簧,驱动过程相对复杂;此外,目前自以VCM作为驱动器,在对焦时需移动整个镜头模块,然MEMS相机模块对焦时仅须移动一片镜片,故MEMS不仅可以达到省电及安静的效果,也可做到更快及更精准地对焦。


MEMS与VCM相机模块规格比较

 

 

MEMS

VCM

Speed

Settling time

<10 ms

11~50 ms

Hysteresis

3% of trave

8% of travel

Focus time

<300 ms typical

400~2000 ms

Optical travel

80μm travel

250μm travel

Power

Power

1mW

50~200+ mW

Size

XY-footprint (1/3” format)

6.5 x 6.5 mm limited

8 x 8 mm

Z-height at macro

5.35 mm (COB)
5.1 mm (flip chip)

iPhone 5 Module:
5.5 mm

Precision

Repeatability

1% of travel

4% of travel

Dynamic tilt

0.05°

0.26°

De-centering

0.1μm

50μm

Reliability

Reliability cycles

Up to 10,000,000

300,000

Reliability
environmental

No degradation

Spring constant (k)
degradation

数据源:资策会MIC,2014年4月

目前主要提供MEMS相机模块的公司为DigitalOptics Corporation,是Tessera Technologies百分之百持股之子公司,着重于MEMS相机模块开发,却一直未能达成量产目标,遂决定停止相关生产与制造并出售专利。


2014年3月欧菲光公告将收购Digital Optics Corporation在相机模块方面的专利,其中即包含MEMS相机模块专利,但MEMS相机模块技术尚未大量量产,即使量产成功,欧菲光将成全球唯一供货商,将影响品牌厂搭载意愿。


除了供应问题外,MEMS的镜片移动距离较短,无法拍摄较远的景物,恐怕难以满足用户以移动电话取代数字相机的习惯;此外,由于MEMS相机模块仅用一片镜片对焦,对此镜片的敏感度要求将大为增加,同时亦提升镜片生产难度。


数组相机模块可实现轻薄化对焦,然生产门坎仍待突破

传统相机模块为单镜头结构,而数组相机模块(Array Camera)则为多颗镜头结构。其原理可比喻为昆虫的复眼构造,透过多颗镜头的合并,记录下整个光场数值,尤其是空间与方位信息,之后透过软件运算还原影像,且可任意更改对焦点并运算出新的影像,达到拍摄后对焦的功能。除了重新对焦的优点之外,数组相机模块不需使用VCM对焦,因此也可避免对焦延迟的现象。


此外,传统自动对焦相机模块的高度多来自于VCM以及多片镜片垂直堆砌的镜头模块,然数组相机模块不需VCM,镜头模块也以晶圆级镜头取代,使相机模块厚度可降低约50%。


数组相机模块组装需多镜头校准,相较于传统相机模块的单镜头校准难度大为提升;此外,数组相机模块需要多颗镜头组成,且画素要求较低,故晶圆级镜头较为合适,然晶圆级镜头须克服均匀性以及紫光问题,且供货商来源尚少。整体而言,数组相机模块生产需要较高的技术含量,且存在技术门坎,故供给价格弹性仍低,未来普及速度仍须视其量产程度以及价格而定。


MIC观点:相机模块已为规格战主战场

随着社群网络兴起,用户习惯改变,照相功能逐渐受消费者重视,品牌厂逐渐提升相机模块规格,加上智能型移动电话同质化现象日益明显,硬件规格战成为各品牌厂的差异化重点,而此规格战战线遂延伸至消费者愈趋重视的相机模块。



图五 : 相机模块画素、画质与照相功能成为手机差异化的重点。
图五 : 相机模块画素、画质与照相功能成为手机差异化的重点。

观察2014年高阶新机规格,2014年2月Samsung 发表Galaxy S5 ,其搭载1/2.6”的16MP影像传感器以及F2.2光圈的镜头模块,不仅提升相机模块规格,也加强其快速对焦、实时预览HDR与拍照后对焦等照相功能。


此外,宏达电于2014年3月发表M8,搭载两颗主相机模块,一颗负责拍照,一颗则负责记录景深信息,藉此可达成拍照后对焦与3D成像。2014年品牌厂不仅持续提升相机模块画素,照相功能以及画质也成为其差异化重点;有鉴于此,相机模块相关厂商也积极开发OIS、MEMS与数组相机模块等可提升画质的新产品。


观察新技术发展状况,MEMS与数组相机模块目前仍面临量产问题,普及状况需待生产与技术门坎突破;OIS相机模块虽已进入量产阶段,却面临产能不足情形,加上其多搭载于旗舰机种,大量需求使得OIS相机模块产能遭垄断,形成供应瓶颈。


(本文作者柯佩均为资策会MIC产业分析师)


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