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2019-06-04

J8彩票头产业链汇总分析

发布者: ittbank ; 浏览次数:989

无论是像素升级、光学防抖,还是大光圈、双摄像头,光学一直是消费电子的创新主战场之一。


光学行业发展到今天出现了新的动向,3D Sensing 与三摄、潜望式成为未来创新的重点。


3D Sensing 正逐步取代指纹识别成为手机标配。三摄像头和潜望式则在双摄的基础上再次大幅提升拍照质量,有望在华为、OPPO 的带动下成为下一阶段的发展趋势。

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光学新动向精彩纷呈


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光学始终是智能手机创新的主战场


光学创新因为能给用户带来非常直观而明显的体验提升,成为各大手机厂商进行差异化竞争的焦点,也让光学成为智能手机创新的主战场之一。


回顾历史,我们发现围绕着带来更好的拍照体验这个目标,光学经历了像素升级、光学防抖、大光圈、长焦镜头、光学变焦、多透镜设计、双摄像头等多种创新,其中以像素升级和双摄像头最为典型。


iPhone 作为智能手机的开创者和标杆,其像素升级历史最为典型。


第一代 iPhone 的后置摄像头像素只有 200 万,随后逐步升级到现在的 1200 万;


前置摄像头则从 iPhone 4 的 30 万像素,逐步升级到了现在的 700 万像素。


在苹果的带动之下,安卓手机厂商也积极升级手机摄像头像素,并在2011-2015 年形成了“像素大战”。

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▲iPhone 的摄像头像素不断升级

双摄像头则是光学的另一重大升级。


华为在 2016 年 4 月发布与德国徕卡合作的旗舰手机 P9,开创智能手机的双摄浪潮。


P9 配备双 1200 万像素后置摄像头,两颗摄像头分别负责彩色和黑白功能。


彩色摄像头用来获取物体的色彩,而黑白摄像头用来获取物体的细节,然后将两个图片融合为一张最终的图片。


苹果则在 2016 年 9 月发布了配备双摄像头的 iPhone 7 Plus。iPhone 7 Plus 采用广角+长焦镜头,通过左右摄像头使用不同的 FOV(可视角),使两个摄像头取景不同。


当拍近景时,使用广角镜头,拍远景时,使用长焦镜头,从而实现光学变焦功能。


光学行业发展到今天出现了新的动向,三摄像头、潜望式摄像头与 3D Sensing 成为行业下一阶段创新的重点。


三摄像头则在双摄的基础上再次大幅提升拍照质量,有望在华为的带动下成为下一阶段的发展趋势;


潜望式摄像头由于可以实现远距离光学变焦,有望在 2019 年迎来大发展;


3D Sensing因为具备更高的安全性,并且可以带来 VR/AR 等更大的创新潜力,正逐步取代指纹识别成为手机标配。

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华为在 2018 年发布的 P 系列和 Mate 系列两大旗舰机中均采用了三摄像头设计。


P20 Pro 与 Mate20 Pro 均配备一颗 4000 万像素的主摄像头、一颗 2000 万像素的副摄像头、一颗 800 万像素的远摄像头,三颗摄像头分别起到彩色广角、黑白广角、彩色长焦的功能。


三摄的第一大优势是暗光场景下的强大拍照能力,这个时候使用的是彩色+黑白两颗摄像头,彩色摄像头用于成像,黑白摄像头用于捕捉细节。

▲像素 4 合 1 可以大幅提升感光能力

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▲像素 4 合 1 可以大幅提升感光能力


三摄的第二大优势是变焦能力。


华为 P20 Pro 提供了 3 倍光学变焦和 5倍三摄变焦两种变焦模式,其中 3 倍光学变焦用到长焦+黑白两颗摄像头,5倍三摄变焦则要分别用到彩色+黑白和广角+黑白两种模式。


三摄像头一方面可以大幅改善成像质量,提供更好的光学变焦功能,另外一方面是对双摄的进一步升级,在硬件和算法的层面拥有更好的基础,可以更快地完成渗透。


我们预计在华为的引领下,2019 年将有包括苹果、三星、OPPO、vivo、小米等众多厂商开始使用三摄像头。


潜望式摄像头有望在 2019 年快速渗透


潜望式摄像头是指将镜头与手机平面垂直放置的摄像头。


OPPO 是最早推出潜望式摄像头的手机厂商,其在 2017 年的 MWC 上首次展示了潜望式摄像头技术。


区别于传统双摄镜头的并列排布,OPPO 将长焦镜头横向排列,与广角镜头形成垂直布局,由特殊的光学三棱镜让光线折射进入镜头组,实现成像。


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▲OPPO 的潜望式摄像头设计


潜望式摄像头最大的优势是可以实现高倍数的光学变焦。 变焦就是改变焦距,从而得到不同宽窄的视场角、不同大小的影像和不同的景物范围。


变焦通常有数码变焦和光学变焦两种方式,其中数码变焦是通过数码相机内的处理器,把图片内的每个像素面积增大,从而达到放大目的;


光学变焦是依靠镜头中镜片的移动(改变镜片之间的距离),进而改变镜头的焦距,实现变焦。


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▲通过镜头的移动实现光学变焦


由于智能手机需要保持轻薄,而使用伸缩式摄像头会大幅增加手机的厚度,并且难以防水防尘,所以 内变焦是手机实现光学变焦的主要方式。


但由于手机厚度有限,水平放置的摄像头只能有较小的焦距,光学变焦能力有限,所以通过采用潜望式摄像头的设计,能大幅增加摄像头的焦距,实现更好的光学变焦。


3D Sensing 快速渗透,行业规模不断增长


3D Sensing 是指获取周围环境的三维信息来进行识别的功能,被广泛应用于 工业、医疗、交通、科研、国防等领域中,例如无人驾驶所使用的激光雷达就是 3D Sensing 的一个典型应用。


随着技术的进步,3D Sensing 逐步实现了小型化、低功耗,可以开始用于手机等消费级的电子产品中。


当用于手机时,具有 安全性高、使用简便、适合全面屏设计等优点,可以完美取代手机中的指纹识别解锁。


苹果在 2017年 9 月发布的 iPhone X 中首次配备 3D Sensing 功能,并命名为 Face ID,并在 2018 年 9 月发布的 iPhone XR、iPhone XS、iPhone XS Max 中全面配备 3D Sensing。


苹果在 2018 年 10 月 30 日发布的最新款 iPad Pro 中,同样去掉了指纹识别模块,转而使用 3D Sensing 功能,我们认为这将成为苹果在 iPad 产品系列中全面使用 3D Sensing 的开始,未来 3D Sensing 将成为 iPad 的标配。


预计苹果未来将在旗下产品中全线配备 3D Sensing 功能,由于苹果产品的出货量,未来 3D Sensing 将迎来广阔的发展空间。


三摄+潜望式:

打开产业链成长新空间


手机摄像头主要由光学镜头(Lens)、音圈马达(VCM)、红外滤光片(IRCF)、图像传感器(Sensor)等组成。


三摄相比单摄和双摄分别增加两颗和一颗摄像头,潜望式则需要增加一组镜片和折射镜头,将给整个摄像头产业链带来新的市场空间,产业链相关企业将迎来新的成长动力。


从手机摄像头产业链的价值量分布来看,CIS 图像传感器占据了 52%的价值量,是价值量最高的部件;


光学镜头和模组的价值量占比分别达到了19%和 20%,两者旗鼓相当,仅次于 CIS 图像传感器;


音圈马达和红外截止滤光片的价值量占比分别达到 6%和 3%,价值量较少。


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▲手机摄像头的结构示意图

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▲手机摄像头的主要部件价值量占比

光学镜头


设计和制造难度大,经验积累是关键。


光学镜头的主要作用是利用光的折射和反射原理,搜集被拍摄物体的反射光并将其聚焦于图像传感器上。


手机摄像头使用的镜头主要有塑胶和玻璃两种材质。塑胶镜头透光率不如玻璃镜头,但成型更为容易、良率较高、成本较低,通过不同形状的塑胶镜头进行组合,也可以达到非常好的成像效果,所以手机摄像头使用都是塑胶镜头。


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▲塑胶镜头的综合实力优于玻璃镜头


衡量镜头解析力的常用指标是 MTF(Modulation Transfer Function,调制转换函数),它衡量的是镜头对对比度的还原情况。


理想镜头的还原情况可以达到 100%,最差的镜头无法还原对比度,所以 MTF 的值位于 0—1 区间内。MTF 的值越大,表明镜头的解析力越好。


在手机可见光摄像头中,尽管玻璃材料的透光量要好于塑胶镜头,但塑胶易于成型,可以组成各种所需要的组合,对光线的控制也更优,所以塑胶镜头的 MTF 反而会大于玻璃镜头。


基于此,塑胶镜头仍将是未来一段时间内手机可见光镜头的主流,但玻璃镜头或玻塑混合镜头大概率也将会占有一席之地。


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▲MTF 是镜头对对比度的还原情况的衡量

光学镜头具有非常高的技术难度,目前能大批量稳定生产高品质镜头的厂商较为稀少。


光学镜头的难点主要在于设计和制造环节。


光学镜头的难点之一在于设计环节。 设计环节需要的是多年的经验积累,以及想象力的发挥,不仅仅是一门工程,更是一门艺术。


每一个设计的光学镜头都可以专门申请专利,保护设计师的心血结晶。


设计环节直接决定厂商能否生产某一规格的镜头,是进入这个行业的门票。


光线在穿过镜头时,会发生非常复杂的折射过程才能到达图像传感器。


这些复杂的折射过程会使图像传感器上的成像与根据高斯光学得到的理论结果产生差距,这就是像差。


像差无法完全消除,所以这个世界不存在完美的镜头。


光学设计就是通过组合不同形状、不同数目的透镜,实现对这些像差的控制,尽可能获得尽可能完美的成像效果。


但是因为像差实在太多,所以想实现完全的像差控制是不可能的,只能通过光学设计在众多像差中取得平衡。


光学设计不是工程,而是艺术,是对于美的理解,考验的是光学设计师的经验、天赋和灵感。


莱卡和蔡司作为最优秀的光学厂商,引以为傲的正是其在光学设计上的深厚积累。


华为与莱卡合作,主要的合作内容就是莱卡帮助华为改善光学设计。

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▲六种经典基础光学设计方案


光学镜头的难点之二在于制造环节。


如果说设计解决的是镜头厂商能否生产的问题,那么制造环节就是决定生产良率和一致性的关键。


在模具、成型、组装等环节,对于生产精度都有非常高的要求,任何一个环节出现差错都会对最后的成像效果产生非常大的影响。


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▲手机镜头的主要生产流程

模具环节是塑胶镜头制造的最关键部分。


模具的质量直接影响镜片的成型,所以需要非常高精度的模具,不仅需要有经验的设计人员来进行设计,还需要制造人员具有精密加工和检测方面的基础。


在成型环节,材料发生了相变化、密度变化、温度变化以及压力变化,必须严格精确控制这些变量才能使透镜拥有良好的光学特性,这对厂商的生产提出了极高的要求,不仅需要高精度的仪器,还需要有经验的熟练工人才能完成操作,任何差错都会影响最后的成像质量。


组装环节是按照顺序逐一将加工完成的镜片、隔片、压圈等部件完成装配,并实现光学性能的过程,目前主要通过自动化方式实现组装。


镜头组装技术要点十分复杂,对部件加工精度、组装精度具有极高的要求,整体公差一般不超过 3 微米,而大立光等企业甚至达到 2 微米。


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▲镜头组装的基本流程

光学镜头设计非常复杂,目前已知的像差就有数百种,仍有大量未知的像差不断被发现,需要在设计中被考虑进去。


光线的折射和反射路径数不胜数,需要设计师去不断计算和权衡。


透镜的形状、位置、材料可以有无数种组合方式,让设计师们有空间去不断挖掘更好的设计。


光学镜头行业永远没有进步的终点,永远都有探索的空间。


手机镜头的生产尽管不像相机镜头那么困难,但时间和经验依然很重要。


例如台湾的大立光是最早开始研究塑胶镜头的厂商之一,成立至今已有接近 40 年的历史。


尽管塑胶镜头是在智能手机兴起之后才开始蓬勃发展,但大立光在此之前已积累了接近 20 年,所以其他厂商始终难以企及大立光的镜头品质和生产良率,这也造就了大立光在手机镜头领域的霸主地位。


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▲2017 年各手机镜头厂商的市场份额

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总体技术难度不高,精度控制是关键。


手机中控制镜头对焦的器件为音圈马达(VCM)。


单反相机的对焦是通过转动镜筒带动镜头里某个镜片或者某组镜片前后移动,来修正光路,使成像落在感光元件上是最清晰的。


普通的手机摄像头无法做到像单反相机那样移动某块镜片或者某组镜片来对焦,因此手机摄像头是通过镜头组整个前后移动实现自动对焦,驱动这一动作的就是 VCM。


不同厂商的 VCM 结构略有不同,但总体上均包括外壳、支架、垫片、簧片、磁石、线圈、载体、底座等部件,内部结构较为复杂。


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▲音圈马达内部拥有大量部件

红外截止滤光片,镀膜工艺是关键


红外截止滤光片(IR-Cut filter) 是一种允许可见光透过而截止红外光的光学滤光片。


当光线进入镜头,折射后可见光和红外光会在不同靶面成像,可见光成像为彩色,红外光成像为黑白。


当把可见光所成图像调试好之后,红外光会在此靶面形成虚像,影响图像的颜色和质量。


红外截止滤光片又可细分为两种,一种是反射式滤光片,另一种是吸收式滤光片。


滤光片最关键的工艺是镀膜,需要保证镀膜的均匀性和一致性,镀膜又可分为真空镀膜和化学镀膜两种方式。


镀膜之后基本可以滤除 650nm以上波长的光,满足基本的使用需求。


以蓝玻璃为基材镀膜制成的 IRCF,是采用吸收的方式过滤红外光,可过滤 630nm 以上波长的光,比较彻底;


而以普通玻璃为基材镀膜所制成的IRCF 是以反射的方式过滤掉红外光,反射光容易造成干扰,效果差于蓝玻璃 IRCF。

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▲蓝玻璃 IRCF 的效果好于普通玻璃 IRCF

红外截止滤光片的主要生产厂商有欧菲光、水晶光电、田中技研、哈威特(已被奥托仑收购),欧菲光早在 2002 年就研发生产 IRCF,此后进军触控屏及影像系统领域,IRCF 增长放缓。


水晶光电作为后起之秀,目前是国内龙头,同时也间接向苹果供应红外截止滤光片。


CIS 传感器


技术创新与定制化是行业两大特点。


CMOS 图像传感器(CIS,CMOS Image Sensor)是实现将光信号转换为电信号的模数转换器。


MOS 图像传感器由两部分组成:感光区域和处理电路。


感光区域由大量的感光二极管构成,每个感光二极管就是一个像素单元。


光子在经过感光二极管之后,就会通过激发光电二极管中的材料放电,从而转化为电子被释放出来。


电荷被储存而形成电势差,电势差被测量出来,从而可以得到该像素单元的灰度值。


处理电路是对感光区域获得的数据进行处理的电路,例如自动对焦、光学防抖、曝光时间控制、自动增益控制、时序控制、同步信号、行起始信号、场起始信号等,在传感器的工作过程中起着非常重要的作用。


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▲CMOS 图像传感器的单个像素单元结构

技术创新驱动与客户定制化要求高是 CMOS 图像传感器行业的两个重要特点。


CMOS 图像传感器是个技术密集型的行业,只有不断开创新技术的厂商才能立于不败之地。


CMOS 图像传感器的第一次重大创新是由前照式(FSI)转变为背照式(BSI)。


像素单元由片上透镜、彩色滤光片、金属线路、光电二极管构成。


前照式结构中,当光线射入像素单元,经过了片上透镜和彩色滤光片后,先通过金属排线层,最后光线才被光电二极管接收。在这个过程中,金属线路会遮挡和反射一部分光线,极为影响成像质量。


索尼改变了这种制造像素单元的方式,采用背照式结构,将光电二极管放在金属线路的前面。


这一方法让像素可以获得更多的感光量,大幅提高了信噪比,而且可以采用更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。


这一进步大幅提高了手机的拍摄质量,直接促成了数码相机的衰落,也让索尼击败豪威科技拿到 iPhone 4S 的图像传感器订单。


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▲前照式转变为背照式

CMOS 图像传感器的第二次重大创新是由非堆栈式转变为堆栈式。


非堆栈式是将感光区域和处理电路在同一片晶圆上制作,但这样会面临两个问题。


第一个问题是非堆栈式的两个区域都只能采用相同的工艺,比如 65nm工艺。


这样的工艺对于感光区域的像素制作是足够的,但是对于处理电路而言,更先进的工艺可以有更高的晶体管密度,其对于像素区域的管控能力也能得到提高,可以得到更好的画质。


第二个问题是为了提高像素集合光的效率,需要引入光波导管。


光波导管的干刻过程中,硅晶圆和像素区域会有损伤,此时则要进行一个叫做“退火(annealing process)”的热处理步骤,让硅晶圆和像素区域从损伤中恢复回来,这时候需要将整块 CMOS 加热。


这种加热会对处理电路产生不必要的损伤,会对信号读出产生影响。


索尼创造性地提出堆栈式的方法,解决了上面两个问题。首先利用晶圆和基板的热传导系数差异,通过加热将两者分离。


然后使用 65nm 工艺制作感光区域,使用 40nm 工艺制作处理电路,然后堆叠在一起。


这样一来,感光区域的面积也可以增大,可以制作更多的像素,处理电路也得到了优化。


这样的摄像头体积变得更小,但功能和性能反而增强。


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▲非堆栈式转变为堆栈式

CMOS 图像传感器行业的第二个重要特点是定制化要求非常高。


由于各大手机厂商对拍照性能的要求不同、理解也不同,所以对 CMOS图像传感器的性能要求也不一样,这就需要进行定制化生产。


与公版感光元件固定化的参数相比,定制化的感光元件在参数选择上更加灵活。


定制化要求 CMOS 图像传感器供应商具有柔性生产和较强的响应客户的能力,这也是在这个行业立足的核心竞争力之一。 


技术创新与定制化这两大特点使得 IDM 模式在 CMOS 图像传感器行业更有优势。 


IDM 模式即将设计与制造两大环节垂直整合的模式,Fabless 模式即只专注设计而将制造环节外包的模式。


根据前面的分析,CMOS 图像传感器其实有大量技术创新是在制造环节,那么 IDM 模式的厂商就可以更深刻地理解制造过程,从而实现技术上的改进,而代工的 Fabless 模式则因距离制造环节太远而无法更好地创新;


与此同时,IDM 模式让厂商在生产环节有了更多的掌控力,可以更好地完成手机厂商所要求的定制化参数。


根据 Yole 的统计,在 2017 年全球价值 139 亿美元的 CMOS 图像传感器市场中,索尼占据了 42%的市场份额,是当之无愧的霸主。


在索尼之后的是三星电子、豪威科技(Omnivision)、安森美(On Semi)等厂商。


索尼、三星、佳能、尼康等厂商采用的是 IDM 模式,SK 海力士则通过收购 Siliconfile 而成为 IDM 厂商。


其余厂商则采用 Fabless/Fablite 的模式,例如安森美(On Semi)交给 L-Foundry 代工,意法半导体交给台联电代工,豪威科技主要交给台积电代工,格科微主要交给中芯国际代工。


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技术壁垒不高,良率提升决定盈利能力。


模组是把上述零组件整合到一起后的器件。手机摄像头模组的主流工艺有 CSP、COB 和 FC 三种,其中 CSP 主要用于低端产品,COB 是最主流的工艺,FC 则仅有苹果在使用。


CSP(芯片级封装)的优势在于制造设备成本低、洁净度要求低、良率较高,劣势在于镜头透光率低、模组厚度较高。


COB(板上封装)的优势在于设备成本较高但封装成本低,劣势在于洁净度要求高、良率较低,制程时间相对较长。


FC(倒装芯片)的优势在于封装密度很高、封装所得摄像头模组厚度最薄、缺点在于成本较高、良率较低。


与此同时,COB 封装正向 MOB(Molding On Board)和 MOC(MoldingOn Chip)发展。


MOB 与 COB 的区别在于底座与线路板一体化,将电路器件包覆于内部,而 MOC 比 MOB 更加先进的地方在于将连接线一起包覆于内部。


随着 MOB 和 MOC 的推出,COB 封装的性能进一步向 FC 靠近,同时成本更低,未来有望取代 FC 封装。


摄像头模组行业的技术壁垒并不高,这也导致国内手机摄像头模组市场比较分散。


根据旭日产研的数据,欧菲科技是 2017 年国内手机摄像头模组市场的第一名,但其所占份额也仅为 11%。


除了欧菲科技之外,还有舜宇、丘钛、信利、光宝、合力泰等也可以供应摄像头模组,但市场份额均只有个位数。


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▲2017 年国内手机摄像头模组市场份额

模组


行业门槛并不高,良率提升是盈利关键


3D Sensing 模组环节就是把上述各元件组装形成一个整体的过程。


模组环节技术难度并不大,并且受益于摄像头模组行业的发展,已经拥有众多厂商可以生产 3DSensing 模组,所以行业门槛并不高。


尽管行业进入门槛不高,但如何把产品良率维持在一个较高的水平是稳定盈利的关键。影响 3D Sensing 模组良率的环节主要体现在以下几个方面:


1)发射端拥有准直镜头、衍射光学元件等非常精密的光学元件,在组装时需要保证非常高的精度;


2)发射端的 VCSEL 激光器需要进行光谱检测和校准;


3)发射端、接收端、泛光感应器件需要通力合作,三者在位置上的准确度和稳定性对于最终 3D Sensing 效果有非常重要的影响,需要高难度的匹配和校准。


以上环节主要是对精度的要求,稍有不慎就会产生废品降低良率,所以这是一个需要精密和准确的行业,而不是一个依靠技术创新的行业。


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▲iPhone X 3D Sensing 模组拆解

目前,具备 3D Sensing 模组制造能力的厂商包括 LG Innotek、富士康、夏普、欧菲科技、舜宇光学等。


其中 LG Innotek 是 iPhone 3D Sensing 发射端模组的独家供应商,富士康和夏普是 iPhone 3D Sensing 接收端模组的供应商。


欧菲科技、舜宇光学等大陆厂商在模组领域也具备很强的实力,已经可以大规模量产 3D Sensing 模组。


随着国内手机厂商在 3D Sensing 领域快速推进,欧菲科技、舜宇光学将有望深度受益。


无论是三摄像头、潜望式摄像头还是 3D Sensing,都是智能手机的增量创新,都将带来全新的增量市场空间。


来源:光大证券《光学行业深度报告》



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