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手機規格戰延伸相機模組
剖析手機用相機模組產業動態與技術發展趨勢

【作者: MIC】   2014年10月02日 星期四

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社群網路興起,使用者拍照與自拍需求提升,使得行動電話照相功能逐漸受到重視;此外,行動電話品牌廠為突破日益明顯的同質化現象,不僅持續提升相機模組畫素,畫質改善與照相功能也成為其差異化重點。有鑑於此,相關供應鏈逐漸於近年開發OIS、MEMS與陣列相機模組等新技術。


行動電話用相機模組產業供應鏈發展動向

相機模組主要由鏡頭模組、影像感測器與VCM(Voice Coil Motor,音圈馬達)等零組件組成,其中日本與韓國於相機模組產業供應鏈佈局較為完整,而台廠主要集中於鏡頭模組與相機模組組裝,歐美廠商則以影像感測器為主。此外,中國大陸於近年積極佈局進入門檻相對低的相機模組組裝產業,除了原有的舜宇與信利外,歐菲光、歌爾聲學等廠商也積極切入。



圖一 : 相機模組主要由鏡頭模組、影像感測器與VCM等零組件組成,其中日本與韓國於相機模組產業供應鏈佈局較為完整。
圖一 : 相機模組主要由鏡頭模組、影像感測器與VCM等零組件組成,其中日本與韓國於相機模組產業供應鏈佈局較為完整。

高畫素與鏡頭模組厚度難兩全

觀察搭載於智慧型行動電話之鏡頭模組規格,2MP畫素以下的前置鏡頭模組,以往皆為2片鏡片,然在近年前置相機模組畫質逐漸受重視,HD功能滲透率提高,前置鏡頭模組搭載4片鏡片比率持續提升。



圖二 : 高畫素與鏡頭模組厚度難兩全,將提升高階產品進入門檻
圖二 : 高畫素與鏡頭模組厚度難兩全,將提升高階產品進入門檻

此外,過往主相機模組的主流畫素8MP則多搭載5片鏡片的鏡頭模組,然近來由於8MP相機模組亦被中低階機種所採用,遂出現品牌廠為了降低成本而搭載3~4片鏡片的鏡頭模組。然整體來說,由於畫素持續上升,鏡頭模組的平均搭載鏡片仍持續提升。


隨著相機模組畫素持續提升,Pixel Size相對變小,為了避免隨之而來的感光度不足現象以及提高畫質,必須增加鏡頭模組的鏡片數。但是鏡片數增加,則會讓鏡頭模組變厚,無法符合行動電話輕薄化的趨勢。在不影響鏡頭模組高度下增加鏡片數,鏡頭模組廠多以減少單片鏡片厚度達到,然此舉將會降低鏡頭模組生產良率,提高鏡頭模組的生產門檻。整體而言,鏡頭模組產業由於進入門檻以及跨入高階產品的技術門檻較高,不若相機模組組裝產業分散,毛利水準也相對較高。


技術屏障難以突破,影像感測器產業相對穩定

影像感測器為決定相機模組畫素與畫質的關鍵零組件,約占相機模組40%的成本,目前主要廠商有Samsung、Sony、OmniVision、Aptina,其市占率共計約七成,產業集中程度更甚鏡頭模組產業。近年雖有中國大陸廠商如格科微、思比科新進,期待打破影像感測器的寡佔市場,但由於既有龍頭廠商已有多年的技術基礎,加上高昂的設備投資資本,以及技術密集的特性,對於新進廠商構築成較高的進入障礙。


此外,由於Youtube、Facebook等社群網路興起,使得照片與影片分享更為便利,刺激消費者於高畫質錄影的需求。在行動電話業者將照相功能視為新戰場下,除了於畫素的競逐之外,錄影規格也成為另一比較重點。CMOS影像感測器大廠如Sony、OmniVision、Aptina等陸續推出支援4K錄影的產品,提升錄影功能,使消費者也能夠以行動電話拍攝高解析度影片。


為解決畫素持續提升所產生的感光不足問題,影像感測器廠商如Sony與Samsung皆於近兩年開發相關技術以因應。傳統的影像感測器架構為兩個晶片層,上層晶片有感光區與邏輯區,下層晶片則用來強化結構乘載。



圖三 : Sony推出的堆疊式(stacked)影像感測器,不僅可擴大感光區,讓Pixel Section有更多的空間可擺放,也可提高運算能力。(Source:Houseofjapan)
圖三 : Sony推出的堆疊式(stacked)影像感測器,不僅可擴大感光區,讓Pixel Section有更多的空間可擺放,也可提高運算能力。(Source:Houseofjapan)

而Sony推出的堆疊式(stacked)影像感測器,將原本應位於上層晶片的邏輯區移到下層晶片,不僅可擴大感光區,讓Pixel Section有更多的空間可擺放,不需縮小太多Pixel Size,此外也可提高運算能力。Samsung則是推出ISOCELL技術,在Pixel之間加入物理屏障,降低畫素之間的干擾,可提升色彩飽和度,同時也提升低感光度下的成像表現。


行動電話用相機模組關鍵發展技術

OIS良率不定 短期難普及

由於行動電話愈趨輕薄,使用者於拍照時容易有手震現象;此外,行動電話多無搭載光學變焦功能,拍攝遠處風景時必須伸長手臂,也讓行動電話於拍照時更難達到平衡狀態,故近年品牌廠開始於相機功能上加入防手震功能。



圖四 : OIS已成為品牌廠考量用於作為產品行銷的差異化功能
圖四 : OIS已成為品牌廠考量用於作為產品行銷的差異化功能

然以往行動電話的防手震功能,多半採用電子防手震,利用裁切照片中的晃動部分,以達到影像清晰效果,但此舉將降低照片解析度,且需要使用更多時間以完成運算。而光學防手震(Optical Image Stabilization,以下簡稱OIS)功能主要是透過物理作用,利用陀螺儀偵測手震所移動的角度,再根據此角度計算出圖像的偏移量,之後利用鏡頭模組或影像感測器的移動,將手震所造成的偏移角度抵換,使行動電話在手震下仍可拍攝出清晰的影像。


OIS已成為品牌廠考量用於作為產品行銷的差異化功能,宏達電、Nokia與LG陸續推出搭載OIS的機種,多家品牌廠也計畫於2014年推出相關產品,其中尤以中國大陸品牌廠詢問度最高。


但是目前具量產經驗的OIS馬達廠商僅有AP Photonics 、TDK、Mitsumi與LG Innotek,且受限於良率及產能問題,短期恐無法大量供應;在OIS相機模組組裝方面,Sharp、LG Innotek與光寶均有量產經驗,中國大陸廠商則有舜宇、信利與歐菲光開始供應OIS樣品。在產能有限的情況下,加上國際客戶搭載於旗艦機種的大量需求,恐造成OIS相機模組的壟斷,並形成供應瓶頸,因此OIS相機模組普及率短期亦將受限。


獨家供應與量產問題 MEMS相機模組挑戰重重

MEMS主要靠靜電力驅動,而VCM的結構則包含磁鐵、線圈與彈簧,驅動過程相對複雜;此外,目前自以VCM作為驅動器,在對焦時需移動整個鏡頭模組,然MEMS相機模組對焦時僅須移動一片鏡片,故MEMS不僅可以達到省電及安靜的效果,也可做到更快及更精準地對焦。


MEMS與VCM相機模組規格比較

 

 

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

資料來源:資策會MIC,2014年4月

目前主要提供MEMS相機模組的公司為DigitalOptics Corporation,是Tessera Technologies百分之百持股之子公司,著重於MEMS相機模組開發,卻一直未能達成量產目標,遂決定停止相關生產與製造並出售專利。


2014年3月歐菲光公告將收購Digital Optics Corporation在相機模組方面的專利,其中即包含MEMS相機模組專利,但MEMS相機模組技術尚未大量量產,即使量產成功,歐菲光將成全球唯一供應商,將影響品牌廠搭載意願。


除了供應問題外,MEMS的鏡片移動距離較短,無法拍攝較遠的景物,恐怕難以滿足使用者以行動電話取代數位相機的習慣;此外,由於MEMS相機模組僅用一片鏡片對焦,對此鏡片的敏感度要求將大為增加,同時亦提升鏡片生產難度。


陣列相機模組可實現輕薄化對焦,然生產門檻仍待突破

傳統相機模組為單鏡頭結構,而陣列相機模組(Array Camera)則為多顆鏡頭結構。其原理可比喻為昆蟲的複眼構造,透過多顆鏡頭的合併,記錄下整個光場數值,尤其是空間與方位資訊,之後透過軟體運算還原影像,且可任意更改對焦點並運算出新的影像,達到拍攝後對焦的功能。除了重新對焦的優點之外,陣列相機模組不需使用VCM對焦,因此也可避免對焦延遲的現象。


此外,傳統自動對焦相機模組的高度多來自於VCM以及多片鏡片垂直堆砌的鏡頭模組,然陣列相機模組不需VCM,鏡頭模組也以晶圓級鏡頭取代,使相機模組厚度可降低約50%。


陣列相機模組組裝需多鏡頭校準,相較於傳統相機模組的單鏡頭校準難度大為提升;此外,陣列相機模組需要多顆鏡頭組成,且畫素要求較低,故晶圓級鏡頭較為合適,然晶圓級鏡頭須克服均勻性以及紫光問題,且供應商來源尚少。整體而言,陣列相機模組生產需要較高的技術含量,且存在技術門檻,故供給價格彈性仍低,未來普及速度仍須視其量產程度以及價格而定。


MIC觀點:相機模組已為規格戰主戰場

隨著社群網路興起,使用者習慣改變,照相功能逐漸受消費者重視,品牌廠逐漸提升相機模組規格,加上智慧型行動電話同質化現象日益明顯,硬體規格戰成為各品牌廠的差異化重點,而此規格戰戰線遂延伸至消費者愈趨重視的相機模組。



圖五 : 相機模組畫素、畫質與照相功能成為手機差異化的重點。
圖五 : 相機模組畫素、畫質與照相功能成為手機差異化的重點。

觀察2014年高階新機規格,2014年2月Samsung 發表Galaxy S5 ,其搭載1/2.6”的16MP影像感測器以及F2.2光圈的鏡頭模組,不僅提升相機模組規格,也加強其快速對焦、即時預覽HDR與拍照後對焦等照相功能。


此外,宏達電於2014年3月發表M8,搭載兩顆主相機模組,一顆負責拍照,一顆則負責記錄景深資訊,藉此可達成拍照後對焦與3D成像。2014年品牌廠不僅持續提升相機模組畫素,照相功能以及畫質也成為其差異化重點;有鑑於此,相機模組相關廠商也積極開發OIS、MEMS與陣列相機模組等可提升畫質的新產品。


觀察新技術發展狀況,MEMS與陣列相機模組目前仍面臨量產問題,普及狀況需待生產與技術門檻突破;OIS相機模組雖已進入量產階段,卻面臨產能不足情形,加上其多搭載於旗艦機種,大量需求使得OIS相機模組產能遭壟斷,形成供應瓶頸。


(本文作者柯佩均為資策會MIC產業分析師)


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