【導讀】圖像傳感器是數字成像系統的主要組成部分，對整個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）兩種類型。近年來，隨著價格的下降，數碼相機變得極為普遍。其中，價格下跌背后的重要驅動力就是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。
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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）兩種類型。近年來，隨著價格的下降，數碼相機變得極為普遍。其中，價格下跌背后的重要驅動力就是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大問題。由于數碼相機體積不斷縮小，使用的電池也越來越小，CCD高功耗的缺點便暴露出來，此時低功耗小體積的CMOS圖像傳感器就成為更好的選擇。隨著圖像傳感器記錄的像素數量不斷增加，CMOS圖像傳感器的優勢愈加突出。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，這也是越來越多的數碼相機開始采用CMOS圖像傳感器的重要原因。
雖說CCD與CMOS圖像傳感器的工作原理都是將光轉換成電子，但二者采用的技術略有不同。CMOS圖像傳感器由數百萬個像素傳感器組成，每個像素傳感器包括一個光電探測器。當光線通過鏡頭進入相機時，就會照射到CMOS圖像傳感器，而每個光電探測器會根據照射到它的光線量積累電荷，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，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，其提供的畫面分辨率也就越高。
由于制造和技術上的差異，CCD和CMOS圖像傳感器之間存在著一些明顯的差異。
在工藝上：由于CCD使用了一種特殊的制造工藝來傳輸電荷而不失真，因此它能生成高質量、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像素上都有幾個晶體管，因此CMOS芯片的光靈敏度往往較低。不過CMOS的實現方法更靈活，每個像素可以單獨讀取。
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降低器件的功耗同時提高讀出速度。反觀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線上制造，因此它們往往比CCD傳感器便宜得多。但因CCD傳感器已經大量生產了較長的時間，產品相對更加成熟，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量、較低的分辨率和較低的靈敏度。隨著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載、軍工航天、醫療、工業制造、移動、攝影、安防等領域的技術創新提供了新機遇。
CMOS圖像傳感器在多領域的應用
據Yole的分析數據，2017年，CMOS圖像傳感器開始進入高增長階段，同比增長達到20%。2018年，全球市場規模約155億美元，2019年同比增長10%，達到170億美元。目前，CMOS圖像傳感器市場正處于穩定增長期，預計2024年市場逐漸趨于飽和，市場規模升至240億美元。
圖1：CMOS圖像傳感器全球市場規模
（圖源：Yole，西南證券）
根據IC Insights最新發布的《2021年O-S-D報告——光電子、傳感器/致動器和分立器件的市場分析和預測》，CMOS圖像傳感器的銷售額將在2021年重新獲得強勁的高增長勢頭，增長19%，達到228億美元，這將是自2010年以來全球銷售額連續第10次創下歷史新高。在2020-2025年的五年預測期，CMOS圖像傳感器的銷售額將以12.0%的復合年增長率（CAGR）增長，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，2025年達到135億只，而2020年為67億只。5G智能手機、機器視覺和更多嵌入式攝像頭的應用是CMOS圖像傳感器銷售額屢創新高的重要推手。
圖2：CMOS圖像傳感器的銷售額將在2021年重新步入高增長通道
（圖源：IC Insights）
兩家機構的市場預估數據雖有差異，但總體來看，CMOS圖像傳感器已經處于市場較快發展階段，應用前景可期。
車載系統
車載領域的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，汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。RVC是銷量主力軍，呈穩定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺，2018年為6000萬臺，2019年預計達到6500萬臺。FV/MV全球銷量增長迅速，2016年為1000萬臺，2018年為3000萬臺，此后，預計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，預計2019年銷量可達4000萬臺，2021可達7500萬臺，直逼RVC全球銷量。
圖3：汽車圖像傳感器全球市場情況
（圖源：OmniVision）
目前，車載攝像頭已經成為中高端車型的標配，主要應用于倒車影像系統。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。若要實現自動緊急剎車(AEB)、自適應巡航(ACC)、疲勞監測、車道偏離輔助、360°環視等功能，每輛車將需要配置6-8個攝像頭和傳感器。IC Insights的報告顯示，汽車系統是未來五年CMOS圖像傳感器中增長最快的應用，2025年銷售額將以33.8%的復合年增長率增長，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，其圖像傳感器產品覆蓋了從VGA到5,010萬像素的分辨率，從1 fps到815 fps的幀速率，從1/13英寸到645中等格式的光學格式，卷簾快門到全局快門的圖像性能，以及多種接口和封裝類型。在汽車圖像傳感器領域，安森美是唯一擁有全系列CMOS圖像傳感器產品的企業。憑借這一優勢，近年來安森美一直居于汽車圖像傳感器市場的首位，在2018年，市場占比超過50%。從安森美公開的數據可以看到，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。隨著技術的發展，越來越多的智能手機開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，更多的智能手機開始用上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，進一步帶動了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，年復合增長率達到6.2%。接下來的幾年，智能手機行業對CMOS圖像傳感器的需求仍將保持較為穩健的增長。
圖4：2017--2024年手機攝像頭增長預測
（圖源：Yole，西南證券）
CMOS圖像傳感器市場雖一路看漲，但各廠商之間的競爭絲毫未見松懈。根據分析機構Canalys發布的市場數據，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，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第二位的三星公司始終保持著較高的出貨量，現與索尼一起并列市場第一。緊隨其后的是豪威科技（OmniVision）和格科微兩家公司，市場占比分別為15%和10%。
安防市場
物聯網的出現，使得具有視頻分析功能的智能安防監控攝像頭開始大規模部署。全球安防攝像機市場銷量在2015年約為28萬件，其中監視攝像機約8萬件，安保系統攝像機約20萬件。預計到2021年安防攝像機市場銷量約64萬件，其中監視攝像機約22萬件，年均復合增長率為18%，安保系統攝像機約42萬個，年均復合增長率約13%。據IC Insights預測，全球安防監控領域CMOS傳感器在2020年的需求量有望達到9.12億美元，復合增長率為36%。
早在2019年6月豪威科技就發布了2.9微米級OS04A10圖像傳感器，該產品配置了其業界領先的Nyxel近紅外（NIR）和超低光技術，將分辨率提高到了400萬像素。Nyxel技術能顯著提升圖像傳感器在850nm和940nm波長的感光性能。其中，在850nm波長處感光性提升了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圍的IR LED數量，節省了成本和功耗。
已被安森美收購的Aptina公司，其圖像傳感器產品在安防領域頗具影響力，它推出的具有寬動態范圍、支持3D攝像頭和弱光環境下高靈敏度的AR0331高清監控圖像傳感器，率先達到了在線性模式和多重曝光寬動態范圍兩種模式下1080p分辨率、60fps幀率的性能。該芯片采用了1/3英寸光學格式，能在光照度低于1lux（1流明/平方米）的弱光環境中工作。除了寬動態范圍，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，能使多個攝像機同步工作。
圖5：帶有AR0331圖像傳感器的3MP WDR堆疊攝像頭模塊
（圖源：網絡）
醫療影像
醫療成像設備行業是一個潛力巨大的市場。2016年，醫療傳感器市場規模約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、低成本等方面的優勢，在醫療影像領域得到越來越廣泛的應用。目前，CMOS圖像傳感器主要應用于X-Ray以及內窺鏡領域。2018年，CMOS X-Ray成像設備市場的收入為2.45億美元，預計到2024年將增長至5.1億美元，年復合增長率13%。
CMOS圖像傳感器的小型化是其應用于醫療設備的關鍵，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產品是一種采用先進的芯片級封裝技術整合集成晶圓級光學器件和CMOS圖像傳感器的創新解決方案。該產品能提供圖像傳感、處理和單芯片輸出的全部功能。豪威OVM6946和OVM6948兩款CMOS圖像傳感器產品的尺寸僅為0.9mm×0.9mm和0.5mm×0.5mm，據此生產的攝像頭大小也僅有1mm×1mm和0.6mm×0.6mm。
豪威科技最新發布的新一代OH08A和OH08B CMOS圖像傳感器，是業界首款用于一次性和可重復使用內窺鏡的800萬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，在盡可能小的芯片尺寸中實現了高性能。OH08B則是一款尺寸稍大，但性能更高的產品，它采用了豪威科技Nyxel技術，可在彩色和紅外成像方面提供較高圖像質量。
圖6：豪威科技新一代OH08ACMOS圖像傳感器
（圖源：網絡）
結語
CMOS圖像傳感器最重要的優點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，功耗也顯著下降。
近年來，CMOS的片內降噪能力穩步提高，進一步提高了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，價格上的競爭優勢始終得以保持。
眾所周知，智能手機、汽車、安防，是CMOS圖像傳感器的三大主力應用市場。最近幾年，在技術的加持下，CMOS圖像傳感器的尺寸不斷縮小，性能也有了大幅的提高，這些改變為CMOS圖像傳感器進軍醫療影像市場打下了堅實的基礎。而醫療影像市場亦將成為CMOS圖像傳感器大力拓展的第四戰場，產業快速發展的新引擎。
來源：貿澤電子
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