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圖像傳感器

 

圖像傳感器是數字成像系統的主要組成部分，對整個(gè)系統的性能有很大的影響，主要有電荷耦合器件（CCD）和CMOS圖像傳感器（CIS）兩種類(lèi)型。近年來(lái)，隨著(zhù)價(jià)格的下降，數碼相機變得極為普遍。其中，價(jià)格下跌背后的重要驅動(dòng)力就是CMOS圖像傳感器的引入，因為CMOS傳感器的制造成本要比此前廣泛應用的CCD傳感器低得多。

 

CMOS圖像傳感器與CCD的多角度對比

 

CCD是數碼相機中較早使用的一種圖像傳感器。在數碼相機出現的早期，因電池普遍比較大，CCD的高功耗并不是一個(gè)大問(wèn)題。由于數碼相機體積不斷縮小，使用的電池也越來(lái)越小，CCD高功耗的缺點(diǎn)便暴露出來(lái)，此時(shí)低功耗小體積的CMOS圖像傳感器就成為更好的選擇。隨著(zhù)圖像傳感器記錄的像素數量不斷增加，CMOS圖像傳感器的優(yōu)勢愈加突出。比如CMOS圖像傳感器比CCD使用更少的功率且擁有更快的數據傳輸速度，這也是越來(lái)越多的數碼相機開(kāi)始采用CMOS圖像傳感器的重要原因。

 

雖說(shuō)CCD與CMOS圖像傳感器的工作原理都是將光轉換成電子，但二者采用的技術(shù)略有不同。CMOS圖像傳感器由數百萬(wàn)個(gè)像素傳感器組成，每個(gè)像素傳感器包括一個(gè)光電探測器。當光線(xiàn)通過(guò)鏡頭進(jìn)入相機時(shí)，就會(huì )照射到CMOS圖像傳感器，而每個(gè)光電探測器會(huì )根據照射到它的光線(xiàn)量積累電荷，然后數碼相機將電荷轉換為數字讀數，從而確定每個(gè)光電探測器上測量的光強度以及顏色。相應的軟件再將這些讀數轉換為單獨的像素，這些像素合在一起顯示時(shí)就構成了照片。CCD器件則是由大量獨立的感光二極管組成，從功能上說(shuō)，CCD感光元件在某種程度上相當于傳統相機的膠卷。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的畫(huà)面分辨率也就越高。

 

由于制造和技術(shù)上的差異，CCD和CMOS圖像傳感器之間存在著(zhù)一些明顯的差異。

 

在工藝上：由于CCD使用了一種特殊的制造工藝來(lái)傳輸電荷而不失真，因此它能生成高質(zhì)量、低噪聲圖像。CMOS傳感器則不然，它更容易受到噪聲的影響，這是因為CMOS圖像傳感器上的每個(gè)像素上都有幾個(gè)晶體管，因此CMOS芯片的光靈敏度往往較低。不過(guò)CMOS的實(shí)現方法更靈活，每個(gè)像素可以單獨讀取。

 

在功耗上：顧名思義，CMOS圖像傳感器采用標準CMOS工藝制造，它允許我們將傳感器與成像系統所需的其他模擬和數字電路集成。這種集成解決方案能顯著(zhù)降低器件的功耗同時(shí)提高讀出速度。反觀(guān)CCD，目前其功耗相當于CMOS傳感器的100倍。

 

在成本上：CMOS芯片可以在任何標準的硅生產(chǎn)線(xiàn)上制造，因此它們往往比CCD傳感器便宜得多。但因CCD傳感器已經(jīng)大量生產(chǎn)了較長(cháng)的時(shí)間，產(chǎn)品相對更加成熟，制造成本也有大幅度的降低。

 

基于上述分析我們可以看出，CCD更適合用于對圖像質(zhì)量有較高要求的應用，它能提供出色的感光度。傳統上，CMOS傳感器往往具有較低的質(zhì)量、較低的分辨率和較低的靈敏度。隨著(zhù)CMOS圖像傳感器性能的不斷提高，在某些應用中已接近CCD的水平。此外，CMOS圖像傳感器的低功耗小尺寸還使得“芯片相機”成為可能，符合相機小型化的趨勢。芯片相機的崛起為車(chē)載、軍工航天、醫療、工業(yè)制造、移動(dòng)、攝影、安防等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng )新提供了新機遇。

 

CMOS圖像傳感器在多領(lǐng)域的應用

 

據Yole的分析數據，2017年，CMOS圖像傳感器開(kāi)始進(jìn)入高增長(cháng)階段，同比增長(cháng)達到20%。2018年，全球市場(chǎng)規模約155億美元，2019年同比增長(cháng)10%，達到170億美元。目前，CMOS圖像傳感器市場(chǎng)正處于穩定增長(cháng)期，預計2024年市場(chǎng)逐漸趨于飽和，市場(chǎng)規模升至240億美元。

 

圖1：CMOS圖像傳感器全球市場(chǎng)規模

（圖源：Yole，西南證券）

 

根據IC Insights最新發(fā)布的《2021年O-S-D報告——光電子、傳感器/致動(dòng)器和分立器件的市場(chǎng)分析和預測》，CMOS圖像傳感器的銷(xiāo)售額將在2021年重新獲得強勁的高增長(cháng)勢頭，增長(cháng)19%，達到228億美元，這將是自2010年以來(lái)全球銷(xiāo)售額連續第10次創(chuàng )下歷史新高。在2020-2025年的五年預測期，CMOS圖像傳感器的銷(xiāo)售額將以12.0%的復合年增長(cháng)率（CAGR）增長(cháng)，2025年達到336億美元。CMOS圖像傳感器的總出貨量也將以14.9%的CAGR增長(cháng)，2025年達到135億只，而2020年為67億只。5G智能手機、機器視覺(jué)和更多嵌入式攝像頭的應用是CMOS圖像傳感器銷(xiāo)售額屢創(chuàng )新高的重要推手。

 

圖2：CMOS圖像傳感器的銷(xiāo)售額將在2021年重新步入高增長(cháng)通道

（圖源：IC Insights）

 

兩家機構的市場(chǎng)預估數據雖有差異，但總體來(lái)看，CMOS圖像傳感器已經(jīng)處于市場(chǎng)較快發(fā)展階段，應用前景可期。

 

車(chē)載系統

 

車(chē)載領(lǐng)域的CMOS圖像傳感器應用包括后視攝像（RVC）、全方位視圖系統（SVS）、攝像機監控系統（CMS）、FV/MV、DMS/IMS（駕駛員監控系統/）系統。其中，汽車(chē)圖像傳感器全球銷(xiāo)量呈逐年增長(cháng)趨勢。RVC是銷(xiāo)量主力軍，呈穩定增長(cháng)趨勢，2016年全球銷(xiāo)量為5100萬(wàn)臺，2018年為6000萬(wàn)臺，2019年預計達到6500萬(wàn)臺。FV/MV全球銷(xiāo)量增長(cháng)迅速，2016年為1000萬(wàn)臺，2018年為3000萬(wàn)臺，此后，預計FV/MV將依舊保持迅速增長(cháng)趨勢，預計2019年銷(xiāo)量可達4000萬(wàn)臺，2021可達7500萬(wàn)臺，直逼RVC全球銷(xiāo)量。

 

圖3：汽車(chē)圖像傳感器全球市場(chǎng)情況

（圖源：OmniVision）

 

目前，車(chē)載攝像頭已經(jīng)成為中高端車(chē)型的標配，主要應用于倒車(chē)影像系統。在高級駕駛輔助系統(ADAS)中，攝像頭和CMOS圖像傳感器是其核心組件。若要實(shí)現自動(dòng)緊急剎車(chē)(AEB)、自適應巡航(ACC)、疲勞監測、車(chē)道偏離輔助、360°環(huán)視等功能，每輛車(chē)將需要配置6-8個(gè)攝像頭和傳感器。IC Insights的報告顯示，汽車(chē)系統是未來(lái)五年CMOS圖像傳感器中增長(cháng)最快的應用，2025年銷(xiāo)售額將以33.8%的復合年增長(cháng)率增長(cháng)，達到51億美元。

 

安森美半導體是全球CMOS圖像傳感器的主要供應商之一，其圖像傳感器產(chǎn)品覆蓋了從VGA到5,010萬(wàn)像素的分辨率，從1 fps到815 fps的幀速率，從1/13英寸到645中等格式的光學(xué)格式，卷簾快門(mén)到全局快門(mén)的圖像性能，以及多種接口和封裝類(lèi)型。在汽車(chē)圖像傳感器領(lǐng)域，安森美是唯一擁有全系列CMOS圖像傳感器產(chǎn)品的企業(yè)。憑借這一優(yōu)勢，近年來(lái)安森美一直居于汽車(chē)圖像傳感器市場(chǎng)的首位，在2018年，市場(chǎng)占比超過(guò)50%。從安森美公開(kāi)的數據可以看到，截至2019年，該公司應用于輔助駕駛的圖像傳感器AR0132AT的出貨量已突破1億顆。

 

智能手機

 

截至目前，智能手機仍是CMOS圖像傳感器最大的終端應用。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的智能手機開(kāi)始注重拍照的硬件升級，如今1/1.7英寸級的CMOS圖像傳感器已成智能手機攝像頭傳感器的新選擇。與此同時(shí)，更多的智能手機開(kāi)始用上1/2.3英寸級的CMOS圖像傳感器。智能手機攝像頭數量的增加，進(jìn)一步帶動(dòng)了CMOS圖像傳感器用量的提升。Yole的統計數據顯示，平均每部智能手機CMOS圖像傳感器數量在2024年將達到3.4個(gè)，年復合增長(cháng)率達到6.2%。接下來(lái)的幾年，智能手機行業(yè)對CMOS圖像傳感器的需求仍將保持較為穩健的增長(cháng)。

 

圖4：2017--2024年手機攝像頭增長(cháng)預測

（圖源：Yole，西南證券）

 

CMOS圖像傳感器市場(chǎng)雖一路看漲，但各廠(chǎng)商之間的競爭絲毫未見(jiàn)松懈。根據分析機構Canalys發(fā)布的市場(chǎng)數據，今年第一季度全球智能手機CMOS圖像傳感器出貨量為14.3億顆，同比增長(cháng)11%。其中，索尼公司的出貨量為2.5億顆，同比減少約27.5%。在CMOS圖像傳感器市場(chǎng)，索尼的整體市占率也從50%大幅下滑至35%，而此前一直居于市場(chǎng)第二位的三星公司始終保持著(zhù)較高的出貨量，現與索尼一起并列市場(chǎng)第一。緊隨其后的是豪威科技（OmniVision）和格科微兩家公司，市場(chǎng)占比分別為15%和10%。

 

安防市場(chǎng)

 

物聯(lián)網(wǎng)的出現，使得具有視頻分析功能的智能安防監控攝像頭開(kāi)始大規模部署。全球安防攝像機市場(chǎng)銷(xiāo)量在2015年約為28萬(wàn)件，其中監視攝像機約8萬(wàn)件，安保系統攝像機約20萬(wàn)件。預計到2021年安防攝像機市場(chǎng)銷(xiāo)量約64萬(wàn)件，其中監視攝像機約22萬(wàn)件，年均復合增長(cháng)率為18%，安保系統攝像機約42萬(wàn)個(gè)，年均復合增長(cháng)率約13%。據IC Insights預測，全球安防監控領(lǐng)域CMOS傳感器在2020年的需求量有望達到9.12億美元，復合增長(cháng)率為36%。

 

早在2019年6月豪威科技就發(fā)布了2.9微米級OS04A10圖像傳感器，該產(chǎn)品配置了其業(yè)界領(lǐng)先的Nyxel近紅外（NIR）和超低光技術(shù)，將分辨率提高到了400萬(wàn)像素。Nyxel技術(shù)能顯著(zhù)提升圖像傳感器在850nm和940nm波長(cháng)的感光性能。其中，在850nm波長(cháng)處感光性提升了3倍至60%的量子效率，在940nm處則提升了5倍至40%的量子效率。對于監視系統而言，這種性能的提升可以減少攝像機鏡頭周?chē)腎R LED數量，節省了成本和功耗。

 

已被安森美收購的Aptina公司，其圖像傳感器產(chǎn)品在安防領(lǐng)域頗具影響力，它推出的具有寬動(dòng)態(tài)范圍、支持3D攝像頭和弱光環(huán)境下高靈敏度的AR0331高清監控圖像傳感器，率先達到了在線(xiàn)性模式和多重曝光寬動(dòng)態(tài)范圍兩種模式下1080p分辨率、60fps幀率的性能。該芯片采用了1/3英寸光學(xué)格式，能在光照度低于1lux（1流明/平方米）的弱光環(huán)境中工作。除了寬動(dòng)態(tài)范圍，AR0331還帶有內置自適應區域色調映射功能。此外，AR0331圖像傳感器中新增了3D立體攝像技術(shù)，能使多個(gè)攝像機同步工作。

 

圖5：帶有AR0331圖像傳感器的3MP WDR堆疊攝像頭模塊

（圖源：網(wǎng)絡(luò )）

 

醫療影像

 

醫療成像設備行業(yè)是一個(gè)潛力巨大的市場(chǎng)。2016年，醫療傳感器市場(chǎng)規模約3.5億美元，預計到2022年將達6億美元。CMOS圖像傳感器憑借其以更小的像素尺寸獲得更高分辨率、低噪聲水平、低成本等方面的優(yōu)勢，在醫療影像領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用。目前，CMOS圖像傳感器主要應用于X-Ray以及內窺鏡領(lǐng)域。2018年，CMOS X-Ray成像設備市場(chǎng)的收入為2.45億美元，預計到2024年將增長(cháng)至5.1億美元，年復合增長(cháng)率13%。

 

CMOS圖像傳感器的小型化是其應用于醫療設備的關(guān)鍵，特別是對柔性視頻內窺鏡這樣的應用，比如喉鏡、支氣管鏡、關(guān)節鏡、膀胱鏡和宮腔鏡等，CMOS電子內窺鏡可得到高清晰度圖像，有利于醫生對病變的診斷。

 

豪威科技的CameraCubeChip產(chǎn)品是一種采用先進(jìn)的芯片級封裝技術(shù)整合集成晶圓級光學(xué)器件和CMOS圖像傳感器的創(chuàng )新解決方案。該產(chǎn)品能提供圖像傳感、處理和單芯片輸出的全部功能。豪威OVM6946和OVM6948兩款CMOS圖像傳感器產(chǎn)品的尺寸僅為0.9mm×0.9mm和0.5mm×0.5mm，據此生產(chǎn)的攝像頭大小也僅有1mm×1mm和0.6mm×0.6mm。

 

豪威科技最新發(fā)布的新一代OH08A和OH08B CMOS圖像傳感器，是業(yè)界首款用于一次性和可重復使用內窺鏡的800萬(wàn)像素分辨率的醫療級圖像傳感器。其中，OH08A圖像傳感器采用的是豪威科技下一代PureCel Plus-S晶片堆疊技術(shù)，在盡可能小的芯片尺寸中實(shí)現了高性能。OH08B則是一款尺寸稍大，但性能更高的產(chǎn)品，它采用了豪威科技Nyxel技術(shù)，可在彩色和紅外成像方面提供較高圖像質(zhì)量。

 

圖6：豪威科技新一代OH08ACMOS圖像傳感器

（圖源：網(wǎng)絡(luò )）

 

結語(yǔ)

 

CMOS圖像傳感器最重要的優(yōu)點(diǎn)是可以將傳感器與成像系統所需的其他模擬和數字電路集成在一起，模塊尺寸可以做的非常小，功耗也顯著(zhù)下降。

 

近年來(lái)，CMOS的片內降噪能力穩步提高，進(jìn)一步提高了CMOS圖像傳感器在微光下的性能。在成本上，雖然CCD圖像傳感器的制造成本比過(guò)去有一定程度的降低，但CMOS圖像傳感器的制造成本也在持續下降中，價(jià)格上的競爭優(yōu)勢始終得以保持。

 

眾所周知，智能手機、汽車(chē)、安防，是CMOS圖像傳感器的三大主力應用市場(chǎng)。最近幾年，在技術(shù)的加持下，CMOS圖像傳感器的尺寸不斷縮小，性能也有了大幅的提高，這些改變?yōu)镃MOS圖像傳感器進(jìn)軍醫療影像市場(chǎng)打下了堅實(shí)的基礎。而醫療影像市場(chǎng)亦將成為CMOS圖像傳感器大力拓展的第四戰場(chǎng)，產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的新引擎。

 

來(lái)源：貿澤電子

 

 

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