图像传感器

 

图像传感器是数字成像系统的主要组成部分,对整个系统的性能有很大的影响,主要有电荷耦合器件(CCD)和CMOS图像传感器(CIS)两种类型。近年来,随着价格的下降,数码相机变得极为普遍。其中,价格下跌背后的重要驱动力就是CMOS图像传感器的引入,因为CMOS传感器的制造成本要比此前广泛应用的CCD传感器低得多。

 

CMOS图像传感器与CCD的多角度对比

CCD是数码相机中较早使用的一种图像传感器。在数码相机出现的早期,因电池普遍比较大,CCD的高功耗并不是一个大问题。由于数码相机体积不断缩小,使用的电池也越来越小,CCD高功耗的缺点便暴露出来,此时低功耗小体积的CMOS图像传感器就成为更好的选择。随着图像传感器记录的像素数量不断增加,CMOS图像传感器的优势愈加突出。比如CMOS图像传感器比CCD使用更少的功率且拥有更快的数据传输速度,这也是越来越多的数码相机开始采用CMOS图像传感器的重要原因。虽说CCD与CMOS图像传感器的工作原理都是将光转换成电子,但二者采用的技术略有不同。CMOS图像传感器由数百万个像素传感器组成,每个像素传感器包括一个光电探测器。

 

当光线通过镜头进入相机时,就会照射到CMOS图像传感器,而每个光电探测器会根据照射到它的光线量积累电荷,然后数码相机将电荷转换为数字读数,从而确定每个光电探测器上测量的光强度以及颜色。相应的软件再将这些读数转换为单独的像素,这些像素合在一起显示时就构成了照片。CCD器件则是由大量独立的感光二极管组成,从功能上说,CCD感光元件在某种程度上相当于传统相机的胶卷。一块CCD上包含的像素数越多,其提供的画面分辨率也就越高。

 

由于制造和技术上的差异,CCD和CMOS图像传感器之间存在着一些明显的差异。

 

在工艺上:由于CCD使用了一种特殊的制造工艺来传输电荷而不失真,因此它能生成高质量、低噪声图像。CMOS传感器则不然,它更容易受到噪声的影响,这是因为CMOS图像传感器上的每个像素上都有几个晶体管,因此CMOS芯片的光灵敏度往往较低。不过CMOS的实现方法更灵活,每个像素可以单独读取。

 

在功耗上:顾名思义,CMOS图像传感器采用标准CMOS工艺制造,它允许我们将传感器与成像系统所需的其他模拟和数字电路集成。这种集成解决方案能显著降低器件的功耗同时提高读出速度。反观CCD,目前其功耗相当于CMOS传感器的100倍。

 

在成本上:CMOS芯片可以在任何标准的硅生产线上制造,因此它们往往比CCD传感器便宜得多。但因CCD传感器已经大量生产了较长的时间,产品相对更加成熟,制造成本也有大幅度的降低。

 

基于上述分析我们可以看出,CCD更适合用于对图像质量有较高要求的应用,它能提供出色的感光度。传统上,CMOS传感器往往具有较低的质量、较低的分辨率和较低的灵敏度。随着CMOS图像传感器性能的不断提高,在某些应用中已接近CCD的水平。此外,CMOS图像传感器的低功耗小尺寸还使得“芯片相机”成为可能,符合相机小型化的趋势。芯片相机的崛起为车载、军工航天、医疗、工业制造、移动、摄影、安防等领域的技术创新提供了新机遇。

 

CMOS图像传感器在多领域的应用

据Yole的分析数据,2017年,CMOS图像传感器开始进入高增长阶段,同比增长达到20%。2018年,全球市场规模约155亿美元,2019年同比增长10%,达到170亿美元。目前,CMOS图像传感器市场正处于稳定增长期,预计2024年市场逐渐趋于饱和,市场规模升至240亿美元。

 

图1:CMOS图像传感器全球市场规模
(图源:Yole,西南证券)

 

根据IC Insights最新发布的《2021年O-S-D报告——光电子、传感器/致动器和分立器件的市场分析和预测》,CMOS图像传感器的销售额将在2021年重新获得强劲的高增长势头,增长19%,达到228亿美元,这将是自2010年以来全球销售额连续第10次创下历史新高。在2020-2025年的五年预测期,CMOS图像传感器的销售额将以12.0%的复合年增长率(CAGR)增长,2025年达到336亿美元。CMOS图像传感器的总出货量也将以14.9%的CAGR增长,2025年达到135亿只,而2020年为67亿只。5G智能手机、机器视觉和更多嵌入式摄像头的应用是CMOS图像传感器销售额屡创新高的重要推手。

 

图2:CMOS图像传感器的销售额将在2021年重新步入高增长通道
(图源:IC Insights)两家机构的市场预估数据虽有差异,但总体来看,CMOS图像传感器已经处于市场较快发展阶段,应用前景可期。

 

车载系统

车载领域的CMOS图像传感器应用包括后视摄像(RVC)、全方位视图系统(SVS)、摄像机监控系统(CMS)、FV/MV、DMS/IMS(驾驶员监控系统/)系统。其中,汽车图像传感器全球销量呈逐年增长趋势。RVC是销量主力军,呈稳定增长趋势,2016年全球销量为5100万台,2018年为6000万台,2019年预计达到6500万台。FV/MV全球销量增长迅速,2016年为1000万台,2018年为3000万台,此后,预计FV/MV将依旧保持迅速增长趋势,预计2019年销量可达4000万台,2021可达7500万台,直逼RVC全球销量。

 

 

图3:汽车图像传感器全球市场情况
(图源:OmniVision)

 

目前,车载摄像头已经成为中高端车型的标配,主要应用于倒车影像系统。在高级驾驶辅助系统(ADAS)中,摄像头和CMOS图像传感器是其核心组件。若要实现自动紧急刹车(AEB)、自适应巡航(ACC)、疲劳监测、车道偏离辅助、360°环视等功能,每辆车将需要配置6-8个摄像头和传感器。IC Insights的报告显示,汽车系统是未来五年CMOS图像传感器中增长最快的应用,2025年销售额将以33.8%的复合年增长率增长,达到51亿美元。

 

安森美半导体是全球CMOS图像传感器的主要供应商之一,其图像传感器产品覆盖了从VGA到5,010万像素的分辨率,从1 fps到815 fps的帧速率,从1/13英寸到645中等格式的光学格式,卷帘快门到全局快门的图像性能,以及多种接口和封装类型。在汽车图像传感器领域,安森美是唯一拥有全系列CMOS图像传感器产品的企业。凭借这一优势,近年来安森美一直居于汽车图像传感器市场的首位,在2018年,市场占比超过50%。从安森美公开的数据可以看到,截至2019年,该公司应用于辅助驾驶的图像传感器AR0132AT的出货量已突破1亿颗。

 

智能手机

截至目前,智能手机仍是CMOS图像传感器最大的终端应用。随着技术的发展,越来越多的智能手机开始注重拍照的硬件升级,如今1/1.7英寸级的CMOS图像传感器已成智能手机摄像头传感器的新选择。与此同时,更多的智能手机开始用上1/2.3英寸级的CMOS图像传感器。智能手机摄像头数量的增加,进一步带动了CMOS图像传感器用量的提升。Yole的统计数据显示,平均每部智能手机CMOS图像传感器数量在2024年将达到3.4个,年复合增长率达到6.2%。接下来的几年,智能手机行业对CMOS图像传感器的需求仍将保持较为稳健的增长。

 

图4:2017--2024年手机摄像头增长预测
(图源:Yole,西南证券)

 

CMOS图像传感器市场虽一路看涨,但各厂商之间的竞争丝毫未见松懈。根据分析机构Canalys发布的市场数据,今年第一季度全球智能手机CMOS图像传感器出货量为14.3亿颗,同比增长11%。其中,索尼公司的出货量为2.5亿颗,同比减少约27.5%。在CMOS图像传感器市场,索尼的整体市占率也从50%大幅下滑至35%,而此前一直居于市场第二位的三星公司始终保持着较高的出货量,现与索尼一起并列市场第一。紧随其后的是豪威科技(OmniVision)和格科微两家公司,市场占比分别为15%和10%。

 

安防市场

物联网的出现,使得具有视频分析功能的智能安防监控摄像头开始大规模部署。全球安防摄像机市场销量在2015年约为28万件,其中监视摄像机约8万件,安保系统摄像机约20万件。预计到2021年安防摄像机市场销量约64万件,其中监视摄像机约22万件,年均复合增长率为18%,安保系统摄像机约42万个,年均复合增长率约13%。据IC Insights预测,全球安防监控领域CMOS传感器在2020年的需求量有望达到9.12亿美元,复合增长率为36%。

 

早在2019年6月豪威科技就发布了2.9微米级OS04A10图像传感器,该产品配置了其业界领先的Nyxel近红外(NIR)和超低光技术,将分辨率提高到了400万像素。Nyxel技术能显著提升图像传感器在850nm和940nm波长的感光性能。其中,在850nm波长处感光性提升了3倍至60%的量子效率,在940nm处则提升了5倍至40%的量子效率。对于监视系统而言,这种性能的提升可以减少摄像机镜头周围的IR LED数量,节省了成本和功耗。已被安森美收购的Aptina公司,其图像传感器产品在安防领域颇具影响力,它推出的具有宽动态范围、支持3D摄像头和弱光环境下高灵敏度的AR0331高清监控图像传感器,率先达到了在线性模式和多重曝光宽动态范围两种模式下1080p分辨率、60fps帧率的性能。该芯片采用了1/3英寸光学格式,能在光照度低于1lux(1流明/平方米)的弱光环境中工作。除了宽动态范围,AR0331还带有内置自适应区域色调映射功能。此外,AR0331图像传感器中新增了3D立体摄像技术,能使多个摄像机同步工作。

 

 

图5:带有AR0331图像传感器的3MP WDR堆叠摄像头模块
(图源:网络)

 

医疗影像

医疗成像设备行业是一个潜力巨大的市场。2016年,医疗传感器市场规模约3.5亿美元,预计到2022年将达6亿美元。CMOS图像传感器凭借其以更小的像素尺寸获得更高分辨率、低噪声水平、低成本等方面的优势,在医疗影像领域得到越来越广泛的应用。目前,CMOS图像传感器主要应用于X-Ray以及内窥镜领域。2018年,CMOS X-Ray成像设备市场的收入为2.45亿美元,预计到2024年将增长至5.1亿美元,年复合增长率13%。

 

CMOS图像传感器的小型化是其应用于医疗设备的关键,特别是对柔性视频内窥镜这样的应用,比如喉镜、支气管镜、关节镜、膀胱镜和宫腔镜等,CMOS电子内窥镜可得到高清晰度图像,有利于医生对病变的诊断。豪威科技的CameraCubeChip产品是一种采用先进的芯片级封装技术整合集成晶圆级光学器件和CMOS图像传感器的创新解决方案。该产品能提供图像传感、处理和单芯片输出的全部功能。豪威OVM6946和OVM6948两款CMOS图像传感器产品的尺寸仅为0.9mm×0.9mm和0.5mm×0.5mm,据此生产的摄像头大小也仅有1mm×1mm和0.6mm×0.6mm。豪威科技最新发布的新一代OH08A和OH08B CMOS图像传感器,是业界首款用于一次性和可重复使用内窥镜的800万像素分辨率的医疗级图像传感器。其中,OH08A图像传感器采用的是豪威科技下一代PureCel Plus-S晶片堆叠技术,在尽可能小的芯片尺寸中实现了高性能。OH08B则是一款尺寸稍大,但性能更高的产品,它采用了豪威科技Nyxel技术,可在彩色和红外成像方面提供较高图像质量。

 

图6:豪威科技新一代OH08ACMOS图像传感器
(图源:网络)

 

结语

CMOS图像传感器最重要的优点是可以将传感器与成像系统所需的其他模拟和数字电路集成在一起,模块尺寸可以做的非常小,功耗也显著下降。近年来,CMOS的片内降噪能力稳步提高,进一步提高了CMOS图像传感器在微光下的性能。在成本上,虽然CCD图像传感器的制造成本比过去有一定程度的降低,但CMOS图像传感器的制造成本也在持续下降中,价格上的竞争优势始终得以保持。

 

众所周知,智能手机、汽车、安防,是CMOS图像传感器的三大主力应用市场。最近几年,在技术的加持下,CMOS图像传感器的尺寸不断缩小,性能也有了大幅的提高,这些改变为CMOS图像传感器进军医疗影像市场打下了坚实的基础。而医疗影像市场亦将成为CMOS图像传感器大力拓展的第四战场,产业快速发展的新引擎。

 

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