2023年精密光学行业研究报告 以蔡司为镜看国内精密光学发展趋势

2023年精密光学行业研究报告以蔡司为镜看国内精密光学发展趋势一、蔡司：全球光学光电子行业标杆1.1历史沿革：生产显微镜起家，逐步拓展产品矩阵蔡司是全球光学行业标杆企业。蔡司成立于1846年，至今已有177年历史。蔡司以生产显微镜起家，逐渐形成半导体制造技术、工业质量与研究、医疗技术和光学消费品市场四大业务板块，业务遍及全球近50个国家和地区，拥有约30个生产工厂、60家销售和服务公司以及27个研发基地，是光学和光电子领域的全球标杆企业。生产显微镜起家，逐步拓展产品矩阵。1847年，公司开始生产显微镜；1890年，发布第一款相机光学镜头，切入光学消费品领域；1908年，开始转向眼科测量仪器的研发，进入医疗光学领域；1931年，开始研制电子显微镜，丰富了工业领域的产品矩阵；1968年，为Telefunken生产用于光刻的新型光学器件，标志着公司进入半导体制造领域。1.2主营业务：立足光学光电子，布局四大业务板块布局四大业务板块，产品矩阵丰富。公司业务可划分为四个部分，共九个战略业务单元：半导体制造技术（SemiconductorManufacturingTechnology）：包括光刻光学、光掩膜系统和过程控制解决方案，覆盖了微芯片生产的各种关键工艺。工业质量与研究（IndustrialQuality&Research）：1）工业质量检测：例如坐标测量机、三维X射线检测设备等，被广泛用于汽车、工业、飞机建造、塑料工业等领域，提供生产质量检测；2）科学研究显微镜：包含光学、电子、离子、X射线显微镜，被广泛用于生命科学、材料研究、以及制药等行业。医疗技术（MedicalTechnology）：包含眼科手术器械和手术显微镜及可视化系统。消费市场（ConsumerMarkets）：包含视觉护理、摄影、运动光学等。蔡司是世界上最大的眼镜镜片制造商之一，除此之外，还为客户提供相机和电影镜头、望远镜等高端产品。1.3财务分析：业绩稳定增长，半导体制造占比提升业绩实现稳定增长，持续投入高研发。蔡司过去20年业绩稳步增长，2002-22年营收CAGR7.0%、净利润CAGR15.8%。近几年随着半导体光刻需求快速增加，公司业绩加速增长。22财年收入突破80亿欧元，达到87.54亿欧元，同比16.28%，归母净利润11.55亿欧元，同比10.34%。22财年公司研发费用率达13%，研发上保持高投入保证竞争优势。半导体制造技术占比持续提升。22财年，受益于下游旺盛需求，四大板块业务收入均实现二位数增长，分别同比增长20.0%、14.7%、15.4%、12.6%。其中，半导体制造技术业务由于下游光刻需求快速增加，近两年增长加速，收入占比超过30%。二、全球光学行业标杆，开拓高端光学蓝海市场2.1半导体制造：蔡司为EUV光学镜片唯一供应商，地位显著2.1.1光刻机：半导体工业皇冠上的明珠光刻机是半导体工业皇冠上的明珠。芯片前道工艺七大设备包括光刻机、刻蚀机、镀膜设备、量测设备、清洗机、离子注入机和其他设备。光刻机主要作用就是将掩膜板上的芯片电路转移到硅片，是IC制造中最为核心的环节。作为芯片制造过程中必不可少的精密设备，光刻机性能决定了芯片的制程和性能，因此光刻机被誉为半导体工业皇冠的明珠。工作原理：在IC制作过程中，激光器作为光源发射光束穿透掩膜板及镜片，经物镜补偿光学误差，将线路图曝光在带有光感涂层的硅晶圆上，然后显影在硅片上，理论上相当于与照相机加投影仪组合。发展历程：由于光刻机直接决定了晶体管尺寸，而晶体管尺寸对于芯片的性能起决定性作用。因此在半导体产业不断追求芯片尺寸更小、性能更强的背景之下，光刻机也不断创新迭代。从最早的普通光源到使用193nm波长的DUV激光，再到13.5nm的EUV激光，制程节点已提升到7-3nm。据ASML，下一代EUV0.55NA光刻系统（将数值孔径从0.33提升至0.55）预计2025年投产，进一步提高芯片生产效率。市场格局：全球光刻机市场三足鼎立，AMSL龙头地位凸显。全球前道设备光刻机市场已基本被ASML、尼康、佳能所垄断，2022年三家光刻机厂商合计出货量达551台。按平均售价测算，2022年全球市场规模达189亿美元。其中，ASML独占鳌头，22年实现光刻机出货345台，其中EUV光刻机出货40台，系EUV唯一供应商。据ASML，公司未来将大幅提升产能，预计2025-26年将实现年产90台EUV光刻机和600台DUV光刻机，并且在2027-28年增产20台HighNAEUV光刻机，未来市场潜力巨大。光刻机主要包含五大核心基础硬件模组：1）光学系统：包含光源模组(Source)、照明模组(illuminationmodule)和物镜模组(Optics)。紫外光从光源模组生成之后，被导入到照明模组，该系统要对光的能量、均匀度、形状进行检测和控制)，光穿过光罩后，物镜模组将影像聚焦成像在晶圆表面的光阻层上；2）光罩模组：分为光罩传送模组(ReticleHandler)及光罩平台模组(ReticleStage)。光罩传送模组负责将光罩由光罩盒一路传送到光罩平台模组，而光罩平台模组负责承载及快速来回移动光罩。3）晶圆模组：分为晶圆传送模组(WaferHandler)及晶圆平台模组(WaferStage)。晶圆传送模组负责将晶圆由光阻涂布机一路传送到晶圆平台模组，而晶圆平台模组（一般是双平台）负责承载晶圆及精准定位晶圆来曝光。光学系统是光刻机最核心的模块，决定光刻机的工艺能力：1）光源：光刻机的工艺能力首先取决于光源的波长。在摩尔定律驱动下，光刻设备由从最早的普通光源到使用193nm波长的DUV激光，再到13.5nm的EUV激光，制程节点已提升到7-3nm。2）照明系统：照明系统位于光源和物镜系统之间，通过调制，为掩膜提供成像曝光所需的照明模式和照明光场。照明系统主要包括扩束单元、光束整形单元、匀光单元以及照明物镜四个关键部分，其主要作用是提供高均匀性照明、控制曝光剂量和实现离轴照明,以提高光刻分辨率和增大焦深。3）物镜系统：物镜系统作为“光刻机之眼”，决定了光刻机分辨率以及套值误差能力。通过大直径物镜可提升数值孔径从而提高光刻机分辨率，通过多镜片组合可修正图像的形变从而提高成像质量。目前ASMLDUV光刻机中先进机种投影物镜的高度超过1米，直径大于40厘米，物镜内各种镜片的数量超过15片。2.1.2蔡司：光刻镜头全球龙头，EUV光刻镜头唯一供应商高精密光学镜头作为“光刻机之眼”，是光刻机最核心部件。高数值孔径的镜头决定光刻机分辨率以及套值误差能力。蔡司凭借着自身在光学设计、加工、检测环节的深厚技术积累，是ASMLEUV极紫外光刻机镜头唯一供应商。目前，由蔡司生产的最新一代EUV光刻机反射镜最大直径1.2米，面形精度峰谷值0.12纳米，表面粗糙度20皮米（=0.02纳米=0.2埃），比很多原子的直径都要小，也就是说达到了原子级别的平坦。凭借自身的先发优势和技术优势，蔡司在光刻机镜头市场地位显著，市占率达到80%。2.2医疗：医疗市场需求稳步提升，蔡司布局眼科器械和术用显微镜2.2.1眼科手术器械：全球眼科器械市场高度集中，蔡司排名第二眼科赛道患者基数庞大，呈现需求蓝海。眼科领域拥有庞大的患者群体，且患病率在逐渐提升，需求刚性且强烈，是具有发展潜力的黄金赛道。随着人口老龄化加剧，以及手机等电子产品普及，年龄相关性眼病、代谢相关性眼病、以及高度近视引发的眼底病变凸显。据WTO数据显示，全球至少有22亿人视力受损或失明，其中至少10亿人的视力损伤问题本可预防或尚待解决。随着经济条件的改善，居民健康意识逐渐增强，医疗保健支出的占比逐渐提升，带来巨大的需求蓝海。全球市场竞争格局高度集中，蔡司排名第二。眼科手术器械包括用于诊断和治疗眼科疾病的眼科设备及相关仪器、辅助器械和植入耗材等。据蔡司数据，21年全球眼科手术器械市场规模为132亿美元，同比增长19%。其中，蔡司21年市占率约11%，仅次于爱尔康。国内眼科器械市场需求大，市场呈现进口垄断。伴随着青少年屈光不正患病率提高，中老年白内障手术量增加，我国眼科器械市场增长迅速，据贝壳研究院，2021年市场规模达375亿元，2017-21年CAGR为18.5%。而眼科医疗设备行业技术壁垒高，呈现极高的进口垄断率，蔡司、爱尔康、拓普康等海外公司占据绝大部分市场份额。2.2.2手术显微镜：术用显微镜市场空间广阔，蔡司为第一大供应商术用显微镜市场加速发展，潜力巨大。手术显微镜是专门设计用于手术环境的光学显微镜，通常用于执行显微手术，广泛应用于神经外科，眼科，牙科，肿瘤学和泌尿科等领域。由于手术对于精度更高、更清晰、更准确的影像需求逐步增长，而手术显微镜能够调节放大率、照明卓越且能够提供清晰的术野，因而在手术室内实现加速渗透，推动全球手术显微镜市场增长。据QYResearch，2019年全球手术显微镜市场规模为13.64亿美元，预计2026年将达到28.86亿美元，2020-26年CAGR为11.18％。从数量上看，2019年全球手术显微镜销售量为2.2万台台，预计2026年将达到5.2万台。蔡司手术显微镜产品丰富，市场份额排名第一。蔡司目前不仅具备神经外科、眼科、耳鼻喉科、脊柱外科、整形、牙科、妇科手术显微镜，还推出机器人视觉系统，产品矩阵丰富。其中蔡司机器人手术显微系统的推出，可以帮助神经外科医生更好获得同步的4K3D手术视野，灵活应对颅脑及脊柱脊髓手术过程中的不确定性和复杂性，实现效率与精准性并存，帮助更多患者。2.3工业量测：高精度测量仪器发展迅速，蔡司产品技术先进2.3.1工业X射线检测：市场增速稳定，蔡司产品种类繁多工业X射线检测市场保持平稳增长。如果零部件利用传统测量机测量，隐藏性的结构信息只有将零件通过费时的层层破坏才能获得。而无损检测能在对检测物体无损伤条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况。在无损检测领域，五大常规的检测方法有：射线检测、超声检测、磁粉检测、涡流检测、渗透检测及一些非常规如激光、电磁波、红外线等的检测方法，其中X射线可视性最好，可见可测，精度最高，可达纳米级，是最重要的一种检测手段，被广泛应用于汽车制造、航空航天等领域。据QYResearch，2021年全球工业X射线检测系统市场规模为12.32亿美元，预计2028年达16.58亿美元，2022-28年CAGR为4.86%。蔡司X射线扫描检测设备产品品类众多，技术先进。蔡司旗下拥有BOSELLO2D、VoluMax3D以及METROTOM3D系列X射线测量设备。其中第三代计算机断层扫描METROTOM1500不仅采用新的3k检测器可生成更高分辨率的3D体数据集，即更多体素可以检测到更小的缺陷；同时还可以一次扫描海量的零部件特征，扫描速度更快，时间可减少75%。2.3.2三坐标检测：市场空间广阔，蔡司是全球领先的三坐标测量生产商三坐标测量机是先进精密仪器测量机，市场空间广阔。其可以代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，并把复杂的测量任务所需时间从小时减到分钟。其功能是快速准确地评价尺寸数据，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息，主要用于机床、机械、航空航天、汽车、五金、模具等行业的轮廓和表面形状、尺寸、角度位置及一些部位进行测量，也可以对零件的尺寸和形位公差进行精密测量，能完成精确的零件检测，过程控制等任务，市场空间广阔。据Marketgrowthreport数据显示，2022年全球三坐标测量机市场规模为57.15亿美元，预计2029年可达到72.09亿美元。蔡司是全球领先的三坐标测量生产商。其产品包含了通用的桥式测量机、悬臂式测量机、在线测量机，以及引领测量前沿技术的复合式测量中心和纳米级测量机等。蔡司不仅在测量技术的科研上取得了世界瞩目的成就，其所有的主要部件，如控制柜、软件、传感器、探针等均为蔡司独立研发生产，确保了产品高品质和高性能的传承。蔡司的新一代接触式扫描测量机SPECTRUM具备高精度、高品质的特点，为模具测量提供高效率的解决方案。该产品特有的扫描测量技术能够在单位时间内获取更多的测量点数据，而且仅需一次扫描路径规划，就能全面地反映工件尺寸及偏差信息，不仅大大地提高了测量效率，更能保证测量的精确度和稳定性。新一代SPECTRUM自发布以来就受到业界关注，它让接触式扫描测量技术成为蔡司全系列测量设备的标准配置，引领三坐标测量真正跨入了“全扫描”时代，同时也将触脚延伸至更多的中小用户。2.3.3三维测量设备：收购GOM集团，巩固自身技术领先地位蔡司收购GOM，进一步拓展工业测量产品组合。2019年4月11日，蔡司宣布完成对自动化三维坐标测量技术及三维测试软件、设备和系统供应商GOM的收购。2023年1月GOM正式加入蔡司中国，并成立了新的业务部门光学解决方案业务单元。此次收购，旨在进一步巩固双方在行业内的技术领先地位，尤其是在光学数字化系统领域。展望未来，蔡司将不断探索更先进完整的光学解决方案，提高企业生产的智能化水平，满足制造产品的转型升级需求。从技术层面，整合后的蔡司工业测量丰富了原有的产品线，可以覆盖不同客户的光学需求，提供更完整的光学解决方案。蔡司的产品组合与光学3D测量技术相结合，将进一步开拓工业质量与研究市场，创造新的机会，尤其表面测量和数字化解决方案都将成为额外的增长动力。例如ZEISSGOM三维光学扫描系统，借助3D传感器，可实现高精度检测注塑模具，其逆向工程允许制造3D模型，配合简单易用的高性能软件平台colin3D，可以生成精准度高的测量报告。此外，利用不同的镜头，可按不同的部件尺寸在瞬间完成测量范围的调整，进而实现对塑料和金属打印增材制造应用的高精度光学三维测量。2.4显微镜：高端显微镜下游需求旺盛，蔡司具备深厚的技术积累2.4.1电子显微镜：市场保持稳步增长，竞争格局相对稳定市场规模：近年来随着全球对生命科学、材料研究的探索和研究持续深入，以及对半导体需求不断扩大等，推动了高校、科研院所、半导体工业等领域对电子显微镜的需求，全球电子显微镜行业市场规模呈不断增长趋势。据日本电子数据，2020年全球电子显微镜市场规模为27.64亿美元，预计2026年将达到38.87%，2021-26年CAGR为5.8%。其中，扫描电子显微镜为主要细分市场，占比74%。而透射电镜则由于技术水平和价格高、操作难度大，分辨率可达原子级别，主要对样品晶体结构进行分析等，应用市场还尚未完全打开和释放，故总体规模还较小，占全球电镜的26%左右。竞争格局：从行业参与者情况来看，由于技术水平较高、资金/人才投入大等因素影响，全球电子显微镜参与企业较少。目前，全球电镜市场竞争格局基本稳定，形成了赛默飞(含FEI)、日本电子、日立高新、蔡司、TESCAN、COXEM等几大电镜巨头。：近年来，中国扫描电子显微镜市场规模呈现逐年增长的态势且增速较快，均在10%左右。2020年，中国扫描电子显微镜市场规模实现16.72亿元，受影响，各单位对于扫描电子显微镜等科学仪器的采购预算增幅有所下调，故其同比增长率较2018-19年略有下滑，仅为9.21%。但由于国内扫描电子显微镜的技术水平与国际先进水平有一定差距，中国的扫描电子显微镜行业市场主要被海外知名扫描电子显微镜生产企业所占据，市场集中度较高，CR4在75%以上，其中蔡司市占率为22%，排名第一。蔡司：蔡司扫描电子显微镜历经30多年的创新发展，目前包括EVO系列、Sigma系列、GeminiSEM系列以及MultiSEM系列，能够提供高分辨率的表面信息及出色的材料对比度，被广泛运用于电镜科学及应用领域，如纳米技术、材料分析、半导体失效分析、生命科学和质量控制。2.4.2光学显微镜：发展历史悠久，蔡司布局高端光学显微镜市场规模：光学显微镜发展历史较久，成本优势明显，是全球显微镜市场的重要组成部分。根据GrandViewResearch数据显示，2015年全球光学显微镜约占全球整个显微镜市场规模(65.9亿美元)的37%，即24亿美元左右。虽然低分辨率、放大倍数和表面视野限制了光学显微镜的使用，但是光学显微镜历史悠久，技术较成熟，成本整体平均水平也较电子显微镜低。同时，生产厂商也逐渐将光学显微镜与CCD的结合，并逐渐将软件信息甚至于人工智能技术应用于光学显微镜中，使得光学显微镜操作更加简单和高效。因此，光学显微镜在全球显微镜中将会继续保持重要的地位，未来五年全球光学显微镜市场将以约6%的CAGR增长，2026年有望达到61亿美元。：早在20世纪70、80年代，全球的光学显微镜生产便从日本逐渐转移至我国，我国目前已能够生产95%的教育类和普及类显微镜，成为全球光学显微镜加工制造中心。据前瞻研究院，2020年中国光学显微镜市场规模约在24亿元，预计2026年有望达到46亿元。而我国光学显微镜制造企业偏重于生产低端教育用显微镜，绝大部分实验室和科研用高端光学显微镜如系统显微镜、共焦显微镜和超分辨显微镜等主要被徕卡、蔡司、尼康、奥林巴斯垄断。以共聚焦显微镜为例，徕卡、蔡司、奥林巴斯、尼康在国内市场份额超过85%。近几年，国产高端光学显微镜在生命科学、材料学等领域都取得了长足进步，出现了高端光学显微镜速度加快的趋势。2021年，永新光学完成共聚焦显微镜首单销售，正式进军“百万级”高端光学显微镜领域。蔡司在光学显微镜领域积淀深厚。公司1857年生产出世界上第一台复合式显微镜，并发明了显微镜无限远光路系统、科勒照明技术、相差观察技术、微分观测技术以及复消色差物镜等，推动了显微镜与检验技术的历史进程。至今世界显微镜制造标准中80%都以蔡司厂的生产标准为主。目前蔡司已经在高端显微镜领域实现广泛布局，其产品的高性能、高质量、高可靠性和稳定性已得到全世界广大用户的信赖与认可。三、重点公司分析3.1永新光学：显微镜业务起家，横向拓展车载光学、医疗光学及半导体设备光学等领域国内光学显微镜单向制造冠军，业务持续向车载光学、医疗光学、设备类光学等领域拓展。永新光学是中国光学精密仪器及核心光学部件供应商，涵盖光学显微镜和光学元组件两大业务体系，2021年业务占比分别为60.7%和37.2%。公司主要产品包括光学显微镜、条码扫描仪镜头、液态镜头、车载镜头前片、激光雷达光学元件及部件等，拥有“江南”、“NEXCOPE”、“NOVEL”等自主品牌，产品主要出口欧美、日本、新加坡等国家和地区。光学显微镜：永新作为国内光学显微镜龙头，持续突破卡脖子领域。21-23年陆续发布了工业级检测显微镜、激光扫描共聚焦显微镜、科研级双层光路倒置显微镜NIB1000、超分辨率显微镜等高端产品，并持续向导航手术显微镜等其他产品突破。视觉领域：1）条码扫描仪：公司是全球条码扫描仪行业前四大巨头Zebra、NCR、得利捷、霍尼韦尔的核心供应商，在商超、金融、政府、物流、工业、服务机构等对扫描设备识别速度、准确率、耐用性要求更高的中高端市场占据主要份额；2）机器视觉：公司是全球首批实现液态镜头批量生产企业，主要供应全球机器视觉龙头康耐视。车载光学：公司是国内最早布局激光雷达光学业务厂商之一，开发出多款应用于机械旋转式、半固态式、固态式车载激光雷达光学镜头与光学元件，与禾赛、Innoviz、图达通、北醒光子等国内外多家激光雷达方案商建立合作，并已进入麦格纳制定产品供应商名单。此外，公司还将激光雷达客户群体扩展至轨道交通和工业领域，将产品从以光学部件为主扩展至激光雷达整机代工。医疗光学：公司持续拓展医疗光学设备领域，数字切片扫描仪、病理诊断电动显微镜、NCM细胞成像仪等产品已批量销售；同时加快新品研发，23年有望实现内窥镜核心镜头量产销售，供应国内头部厂商。3.2茂莱光学：国内领先的工业级精密光学厂商，下游涵盖半导体设备、生命医疗、AR/VR、航空航天、激光雷达等高成长领域国内领先的工业级精密光学供应商，多领域业务齐头并进。茂莱光学作为精密光学综合解决方案提供商，专注于精密光学器件、光学镜头和光学系统的研发、设计、制造及销售。2021年各项业务占比分别为57.0%、20.5%、20.0%。公司凭借垂直整合能力，为客户提供“光、机、电、算”一体化的解决方案。目前公司已形成覆盖紫外到红外谱段的光学设计能力，高精度光学器件制造能力，光学镜头及系统的多变量主动装调能力，以及光学系统的垂直集成能力。为科技应用领域客户提供高精度、高复杂度、高附加值的核心光学器件及解决方案，促进生命科学领域的跨越发展，赋能光刻机及半导体装备升级换代，为航空航天、生物识别、AR/VR检测及无人驾驶提供强有力的光学技术支撑。2021年各下游应用占比分别为34.8%、26.7%、9.0%、8.2%、6.6%、4.0%。随着进程加快叠加技术持续突破，公司业绩快速增长，2022年公司实现营业收入4.39亿元，同比增长32%；归母净利润0.59亿元，同比增长25%。3.3炬光科技：核心底层技术能力“产生光子+调控光子”全球领先，持续拓宽产品应用领域国内光子行业领先厂商，产品品类持续扩张。炬光科技起步于“产生光子”的高功率半导体激光器，2017年并购LIMO后拥有“调控光子”的技术能力，目前已形成Focuslight和LIMO两大品牌。公司依靠核心底层技术——“产生光子”+“调控光子”，纵向拓展激光行业中游的光子应用模块和系统“提供解决方案”，涵盖三大高成长应用领域：激光雷达、家用医美、泛半导体制程，打开长期成长空间。长期来看，在上游业务方面，开放器件、预制金锡材料、光场匀化器等业务有