發布日期：2022-10-09 點擊率：214
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來源：轉載自公眾號「馭勢資本」，謝謝
1873年，科學家約瑟·美(Joseph May)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發現了硒元素結晶體感光后能產生電流，由此，電子影像發展開始，隨著技術演進，圖像傳感器性能逐步提升。
1.20世紀50年代——光學倍增管(Photo Multiplier Tube，簡稱PMT)出現。
2.1965年-1970年，IBM、Fairchild等企業開發光電以及雙極二極管陣列。
3.1970年，CCD圖像傳感器在Bell實驗室發明，依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等性能，成為圖像傳感器市場的主導。
4.90年代末，步入CMOS時代。
圖像傳感器的歷史沿革——PMT
1.光電倍增管（簡稱光電倍增管或PMT），真空光電管的一種。工作原理是：由光電效應引起，在PMT入射窗處撞擊光電陰極的光子產生電子，然后由高壓場加速，并在二次加工過程中在倍增電極鏈中倍增發射。
2.光電倍增管是一種極其靈敏的光檢測器，可探測電磁波譜紫外，可見和近紅外范圍內光源，提供與光強度成比例的電流輸出，廣泛應用于驗血，醫學成像，電影膠片掃描（電視電影），雷達干擾和高端圖像掃描儀鼓掃描儀中。
圖像傳感器的歷史沿革——CCD
1.數字成像始于1969年，由Willard Boyle和George E. Smith于AT＆T貝爾實驗室發明。
2.最初致力于內存→“充電'氣泡'設備”，可以被用作移位寄存器和區域成像設備。
3.CCD是電子設備，CCD在硅芯片（IC）中進行光信號與電信號之間的轉換，從而實現數字化，并存儲 為計算機上的圖像文件。
4.2009年， Willard Boyle和George E. Smith獲得諾貝爾物理學獎。
國際空間站使用CCD相機
1.1997年，卡西尼國際空間站使用CCD相機（廣角和窄角）
2.美國宇航局局長丹尼爾戈爾丁稱贊CCD相機“更快，更好，更便宜”；聲稱在未來的航天器上減少質量，功率，成本，都需要小型化相機。而電子集成便是小型化的良好途徑，而基于MOS的圖像傳感器便擁有無源像素和有源像素（3T）的配置。
圖像傳感器的歷史沿革——CMOS圖像傳感器
1.CMOS圖像傳感器使得“芯片相機”成為可能，相機小型化趨勢明顯。
2.2007年，Siimpel AF相機模型的出現標志著相機小型化重大突破。
3.芯片相機的崛起為多個領域（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圖像傳感器走向商業化
1.1995年2月，Photobit公司成立，將CMOS圖像傳感器技術實現商業化。
2.1995-2001年間，Photobit增長到約135人，主要包括：私營企業自籌資金的定制設計合同、SBIR計劃的重要支持（NASA/DoD）、戰略業務合作伙伴的投資，這期間共提交了100多項新專利申請。
3.CMOS圖像傳感器經商業化后，發展迅猛，應用前景廣闊，逐步取代CCD成為新潮流。
CMOS圖像傳感器的廣泛應用
2001年11月，Photobit被美光科技公司收購并獲得許可回歸加州理工學院。與此同時，到2001年，已有數十家競爭對手嶄露頭角，例如Toshiba，STMicro，Omnivision，CMOS圖像傳感器業務部分歸功于早期的努力促進技術成果轉化。后來，索尼和三星分別成為了現在全球市場排名第一，第二。后來，Micron剝離了Aptina，Aptina被ON Semi收購，目前排名第4。CMOS傳感器逐漸成為攝影領域主流，并廣泛應用于多種場合。
CMOS圖像傳感器發展歷程70年代：Fairchild
80年代：Hitachi
80年代初期：Sony
1971年：發明FDA&CDS技術
80年中葉：在消費市場上實現重大突破；
1990年：NHK/Olympus,放大MOS成像儀(AMI)，即CIS1993年：JPL,CMOS有源像素傳感器，1998年：單芯片相機，2005年后：CMOS圖像傳感器成為主流。
CMOS圖像傳感器技術簡介
CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬電路和數字電路的集成。主要由四個組件構成：微透鏡、彩色濾光片 （CF）、光電二極管（PD）、像素設計。
1.微透鏡：具有球形表面和網狀透鏡；光通過微透鏡時，CIS的非活性部分負責將光收集起來并將其聚焦到彩色濾光片。
2.彩色濾光片（CF）：拆分反射光中的紅、綠、藍 （RGB）成分，并通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。
3.光電二極管（PD）：作為光電轉換器件，捕捉光并轉換成電流；一般采用PIN二極管或PN結器件制成。
4.像素設計：通過CIS上裝配的有源像素傳感器(APS)實現。APS常由3至6個晶體管構成，可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內部將光電流轉換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標。
Bayer陣列濾鏡與像素1.感光元件上的每個方塊代表一個像素塊，上方附著著一層彩色濾光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB成分后，通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer陣列擴大到了4x4，并且以2x2的方式將RGB相鄰排列。
2.像素，即亮光或暗光條件下的像素點數量，是數碼顯示的基本單位，其實質是一個抽象的取樣，我們用彩色方塊來表示。
3.圖示像素用R（紅）G（綠）B（藍）三原色填充，每個小像素塊的長度指的是像素尺寸，圖示尺寸為0.8μm。
Bayer陣列濾鏡與像素濾鏡上每個小方塊與感光元件的像素塊對應，也就是在每個像素前覆蓋了一個特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊，只允許紅色光線投到感光元件上，那么對應的這個像素塊就只反映紅色光線的信息。隨后還需要后期色彩還原去猜色，最后形成一張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原，這一整套流程，就叫做Bayer陣列。
前照式（FSI）與背照式（BSI）早期的CIS采用的是前面照度技術FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜爾陣列濾鏡與光電二極管（PD）間夾雜著金屬（鋁，銅）區，大量金屬連線的存在對進入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當一部分光線進入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。技術改進后，在背面照度技術BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結構下，金屬（鋁，銅）區轉移到光電二極管（PD）的背面，意味著經拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復雜、更大規模電路來提升傳感器讀取速度。
CIS參數——幀率幀率（frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續出現在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少張圖片。而想要實現高像素CIS的設計，很重要的一點就是Analog電路設計，像素上去了，沒有匹配的高速讀出和處理電路，便無辦法以高幀率輸出出來。
索尼早于2007年chuan'gan發布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨立的ADC模數轉換器，這意味著在CIS芯片上即可完成模數轉換，有效減少了噪聲，大大提高了讀取速度，也簡化了PCB設計。
CMOS圖像傳感器的應用
CMOS圖像傳感器全球市場規模
2017年為CMOS圖像傳感器高增長點，同比增長達到20%。2018年，全球CIS市場規模155億美元，預計2019年同比增長10%，達到170億美元。
目前，CIS市場正處于穩定增長期，預計2024年市場逐漸飽和，市場規模達到240億美元。
CIS應用——車載領域1.車載領域的CIS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系統。2.汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。
3.后視攝像(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。
4.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。
車載領域——HDR技術方法1.HDR解決方案，即高動態范圍成像，是用來實現比普通數位圖像技術更大曝光動態范圍。
2.時間復用。相同的像素陣列通過使用多個卷簾（交錯HDR）來描繪多個邊框。好處：HDR方案是與傳統傳感 器兼容的最簡單的像素技術。缺點：不同時間發生的捕獲導致產生運動偽影。
3.空間復用。單個像素陣列幀被分解為多個，通過不同的方法捕獲：1.像素或行級別的獨立曝光控制。優點：單幀中的運動偽影比交錯的運動偽影少。缺點：分辨率損失，且運動偽影仍然存在邊緣。2.每個像素共用同一微透鏡的多個光電二極管。優點：在單個多捕獲幀中沒有運動偽影；缺點：從等效像素區域降低靈敏度。
4.非常大的全井產能。
車載領域——閃變抑制技術1.多個集成周期（時間多路傳輸）。在每個整合期內對光電二極管充電進行多次進行采樣，樣品光電二極管比LED源頻率更高。
2.多個光電二極管（空間多路復用）。使用較大的光電二極管捕捉較低的輕松的場景；使用較小的不靈敏光電二極管在整個幀時間內集成（減輕LED閃爍）。
3.每個像素由兩個光電二極管構成。其中包含一個大的靈敏光電二極管和一個小的不靈敏光電二極管，小型不靈敏光電二極管可在整幀中合并，從而減輕LED閃爍。優勢在于有出色的閃變抑制、計算復雜度低；劣勢在于更大更復雜的像素架構、更復雜的讀數和電路定時、大型光電二極管和小型光電二極管和之間的光譜靈敏度不匹配。
車載領域——陣列攝像機1.陣列攝像機是一種新興的攝像機技術，是指紅外燈的內核為LED IR Array的高效長壽的紅外夜視設備，可能是可行的LED檢測解決方案。
2.用于LED檢測的低靈敏度攝像頭可以實現圖像融合的組合輸出，并能夠實現單獨輸出，或同時輸出。主要優勢在于亮度高、體積小、壽命長，效率高，光線勻。
3.目前，陣列攝像機還面臨著諸多挑戰。首先，汽車光學對準誤差難以保持溫度范圍；其次，圖像融合面向應用和復雜的計算；最后，高靈敏度和低靈敏度圖像之間難以融合.
車載領域——機器視覺傳感器技術趨勢全局快門。CMOS傳感器有兩種快門方式，卷簾快門和全局快門。卷簾快門通過對每列像素使用A/D來提高讀取速度，每列像素數量可達數千。任何一個轉換器數字化的像素總數顯著減少，從而縮短了讀取時間，提高了幀速率。但整個傳感器陣列仍必須轉換為一個一次排，這導致每行讀出之間的時間延遲很小。和機械式焦平面快門一樣，卷簾快門對高速運動的物體會產生明顯的變形。而且因為其掃描速度比機械式焦平面快門慢，變形會更加明顯；全局快門則大大改善了應用于高度運動對象時的變形問題。
改進的近紅外（NIR）響應、高靈敏度濾色片陣列（RCCB）、數據加密處理、更高的幀速率、集成傳感和 處理、3D成像。
CIS應用——手機領域
盡管2019智能手機銷量低迷，手機圖像傳感器的銷售也可實現約20％的增長。
隨著多鏡頭相機變得越來越普及，以及傳感器尺寸的增加。未來所有智能手機制造商都會發布具有比以往更具價值的傳感器型號。
手機領域——手機攝像頭發展史主攝像頭：第一部拍照手機——智能手機——雙攝/多攝：2000年，夏普首次推出可拍照的手機；隨后智能手機時代到來，主攝像頭素質不斷提升；目前，雙攝/多攝已成為主流。
前置攝像頭：自拍——3D-sensing：前置攝像頭素質同步提升，目前越來越多廠商加入人臉識別功能。
手機領域——手機攝像模組攝像模組構成:CMOS——決定照片質量的關鍵因素
手機領域——主攝像素升級
手機領域——CMOS迭代升級
1.隨著技術的發展，越來越多的手機開始注重拍照的硬件升級。攝像頭和CMOS成為了產品突出差異性的賣點之一。拋開鏡頭差異，成像質量與CMOS大小成正比，主攝像素提升推動CMOS迭代升級。
2.隨著技術的發展，手機的CMOS也在日益增大，1/1.7英寸級的CMOS如今成為手機攝像頭傳感器的新選擇。而更多手機也用上了1/2.3英寸級的傳感器。
3.作為手機CMOS最大的上游供應商，也研發出了堆棧結構的CMOS。它在傳統的感光層與底部電路之間增加了一層DRAM動態存儲器，從而讓感光元件具備短時間拍攝大數據量影像的能力。
手機領域——光學變焦趨勢手機攝像頭過去以像素升級為主；受CMOS尺寸限制，手機攝像開始注重變焦能力。
變焦有光學變焦與數碼變焦兩種。光學變焦通過光學原理調整焦距，成像畫質無損。數碼變焦就是通過軟件算法來放大/縮小，通過插值計算，成像有損，有較多噪點。為了進一步提升手機成像素質，注重變焦能力；而傳統專業相機的光學系統無法移植到手機上。手機變焦往往會采用“雙攝變焦”，采用兩個定焦鏡頭，利用其物理焦距的不同，實現變焦效果；顯然，單攝已經無法滿足對光學變焦的需求了。
手機領域——第四個攝像頭：3D-sensing目前主流的3D深度攝像主流有兩種種方案：結構光、TOF。iPhone采用前者，華為采用后置。
結構光（Structured Light）：結構光投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集。根據物體造成的光信號的變化來計算物體的位置和深度等信息，進而復原整個三維空間。
TOF（Time Of Flight）：TOF系統是一種光雷達系統，可從發射極向對象發射光脈沖，接收器則可通過計算光脈沖從發射器到對象，再以像素格式返回到接收器的運行時間來確定被測量對象的距離。
手機領域——手機攝像模組數量
單只手機攝像模組需求量增加從傳統的單攝，到雙攝市場滲透率逐漸成為市場主流，再到三攝、全隱藏式攝像頭、3D攝像頭的創新式開拓，單只手機攝像模組的需求看漲。
iPhone X、小米8、OPPO FIND X、三星Galaxy S9+單 只攝像模組需求量均為4,；此外，華為P20 Pro和Mate20 Pro均配備5組攝像模組。
手機領域——多攝帶動CMOS用量提升根據Yole的統計顯示，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%。
手機攝像頭數量增加，CIS出貨量成倍增長。為了提高照相畫質，手機引入了雙攝、甚至三攝、四攝。
安防領域——視頻監視技術發展歷程閉路電視監控系統發展歷程：錄像帶錄像機（VCR）→數字視頻錄像機（DVR）→網絡視頻錄像機（NVR）。視頻監控系統越來越復雜，性能也不斷升級。
安防領域——當前監控攝像機類型高清攝像頭中使用的圖像傳感器對分辨率的要求較高，在60幀/秒等高幀率下能夠實現720P或1080P的清晰度。寬動態范圍攝像機的芯片上集成寬動態范圍攝像技術以及圖像處理技術，能在極暗和極亮環境下拍攝。
3D立體攝像級具有在動態光環境中保持追蹤精度的能力，可與視頻分析技術配合使用。
3D立體攝像級具有在動態光環境中保持追蹤精度的能力，可與視頻分析技術配合使用。
安防領域——紅外線攝像技術紅外線攝像技術分為被動和主動兩種類型。
被動型：拍攝對象自身發射紅外光被攝像機接受以成像。這類設備昂貴并且對周圍環境不能良好反映，所以在夜視系統中基本不采用。
主動型：配置有紅外燈主動向外發射紅外輻射，使紅外攝像機接收反射回來的紅外光，增強夜視能力。目前紅外攝像機基本都配置LED紅外發光二級管。
主動型紅外攝像機包含攝像機、防護罩、紅外燈、供電散熱單元。它貼切的名稱為紅外線增強攝像機。感光元件的頻譜足夠寬時能對紅外線到可見光的連續譜產生感應，形成包括紅外線在內的光敏感。在普通可見光強下，寬范圍感光元件增加了紅外頻段，在弱光條件下，也能獲得清楚的圖像。
安防領域——紅外光成像紅外線攝影術以成像為目標。伴隨著電子與化學科技的進 展，紅外線攝像技術逐漸演化出三個方向。
1.近紅外線底片：感應范圍為波長700nm～900nm。在成像乳劑中加入特殊染料，利用光化學反應，使這一波域的光變化轉為化學變化從而形成影像。
2.近紅外線電子感光材料：感應范圍為波長700nm～2,000nm。利用含硅化合物晶體的光電反應形成電子信號， 進過進一步處產生影像。
3.中、遠紅外線線感應材料：感應范圍為波長3,000nm～14,000nm。需要 使用冷卻技術和特殊的光學感應器， 加工處理形成電子影像。
安防領域——全球市場規模全球紅外攝像機設備市場規模在2017年近30億美元，其中商用攝像機市場規模20億美元，軍用攝像機市場規模10億美元。預計2016-2022年商用領域紅外攝像機市場規模年均復合增長率為5.6%，軍用領域的年均復合增長率為 8.8%。2022年市場總規模將近43億美元。全球安防攝像機市場銷量在2015年約28萬件，其中監視攝像機約8萬件，安保系統攝像機約20萬個。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%。
圖像傳感器應用——醫療影像與其他具有更高產量和更高成本敏感性的市場相比，圖像傳感器在醫療影像市場應用有其鮮明的特點：其封裝步驟通常由設備制造商控制。
圖像傳感器技術正逐漸在行業中創造顛覆性力量，從2014年開始，市場發展迅速，行業競爭加劇：韓國和中國出現更多新參與者，成為現有大型企業的潛在障礙，行業完全整合的可能性降低。圖像傳感器在醫療影像市場具有多元應用場景：X-ray、內窺鏡、分子成像、光學相干斷層掃描以及超聲成像。
醫療影像——市場規模醫療成像設備行業是一個巨大的350億美元的市場，2016-2022年預計復合年增長率達5.5％。
2016年，醫療傳感器市場規模3.5億美元，預計2016-2022年復合增長率8.3％，到2022年將達6億美元。根據應用技術不同，醫療圖像傳感器可分為CCD， CIS，a-Si FPD（非晶硅薄膜晶體管平面探測器），a-Se FPD（非晶硒薄膜晶體管平板探測器），SiPM（硅光電倍增管）、cMUT（電容微機械超聲換能器）和pMUT（壓電微機械超聲換能器）。
醫療影像——市場規模CMOS傳感器憑借其在通過更小的像素尺寸獲得更高分辨率、降低噪聲水平和暗電流以及低成本方面的優越性在醫療影像領域得到越來越廣泛的應用，未來市場看漲。
CCD市場保持穩定。醫用a-Si FPD因其簡單性和大面板內置能力仍應用廣泛；SiPM專用于分子成像；cMUT用于超聲成像，可提供更高分辨率，更高速度和實時3D成像。醫療影像——產業鏈目前，CMOS圖像傳感器主要應用于X-Ray以及內窺鏡領域。
CIS醫療影像應用——X-RayX射線成像的第一次應用是在醫療領域，由Wilhelm于1895年完成。如今，X射線成像技術應用已拓展到工業無損檢測（NDT）以及安全領域。但醫療市場仍是X-Ray射線成像的主力應用場景。
X-Ray探測設備市場規模
2018年X射線探測設備市場價值20億美元，預計2018-2024年復合年增長率5.9％，2024年達到28億美元。
2018年，醫療領域市值達14.8億美元，占比約74%，預計2017-2024年復合增長率4.5%，2024年市值達19億美元。目前，X射線成像幾乎完全基于半導體技術。使用非晶硅（aSi）和CMOS的平板探測器占據了市場的最大份額，其次是硅光電二極管陣列探測器。預計銦鎵鋅氧化物（IGZO）平板將于2021年進入市場，直接與aSi和CMOS競爭，但CMOS仍然是主流應用。
2018年，以CMOS X-Ray成像設備市場收入2.45億美元，預計2024年將增長到5.1億美元，年復合增長率13%。
CIS醫療市場應用——內窺鏡內窺鏡檢查不但能以最少的傷害，達成觀察人體內部器官的目的，也能切取組織樣本以供切片檢查，或取出體內的異物。二十世紀末微創手術的發展進一步促進了內窺鏡的應用。普通電子內窺鏡：將微型圖像傳感器在內窺鏡頂部代替光學鏡頭，通過電纜或光纖傳輸圖像信息。電子內窺鏡與光纖內窺鏡類似，有角度調節旋鈕、充氣及沖水孔、鉗道孔、吸引孔和活檢孔等。
CMOS電子內窺鏡：照明光源通過濾色片，變成單色光，單色光通過導光纖維直達電子內窺鏡前部，再通過照明鏡頭照在受檢體的器官粘膜。器官粘膜反射光信號至非球面鏡頭，形成受檢部位的光圖像，CMOS圖像傳感器接收光圖像，將其轉換成電信號，再由信號線傳至視頻處理系統，經過去噪、儲存和再生，顯示在監控屏幕上。CMOS電子內窺鏡可得到高清晰度圖像，無視野黑點弊端，易于獲得病變觀察區信息。CIS模塊的小型化是其應用于醫療設備的關鍵，特別是對于較小的柔性視頻內窺鏡。如喉鏡，支氣管鏡，關節鏡，膀胱鏡，尿道鏡和宮腔鏡。
小直徑視頻內窺鏡發展歷程背面照明（BSI）技術成功地提高了CIS模塊的靈敏度，使得更小像素成為可能。
新開發的圖像傳感器封裝（如硅通孔（TSV）技術）可最大限度地減少CIS模塊所需的占位面積。
微電子器件微裝配的進步也促進了CIS的小型化。
索尼圖像傳感器發展歷程
發展CIS以來，索尼相繼開發出背照式CIS，推出2層/3層堆疊技術，從數碼相機市場切入手機傳感器市場，搶占市場份額。
索尼圖像傳感器索尼將CCD推向世界后，一直在不斷創新圖像傳感器。索尼公司正在推動小型高性能圖像傳感器的進一步發展：高靈敏度背光CMOS圖像傳感器和堆疊式CMOS圖像傳感器。索尼的圖像傳感器有助于提高全球數碼相機的吸引力。索尼圖像傳感器應用在相機，移動終端，自動駕駛，安防，工業領域等多個領域。索尼Exmor——柱并聯A/D轉換電路Exmor是索尼2007年推出的一項新技術，用于片上模擬到數字信號轉換，即由傳統的外置ADC升級為內置ADC。
外置ADC傳感器傳輸數據時，每列像素產生的信號先通過降噪電路，匯聚后再通過外部總線傳輸到單個或數個ADC之中。而Exmor每列像素都內置一個ADC，數量多，且可在低頻下運行，可有效減少噪聲，并實現高速提取。此外，內置ADC使得Exmor輸出的數字信號，抗干擾性強，更易于長距離布線。IMX035是此系列推出的首款產品。
索尼Exmor R——背照式CIS2008年，索尼推出Exmor R系列，采用BIS（背照式）設計，是第一款推出該技術的傳感器。FIS（FRONT-SIDE ILLUMINATED，前照式）結構下，Bayer陣列濾鏡與光電二極管（Photo-diode）之間存在大量金屬連線，阻隔了大量光線進入感光層。而在BIS結構下，金屬連線被轉移到光電二極管（Photodiode）的背面，光線不再被阻擋，信噪比大幅度提高，而且可以采用更復雜、更大規模電路來提升傳感器讀取速度。索尼Exmor RS——CIS堆棧技術二堆疊：2012年，索尼推出Exmor RS系列，該系列采用堆疊式結構（Stacked Structure）。BIS結構下，Bayer陣列周圍依然存在大量電路，而此堆疊式結構通過TSV（Through Silicon Via,硅通孔）技術連接到另一張芯片，實現將信號處理電路疊放于像素區下方。
三堆疊：2017年2月，索尼宣布推出業內首個配備DRAM的三層堆疊式CIS，可在失真度最小化的情況下高速讀取靜態圖片，支持在全高清模式下拍攝幀率最大為1000fps的慢動作視頻。新款CIS在傳統兩層堆疊結構中間新加入DRAM層，用于緩存、讀取、處理圖像信息；此外，為了實現高速讀取，用于將模擬視頻信號從像素轉換為數字信號的電路已經從2層結構倍增到4層結構。
索尼——相機端CISSLVS-EC是索尼與2018年開發的串行總線，單個通道帶寬較高。但IMX410未采用堆棧技術，像素也不高。索尼半導體再沒有提供高像素的全幅CIS，甚至取消了36MP的IMX-094，鑒于Z7、S1R存在，索尼半導體高像素全幅CIS可能改為定制提供。
索尼——相機端CIS應用介質格式傳統上指靜物攝影中的膠片格式以及使用膠片的相關照相機和設備。包括6x4.5厘米（有時介質格式稱為“64格式”），6x6、6x7、6x8、6x12、6x17cm…在數字攝影中，介質格式是指根據介質格式膠片攝影使用而改編的照相機，或者是指使用大于35mm膠片框的傳感器的照相機。此外，我們還發布了3.4（44x33毫米）和4.2（53x40毫米）型圖像傳感器，像素為100M或150M。
360度高質量成像主要產品為IMX533，9M像素，像素尺寸為3.76μm。索尼——移動端CISHDR解決方案有時間多路傳輸交錯HDR方案及空間多路復用交錯HDR方案。當不同的捕獲時刻對象處于不同的位置時，時間復用交錯HDR方案首次了解由于場景中的運動而產生的運動偽影（重影）。圖像偽影的存在是因為每個捕獲對象的分辨率的降低。而具有拆分像素（多個像素，每個像素即光電二極管分享同樣的東西）可以減輕偽影的影響。索尼——移動端CIS應用穩定相機震動。高靈敏度傳感器和短曝光時間是防止相機抖動和穩定圖像的有效方法。背面照明傳感器比正面照明傳感器具有更高靈敏度。同樣，在相同像素結構下具有更大的光學尺寸。
索尼CMOS圖像傳感器配備了標準的2x2平均模式，相當于比像素大四倍的像素大小，有助于在分辨率（圖像大小）降低到1/4時防止相機抖動。高速視頻。隨著CIS像素數和速度的增加，高速視頻拍攝成為現實。在拍攝快速移動物體時，需要降低幀速率和曝光時間以避免運動模糊。索尼通過4個像素的計算處理將其高靈敏度的BI技術將信噪比提高了兩倍，使其能夠以四倍的速度拍攝。
索尼的800萬像素產品能夠以180 fps（720p高清圖像）或240 fps（960x540（Quaterhd）圖像）輕松拍攝高速電影。適用產品：IMX219PQ
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圖像傳感器是利用光電器件的光電轉換功能將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關系的電信號。與光敏二極管，光敏三極管等“點”光源的光敏元件相比，圖像傳感器是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉換成可用的電信號的一種功能器件。圖像傳感器分為光導攝像管和固態圖像傳感器。與光導攝像管相比，固態圖像傳感器具有體積小、重量輕、集成度高、分辨率高、功耗低、壽命長、價格低等特點。因此在各個行業得到了廣泛應用。
[1]
中文名
圖像傳感器
外文名
image sensor
別 名
感光元件
分 類
CCD，CMOS
定 義
組成數字攝像頭的重要組成部分
目錄
1
CCD
?
應用
?
歷史
?
特點
2
CMOS
?
特點
?
歷史
?
市場
?
發展
3
技術參數
4
發展現狀
圖像傳感器CCD
編輯
語音
CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則應用于較低影像品質的產品中，它的優點是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場很多采用USB接口的產品無須外接電源且價格便宜的原因。盡管在技術上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對光源的要求要高一些，但該問題已經基本得到解決。CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜選擇元件尺寸較大的為好。圖像傳感器又叫感光元件。
圖像傳感器應用
CMOS圖像傳感器
圖像傳感器
[2]
，或稱感光元件，是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備，它被廣泛地應用在數碼相機和其他電子光學設備中。早期的圖像傳感器采用模擬信號，如攝像管（video camera tube）。隨著數碼技術、半導體制造技術以及網絡的迅速發展，市場和業界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應用，無疑要屬數碼相機產品，其發展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數碼相機就由幾十萬像素，發展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發達的歐美國家，數碼相機已經占有很大的市場，就是在發展中的中國，數碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關鍵零部件——圖像傳感器產品就成為當前以及未來業界關注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產品類別區分，圖像傳感器產品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。本文將主要簡介CCD以及CMOS傳感器的技術和產業發展現狀。
圖像傳感器歷史
感光器件是工業攝像機最為核心的部件，圖像傳感器有CMOS和CCD兩種。CCD特有的工藝，具有低照度效果好、信噪比高、通透感強、色彩還原能力佳等優點，在交通、醫療等高端領域中廣泛應用。由于其成像方面的優勢，在很長時間內還會延續采用，但同時由于其成本高、功耗大也制約了其市場發展的空間。CCD與CMOS在不同的應用場景下各有優勢，但隨著CMOS工藝和技術的不斷提升，以及高端CMOS價格的不斷下降，相信在安防行業高清攝像機未來的發展中，CMOS將占據越來越重要的地位。
CCD（Charged Coupled Device）于1969年在貝爾試驗室研制成功，之后由日商等公司開始量產，其發展歷程已經將近30多。CCD又可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應用于影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要應用于數碼相機（DSC）、攝錄影機、監視攝影機等多項影像輸入產品上。
圖像傳感器特點
一般認為，CCD傳感器有以下優點：高解析度（High Resolution）：像點的大小為μm級，可感測及識別精細物體，提高影像品質。從1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素數目從10多萬增加到400～500萬像素；低雜訊（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊，因此提高了信噪比（SNR），同時又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測到，其訊號不會被掩蓋，使CCD的應用較不受天候拘束；動態范圍廣（High Dynamic Range）：同時偵測及分辨強光和弱光，提高系統環境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現象。良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強度和輸出訊號大小成良好的正比關系，物體資訊不致損失，降低信號補償處理成本；高光子轉換效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合影像增強管及投光器，即使在暗夜遠處的景物仍然還可以偵測得到；大面積感光（Large Field of View）：利用半導體技術已可制造大面積的CCD晶片，與傳統底片尺寸相當的35mm的CCD已經開始應用在數碼相機中，成為取代專業有利光學相機的關鍵元件；光譜響應廣（Broad Spectral Response）：能檢測很寬波長范圍的光，增加系統使用彈性，擴大系統應用領域；低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感測器，其影像處理不會有失真的情形，使原物體資訊忠實地反應出來；體積小、重量輕CCD具備體積小且重量輕的特性，因此，可容易地裝置在人造衛星及各式導航系統上；低秏電力不受強電磁場影響；9. 電荷傳輸效率佳：該效率系數影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊；10. 可大批量生產，品質穩定，堅固，不易老化，使用方便及保養容易。根據In-Stat在2001時對全球圖像傳感器的研究報告中指出，CCD產業前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5%的市場份額，在技術發展方面，較有特色的主要廠商應為索尼、飛利普和柯達公司。
圖像傳感器CMOS
編輯
語音
圖像傳感器特點
CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點，最近幾年在寬動態、低照度方面發展迅速。CMOS即互補性金屬氧化物半導體，主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現基本的功能。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。在模擬攝像機以及標清網絡攝像機中，CCD的使用最為廣泛，長期以來都在市場上占有主導地位。CCD的特點是靈敏度高，但響應速度較低，不適用于高清監控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式，因此進入高清監控時代以后，CMOS逐漸被人們所認識，高清監控攝像機普遍采用CMOS感光器件。CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電。不像由二級管組成的CCD，CMOS電路幾乎沒有靜態電量消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要問題是在處理快速變換的影像時，由于電流變換過于頻繁而過熱，暗電流抑制的好就問題不大，如果抑制的不好就十分容易出現噪點。已經研發出720P與1080P專用的背照式CMOS器件，其靈敏度性能已經與CCD接近。與表面照射型CMOS傳感器相比，背照式CMOS在靈敏度（S/N）上具有很大優勢，顯著提高低光照條件下的拍攝效果，因此在低照度環境下拍攝，能夠大幅降低噪點。雖然以CMOS技術為基礎的百萬像素攝像機產品在低照度環境和信噪處理方面存在不足，但這并不會根本上影響它的應用前景。而且相關國際大企業正在加大力度解決這兩個問題，相信在不久的將來，CMOS的效果會越來越接近CCD的效果，并且CMOS設備的價格會低于CCD設備。安防行業使用CMOS多于CCD已經成為不爭的事實，盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優于CMOS傳感器，但如果不考慮尺寸限制，CMOS在量率上的優勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難，這樣CMOS在更高分辨率下將更有優勢。另外，CMOS響應速度比CCD快，因此更適合高清監控的大數據量特點。
圖像傳感器歷史
與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的1/10，售價也比CCD便宜1/3的優點。與CCD產品相比，CMOS是標準工藝制程，可利用現有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨著半導體技術的提升而進步。同時，全球晶圓廠的CMOS生產線較多，日后量產時也有利于成本的降低。另外，CMOS傳感器的最大優勢，是它具有高度系統整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一顆晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快閃記憶體（Flash RAM）等也可整合成單晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以達到降低整機生產成本的目的。正因為此，投入研發、生產的廠商較多，美國有30多家，歐洲7家，日本約8家，韓國1家，臺灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP)，其市場占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、現代占8%、Photobit約占5%，這五家合計市占率達93%。根據In-Stat統計資料顯示，CMOS傳感器的全球銷售額到2004年可望突破18億美元，CMOS將以62%的年復合成長率快速成長，逐步侵占CCD器件的應用領域。特別是在2013年快速發展的手機應用領域中，以CMOS圖像傳感器為主的攝相模塊將占領其80%以上的應用市場。
圖像傳感器市場
CMOS圖像傳感器屬于新興產品市場，其市場占有率變化不如成熟產業那般恒常不變，例如在1999年時，CMOS市場中，按照出貨比例排名依序為Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市場占有率分別為24%、22%、14%和14%，其中STM是歐洲廠商，Hyundai是韓國廠商；但只經過一年后的市場競爭，Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居一、二，且市場占有率分別提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市場占有率大幅滑落至4.8%，至于Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市場占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成長，全球市場占有率快速成長至13.7%，排名全球第三。這三家廠商出貨量就占全球出貨量的82.2%。從中可以分析，這個產業的廠商集中度相當密集，所以觀察上述三家廠商的動態和發展，可看出許產業和技術未來發展方向。Agilent主要的產品為第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要應用在數碼相機 、行動電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯盟，打入了光學鼠標產品領域，但是這是非常低階的CMOS產品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測器的全球統計時并未將此數量一并加入，但是此舉可看出Agilent以CMOS技術為基礎進軍光學元件的規劃意圖。OmniVision它主要的產品包括︰CIF（352 x 288）、VGA（640 x 480）、SVGA（800 x 600）和SXGA（1280 x 1024）。Omnivision開發的130萬像素等級的CMOS圖像傳感器正在被業界大量應用在數碼相機中。業界一般認為，百萬像素為使用CMOS和CCD的分水嶺，CMOS成功跨進這一市場，足以說明CMOS技術發展對市場的滲透度，未來可能將取代CCD成為中低檔影像產品的不留應用。Omnivision在2001年5月開發的CIF(352 x 288)等級的CMOS傳感器，其特色為低秏電，目標市場定位在移動電話上，其產品發展策略和各大研究調查機構不謀而合，在移動電話市場上，CMOS模組的攝相模塊已經成為移動通訊應用的最大量產品。Photobit在2000年獲得較大成功。2001年Photobit率先研發出PB-0330產品型號的CMOS圖像傳感器，此產品特色具備單一晶片邏輯轉數位的變頻器，它是第二代1/4寸的VGA（640 x 480），同時也推出PB-0111產品型號的CMOS影像感測器，是第二代1/5寸的CIF（352 x 288）。Photobit推出這兩種產品主要針對數碼相機和PC Camera的數位化產品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行動電話市場上有所區隔，其推出CIF（352 x 288）和VGA（640 x 480）這兩種不同解析程度的影像感測器，行銷范圍意圖含蓋低階和中高階市場。
圖像傳感器發展
2013年業界發展了CMOS圖像傳感器新技術--C3D。C3D技術的最大特點就是像素反應的均一性。C3D技術重新定義了成像器的性能（即把系統的整體性能包括在內）并提高了CMOS圖像傳感器在均一性和暗電流方面的標準性能。2014年初，美國Foveon公司公開展示了其最新發展的Foveon X3技術，立即引起業界的高度關注。Foveon X3是全球第一款可以在一個像素上捕捉全部色彩的圖像傳感器陣列。傳統的光電耦合器件只能感應光線強度，不能感應色彩信息，需要通過濾色鏡來感應色彩信息，我們稱之為Bayer濾鏡。而Foveon X3在一個像素上通過不同的深度來感應色彩，最表面一層感應藍色、第二層可以感應綠色，第三層感應紅色。它是根據硅對不同波長光線的吸收效應來達到一個像素感應全部色彩信息，已經有了使用這種技術的CMOS圖像傳感器，其應用產品是“Sigma SD9”數碼相機。這項革新技術可以提供更加銳利的圖像，更好的色彩，比起以前的圖像傳感器，X3是第一款通過內置硅光電傳感器來檢測色彩的。Foveon X3的技術對于傳統半導體感光技術來說有很大的突破，也有顛覆傳統技術的效果，相信Foveon X3會有很好的前景。在高分辨率像素產品方面，日前臺灣銳視科技已領先業界批量推出了210萬像素的CMOS圖像傳感器，而且已有美商與臺灣的光學鏡頭廠合作，將在第三季推出此款CMOS傳感器結合鏡頭的模組，CMOS應用已經開始在200萬像素數碼相機產品中應用。對比CCD提供很好的圖像質量、抗噪能力和相機設計時的靈活性。盡管由于增加了外部電路使得系統的尺寸變大，復雜性提高，但在電路設計時可更加靈活，可以盡可能的提升CCD相機的某些特別關注的性能。CCD更適合于對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的應用領域，如天文，高清晰度的醫療X光影像、和其他需要長時間曝光，對圖像噪聲要求嚴格的科學應用。CMOS是能應用當代大規模半導體集成電路生產工藝來生產的圖像傳感器，具有成品率高、集成度高、功耗小、價格低等特點。CMOS技術是世界上許多圖像傳感器半導體研發企業試圖用來替代CCD的技術。經過多年的努力，作為圖像傳感器，CMOS已經克服早期的許多缺點，發展到了在圖像品質方面可以與CCD技術較量的水平。CMOS的水平使它們更適合應用于要求空間小、體積小、功耗低而對圖像噪聲和質量要求不是特別高的場合。如大部分有輔助光照明的工業檢測應用、安防保安應用、和大多數消費型商業數碼相機應用。
圖像傳感器技術參數
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語音
了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要參數對于產品的選型時非常重要的。同樣，相同的芯片經過不同的設計制造出的相機性能也可能有所差別。CCD和CMOS的主要參數有以下幾個：1. 像元尺寸像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um, 9um , 7um , 6.45um ,3.75um 等。像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應能力，像元尺寸越小，能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。對于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。2. 靈敏度靈敏度是芯片的重要參數之一，它具有兩種物理意義。一種指光器件的光電轉換能力，與響應率的意義相同。即芯片的靈敏度指在一定光譜范圍內，單位曝光量的輸出信號電壓（電流），單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一種是指器件所能傳感的對地輻射功率（或照度），與探測率的意義相同，。單位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。3. 壞點數由于受到制造工藝的限制，對于有幾百萬像素點的傳感器而言，所有的像元都是好的情況幾乎不太可能，壞點數是指芯片中壞點（不能有效成像的像元或相應不一致性大于參數允許范圍的像元）的數量，壞點數是衡量芯片質量的重要參數。4. 光譜響應光譜響應是指芯片對于不同光波長光線的響應能力，通常用光譜響應曲線給出。從產品的技術發展趨勢看，無論是CCD還是CMOS，其體積小型化及高像素化仍是業界積極研發的目標。因為像素尺寸小則圖像產品的分辨率越高、清晰度越好、體積越小，其應用面更廣泛。從上述二種圖像傳感器解析度來看，未來將有幾年時間，以130萬像素至200萬像素為界，之上的應用領域中，將仍以CCD主流，之下的產品中，將開始以CMOS傳感器為主流。業界分析2014年底至2015初，將有300萬像素的CMOS上市，預測CMOS市場應用超越CCD的時機一般在2004年-2005年。
圖像傳感器發展現狀
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圖像傳感器的視訊比是給定的，使用高清(HD)分辨率1080p，攝像機設計正朝使用更小的光學格式發展，導致需要更小的像素結構，以降低整體系統成本，同時不影響圖像性能或光靈敏度。CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像 傳感器組裝的攝像機體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場上獨樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫 光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點，圖像質量還無法與CCD圖像傳感器相比。如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍～10 倍，把噪聲進一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質量就可以達到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低 等優點，如此，CMOS圖像傳感器就會取代CCD圖像傳感器，并且發展出更好的功效。由于CMOS圖像傳感器的應用，新一代圖像系統的開發研制得到了 極大的發展，并且隨著經濟規模的形成，其生產成本也得到降低。CMOS圖像傳感器的畫面質量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要歸功于圖像傳感器 芯片設計的改進，以及亞微米和深亞微米級設計增加了像素內部的新功能。實際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統。一 個典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個圖像傳感器核心(是將離散信號電平多路傳輸到一個單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似)，所有的時序邏輯、 單一時鐘及芯片內的可編程功能，比如增益調節、積分時間、窗口和模數轉換器。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣 列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發生器和轉換器在內的全部系統。與傳統的CCD 圖像系統相比，把整個圖像系統集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價格更低的優點。
[3]
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參考資料
1.
祝詩平．傳感器與檢測技術：北京大學出版社，中國林業出版社，2006年：209
2.
圖像傳感器最新新聞資訊
．OFweek傳感器網[引用日期2016-07-21]
3.
圖像傳感器的發展及應用現狀
．傳感器應用網[引用日期2016-05-24]
據麥姆斯咨詢報道，繼2019年CMOS圖像傳感器市場持續火爆之后，一些不可預見的全新挑戰正在悄然來臨。CMOS圖像傳感器是智能手機和其它產品拍照功能的核心傳感器，但現在正面臨著像素間距縮小相關的工藝難題。與所有芯片產業一樣，在新冠病毒疫情爆發期間，CMOS圖像傳感器的增長步伐也將有所放緩。
CMOS圖像傳感器制造的工藝問題
CMOS圖像傳感器采用8英寸和12英寸晶圓代工廠的成熟工藝制程，用于手機、汽車、消費電子產品、工業和醫療系統、安防攝像頭。配置雙攝像頭和多攝像頭的智能手機已是司空見慣，每個攝像頭均需要集成一顆CMOS圖像傳感器將光轉換為電信號以創建圖像。
CMOS圖像傳感器外觀示意圖
智能手機搭載的CMOS圖像傳感器數量還將增加，為攝像頭賦予高分辨率和豐富的功能。例如，三星最新款5G智能手機搭載了五個攝像頭，其中一個是基于1.08億像素（108MP）CMOS圖像傳感器的后置廣角攝像頭。這相當于要在如此小尺寸的芯片上集成超過1億的像素。根據TechInsights介紹，其用于自拍的前置攝像頭集成了一顆4800萬像素的CMOS圖像傳感器，像素間距為0.7m，號稱全球像素間距最小的CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器上集成了許多微小的光敏像素。像素間距指從一個像素中心到另一個像素中心的距離，以微米（m）為單位。并非所有手機都需要配備最先進的CMOS圖像傳感器，也并非所有消費者都樂于用手機拍照。但不可否認，消費者對更多成像功能的追求不會停止。UMC（聯華電子）營銷技術總監David Hideo Uriu表示，“從3G到4G，再到現在的5G，要求更高的帶寬數據性能，也帶動了對高質量攝像頭需求的增長。除此以外，對更高像素和更佳分辨率的追求，都推動了CMOS圖像傳感器的市場熱潮。智能手機在紅外和近紅外光譜的生物識別、3D傳感、增強人類視覺等應用也逐漸得到關注。”CMOS圖像傳感器廠商仍面臨一些挑戰。多年來，他們一直在為減小像素間距而努力。這樣，圖像傳感器的像素越多，分辨率也越高。但是，隨著像素間距尺寸與光的波長越來越接近，像素縮小變得越來越困難。豪威科技（OmniVision）工藝工程副總裁Lindsay Grant表示：“現在研發團隊必須找到新方法來避免靈敏度降低和傳感器的串擾增加。”另一種趨勢是CMOS圖像傳感器的像素大小保持不變，改進方向從減少像素尺寸轉向提高圖像質量。這個趨勢與用戶對更大手機屏幕、更佳拍照性能的需求一致，CMOS圖像傳感器的芯片尺寸則隨之增加。盡管如此，圖像傳感器廠商已經找到了解決某些挑戰的方法。如：（1）采用新工藝：高K薄膜和其它制造技術。（2）芯片堆疊和互連技術，將兩顆不同功能的芯片堆疊起來并不是什么新鮮事。但是新的互連方案，例如像素與像素互連（pixel-to-pixel）工藝還處于開發階段。
圖像傳感器市場動態
圖像傳感器主要分為兩種：CMOS圖像傳感器（CIS）和電荷耦合器件（CCD）。CCD是電流驅動器件，主要用于數碼相機和各種高端應用。CMOS圖像傳感器則有所不同。據東電電子（TEL）官網信息：“CMOS圖像傳感器的每個像素都有一個光電二極管和一個CMOS晶體管開關，實現每個像素信號的放大。”針對各種應用，CMOS圖像傳感器的格式、幀率、像素尺寸和分辨率也各有不同。圖像傳感器分為全局快門（Global Shutter）和卷簾快門（Rolling Shutter）。例如，豪威科技最近推出的0.8m 6400萬像素圖像傳感器，實現1/1.7英寸格式。該傳感器可提供靜態圖像捕獲和4K視頻性能，配備2x2微透鏡相位檢測自動（PHAF）對焦功能，可提高自動對焦精度，以每秒15幀（15fps）輸出6400萬像素畫面。CMOS圖像傳感器廠商可分為兩個陣營：無晶圓廠（fabless）和IDM。IDM擁有自己的晶圓廠，而fabless公司則委托晶圓代工廠制造。無論哪種方式，在晶圓上完成圖像傳感器芯片后，都需要將其切割并進行封裝。根據Yole稱，約有65%的圖像傳感器采用12英寸晶圓。“對安防、醫療和汽車等眾多應用來講，8英寸晶圓的CMOS圖像傳感器工藝制程仍然重要。”Lam Research（泛林半導體）戰略營銷部的總經理David Haynes說。索尼（Sony）是CMOS圖像傳感器廠商的霸主，其次是三星（Samsung）和豪威科技。根據IC Insights透露，其它重要廠商包括夏普（Sharp）、安森美（ON Semi）、意法半導體（STMicroelectronics）、格科微（GalaxyCore）、海力士（SK Hynix）、松下（Panasonic）和佳能（Canon）。根據IC Insights的數據，2019年CMOS圖像傳感器市場規模達到184億美元，相比2018年增長30%。“我們預測2020年CMOS圖像傳感器市場規模將出現負增長（下降3%），最終的市場規模約178億美元。受新冠疫情影響，手機和其它系統對CMOS圖像傳感器的需求下降，市場規模持續增長的曲線將出現拐點。”IC Insights的分析師Rob Lineback這樣預測。
智能手機是CMOS圖像傳感器的主要市場。2018年平均每部手機有2.5個攝像頭。“2019年，平均每部智能手機的攝像頭數量已增加到2.8個。我們看到，到2020年，每部智能手機將配備三個攝像頭。”Yole分析師Guillaume Girardin說。不同智能手機廠商對攝像頭配置策略也不同。例如，蘋果iPhone 11 Pro后置三攝配置為：1200萬像素廣角 + 1200萬像素長焦 + 1200像素超廣角。三星的5G手機配置了五個攝像頭，包括四個后置攝像頭和一個前置攝像頭，其中一個為ToF攝像頭，用于手勢識別和3D物體識別。攝像頭的高分辨率不一定等同于能拍出更好的照片。“這是像素尺寸和分辨率之間的博弈，”Girardin說，“像素減小意味著有更多像素。當分辨率超過4000萬像素和5000萬像素時，捕獲細節的能力可能會超過肉眼。對于CMOS圖像傳感器來講，擁有更高的量子效率（QE）和信噪比的像素才是決定圖像質量優劣最重要的要素。”未來，雖然智能手機無法取代專業攝影師的數碼單反相機。但顯然，智能手機提供了比以往更多的功能。維易科（Veeco）產品營銷高級經理Ronald Arif表示：“5G能帶來更多帶寬和潛在的應用，例如體育賽事的8K流媒體現場直播，實時AR（增強現實）、VR（虛擬現實）、MR（混合現實）游戲，這對手機用戶的吸引力是無窮的。最新5G手機中的攝像頭更加先進，整合了VCSEL的3D傳感功能，可用于自動對焦或任何場所（如客廳）的3D投影映射（3D mapping）。可以想象，深度映射功能、5G與先進攝像頭的組合會帶來豐富的新應用（app），例如游戲、實時流媒體、遠程學習和視頻會議。”近紅外（NIR）圖像傳感器是CMOS圖像傳感器廠商正在交付的創新產品。近紅外圖像傳感器可以探測到物體可見光譜之外的波長，專為在昏暗或黑暗環境中工作的應用而設計。豪威科技最新推出的近紅外技術Nyxel 2，使不可見的940nm近紅外光譜內量子效率提高25%，而在幾乎不可見的850nm近紅外波長處的量子效率提高17%。索尼和Prophesee共同開發了基于事件的視覺傳感器。這類傳感器主要面向機器視覺應用，可在各種環境中探測到快速移動的物體。
像素尺寸縮小競賽
幾年前，CMOS圖像傳感器廠商之間所謂的像素縮小競賽就已拉開帷幕。這里專指“像素間距”，即傳感器中像素之間的距離。目標是（并且仍然是）在給定時間內減小每一代產品的像素間距。較高的像素密度等于更高的分辨率，但并非所有傳感器都需要較小的間距。幾年前，CMOS圖像傳感器的像素間距為7m。CMOS圖像傳感器廠商一直在致力于減小像素間距，但問題層出不窮。CMOS圖像傳感器的結構非常復雜。頂層為微透鏡陣列，下一層是綠色、紅色和藍色陣列的彩色濾光片，接著是由捕獲光線的光電二極管和其它電路組成的有源像素陣列。
CMOS圖像傳感器結構示意圖
有源像素陣列由許多微小的單個感光像素組成。每個像素由光電二極管、晶體管和其它元件構成，像素大小以微米（m）為單位。像素尺寸越大的圖像傳感器，收集的光越多，信號越強。但圖像傳感器尺寸較大，會占用更多的電路板空間。像素尺寸較小的圖像傳感器，收集的光較少，但可以將更多的圖像傳感器封裝在一起，從而提高分辨率。在晶圓代工廠中，圖像傳感器的制造流程有幾種。其中一種簡單制造流程中，像素陣列已完成。制備流程從對襯底的正面處理開始。晶圓與載片（carrier）或操作晶圓（handle wafer）鍵合在一起。對頂層進行注入工藝，再進行退火。在頂部涂上抗反射涂層，再完成彩色濾光片和微透鏡陣列。在另一種簡單制造流程中，對硅襯底表面進行注入。在頂部形成擴散阱和金屬堆疊層。將晶圓翻轉，在背面刻蝕出溝槽，在溝槽的側壁進行隔離氧化層（liner）沉積并填充介電材料。最后在頂部完成濾光片和微透鏡陣列。直到2009年，主流CMOS圖像傳感器均采用前照式（FSI）像素陣列結構。工作時，光線會照射到傳感器正面。微透鏡收集光并將其傳輸到彩色濾光鏡。光穿過互連的堆疊并被二極管捕獲。電荷在每個像素處被轉換為電壓，所有像素的信號被收集。多年以來，在CMOS圖像傳感器廠商的努力下，經歷了多次迭代，像素間距不斷減小。據TechInsights稱，2006年像素間距為2.2m，2007年就減小到1.7m。2008年，像素間距為1.4m的FSI結構出現，再次打破了產業壁壘。約從2009年開始，CMOS圖像傳感器廠商開始采用一種新的結構：背照式（BSI）。BSI結構將圖像傳感器的光線入射方向從晶圓正面“反轉”至背面。當光線從硅襯底的背面進入，光子經過光電二極管的路徑更短，從而提高了量子效率。
前照式（FSI）CMOS圖像傳感器和背照式（BSI）CMOS圖像傳感器結構示意圖
BSI結構可以進一步縮小像素尺寸。Lam的Haynes解釋：“像素尺寸在1.2m至1.4m的范圍內，BSI技術可實現最佳像素尺寸，而堆疊式BSI可使這個像素尺寸范圍內的COMS圖像傳感器的占位面積保持在30平方毫米以下。亞微米尺寸的像素，可以實現四分之一像素格式，獲得超過4800萬像素的分辨率。”除了BSI技術，廠商還在對其它技術進行改進。圖像傳感器內的光電二極管（捕獲光的關鍵元件）也在縮小，但會降低效率。而且二極管靠得更近，會產生串擾。在2010年左右，當像素間距達到1.4m時，CMOS圖像傳感器廠商在制造工藝的創新方向又一次發生了改變：深溝槽隔離（DTI）。DTI工藝的目標是使光電二極管“長得更高”，從而增加單位面積的容量。為了實現DTI工藝，廠商依然采用BSI結構，并通過各種工藝增加光電二極管的“高度”，同時要求增加二極管周圍的硅的厚度。不過，像素尺寸的縮小速度已經放緩。曾經有一段時間，CMOS圖像傳感器廠商踩著每年縮小像素尺寸的節奏前行。但是，據TechInsights稱，從1.4m（2008年）演進到1.12m（2011年），花了三年的時間，達到1m（2015年）耗費了四年，此后過了三年才達到0.9m（2018年）。TechInsights分析師Ray Fontaine在近期的博客中談到：“總體來說，我們認為DTI和相關鈍化方案的開發，是導致1.12m縮小到0.9m進程緩慢的主要原因。”最近，廠商已解決了這些問題。像素縮小競賽的緊張氣勢再次燃起。2018年，三星突破了1m的技術壁壘，達到0.9m；索尼在2019年達到0.8m，在2020年又突破了0.7m。對于亞微米級像素，CMOS圖像傳感器行業需要更多的創新。Fontaine在最近的演講中講到“隨著像素的縮小，需要更厚的有源（硅）來保證光電二極管尺寸。厚（硅）是DTI和相關高K鈍化層的關鍵技術。”用高K薄膜制造的圖像傳感器與上述傳統流程基本一致。不同之處在于，高K薄膜是沉積在DTI溝槽的隔離氧化層上面。對于高K工藝和其它工藝，廠商在晶圓代工廠中采用兩種不同的方法：前DTI（F-DTI）和后DTI（B-DTI）。豪威科技的Grant解釋：“F-DTI使用多晶硅填充間隙，多晶硅的電壓偏置可以改善表面釘扎效應。F-DTI還可以進行更多的熱處理以減少蝕刻損傷。B-DTI采用帶負電荷的高K薄膜來積累電荷，在表面出現費米能級釘扎效應，從而抑制暗電流漏電。高K薄膜沉積采用原子層沉積（ALD）工藝完成。B-DTI通常使用氧化物填充間隙，也嘗試了金屬填充甚至空氣間隙，并已用于批量生產。”像素縮小競賽會繼續進行嗎？Grant認為：“像素尺寸很有可能小于0.7m。隨著像素縮小到0.7m，需要優化的方面還很多。比如在B-DTI工藝中，對二極管的高能注入，彩色濾光鏡和微透鏡的光學結構縮小等關鍵項目仍將是發展重點。像素內晶體管和互連的基本設計規則需要更新。”另一個問題是移動設備中圖像傳感器的像素間距正在接近光的波長。Grant說：“有些人可能認為這是像素尺寸的極限。例如，研發0.6m的像素間距。它小于0.65m（650nm）的紅光波長。因此可能會出現一個問題：‘為什么要縮小到亞波長？用戶會受益嗎？將像素縮小到亞波長意味著在像素級別空間分辨率信息更有價值。’”Grant指出，1.0m像素的光學結構使用了許多亞波長特征。“例如，用于抑制串擾的窄金屬網格和用于量子效率改善的窄介電側壁正在通過光的引導而進行改進。這種納米光學工程已在現有像素技術領域應用多年，所以縮小到亞波長并非革命。持續縮小的局限，可能來自用戶利益而不是技術。正是出于不斷發現像素縮小為最終用戶帶來價值的目的，才推動著這一趨勢。只有這樣，CMOS圖像傳感器技術的開發才會繼續支持這一方向。”
堆疊和互連技術
除了像素尺寸縮小以外，CMOS圖像傳感器還正在進行其它創新，例如芯片堆疊。廠商還使用不同的互連技術，例如硅通孔（TSV）、混合鍵合以及像素與像素互連（pixel-to-pixel）。
CMOS圖像傳感器技術趨勢
多年來，圖像傳感器都將像素陣列和邏輯電路集成于同一顆芯片。2012年，索尼推出了兩層堆疊式圖像傳感器。芯片堆疊使廠商可以將傳感功能和處理功能拆分到不同的芯片。這允許傳感器具有更多功能，同時還可以減小管芯尺寸。為此，索尼開發了90nm工藝的像素陣列芯片。該芯片堆疊在一顆65nm圖像信號處理器（ISP）芯片上，該芯片提供處理功能。然后將兩顆芯片互連。最終，其它廠商轉向了類似的芯片堆疊方案。通常，頂部像素陣列芯片采用成熟節點工藝。底部ISP芯片的工藝節點涉及65nm、40nm和28nm。14nm FinFET（鰭式場效應晶體管）技術正在研發中。在2018年，三星和索尼同時開發了三層堆疊式圖像傳感器。例如，在索尼的CMOS圖像傳感器產品系列的一種版本中，DRAM（動態隨機存取存儲器）單元位于圖像傳感器和邏輯電路層之間。嵌入式DRAM可實現更快的數據讀取。除了芯片堆疊之外，廠商還開發了不同的互連方案，該方案將一顆芯片與另一顆芯片互連。最初，豪威科技、三星和索尼使用硅通孔（TSV）技術。2016年，索尼轉向了一種稱為“銅混合鍵合”的互連技術。三星仍處于TSV陣營中，而豪威科技則同時采用TSV和混合鍵合兩種工藝。在混合鍵合中，使用銅-銅互連連接管芯。在晶圓廠中對兩片晶圓進行處理，一片是邏輯電路，另一片是像素陣列。使用電介質-電介質鍵合（dielectric-to-dielectric bond）將兩片晶圓鍵合在一起，然后完成金屬與金屬的互連。TSV和混合鍵合均可實現精細的像素間距。Lam的Haynes說：“在CMOS圖像傳感器像素和邏輯電路兩片晶圓堆疊的BSI結構，TSV和混合鍵合可能會繼續共存。但是隨著多層堆疊BSI圖像傳感器的發展，TSV集成將變得越來越重要。”談起其它技術趨勢。KLA（科天）營銷高級總監Steve Hiebert說：“將來，我們有望看到與CMOS圖像傳感器芯片堆疊相關的兩種趨勢。首先是進一步縮小像素間距，以實現更高的芯片互連密度。另一種是三個或更多器件的堆疊。”pixel-to-pixel互連將是未來的“重磅炸彈”。Xperi正在開發一種稱為“3D混合BSI”的技術，用于像素級集成。索尼和豪威科技已經展示了這項技術。Xperi產品營銷高級總監Abul Nuruzzaman說：“3D混合BSI可以實現更多的互連。實現每個像素與關聯的模數轉換的像素級互連。這允許對所有像素進行并行的模數轉換。該連接提供了堆疊像素層和邏輯電路層之間的高密度電氣互連，從而實現了與有效百萬像素數量一樣多的模數轉換器。混合鍵合還可以將堆疊式內存中的專有內存與對應像素的互連。”這種架構支持大規模并行信號傳輸，從而可以高速讀取和寫入圖像傳感器的所有像素數據。Nuruzzaman表示：“這可以為對時間要求非常嚴苛的各種應用（例如自動駕駛汽車、醫學成像和高端攝影）提供實時比例縮放像素的全局快門和高分辨率成像。”
結論
顯然，CMOS圖像傳感器市場是動態變化的。在新冠疫情爆發期間，對于CMOS圖像傳感器廠商而言，2020年將是艱難的一年。盡管如此，市場上還會涌現創新浪潮。IC Insights的Lineback表示：“嵌入式CMOS圖像傳感器和攝像頭在安防、安全、基于視覺的用戶界面和識別、物聯網、自動駕駛汽車和無人機等更多系統中的應用前景依然可期。”
舉報/反饋
圖像傳感器是將光信號轉換為電信號的裝置，在數字電視、可視通信市場中有著廣泛的應用。目前，最引人注目，最有發展潛力的是采用標準的CMOS(Complementary metal Oxide Semiconductor 互補金屬氧化物場效應管)技術來生產的圖像傳感器，即CMOS圖像傳感器。CMOS圖像傳感器芯片采用了CMOS工藝，可將圖像采集單元和信號處理單元集成到同一塊芯片上。
CMOS圖像傳感器具有體積小、功耗低、價格低及可大規模批量生產等優勢，在圖像傳感器領域占有率達到90%。被廣泛應用于智能手機、數碼相機、自動駕駛、安防、IOT等領域，未來市場潛力巨大。
智能手機
眾所周知，移動端一直是CMOS圖像傳感器重要的市場。智能手機中廣泛采用了雙攝像頭和3D攝像頭，增加鏡頭有助于手機廠商在銷售策略上與競爭產品拉出差距。廠商對相機模組的搭載，尤其是采用200萬到500萬低像素的功能鏡頭來增加產品的鏡頭數量更加積極。
通常CMOS傳感器又會分為：背照式CMOS傳感器和堆棧式CMOS傳感器。
背照式CMOS傳感器將光電二極管和布線層進行對調，從而讓光線首先進入感光電二極管，從而增大感光量，顯著提高低光照條件下的拍攝效果。像我們所熟知的iPhon、小米、魅族都是搭載的這類傳感器。
而堆棧式CMOS傳感器則是背照式CMOS傳感器的衍生產物，它是目前手機攝像頭中應用最廣泛的一種，也是最先進的一種，屬于索尼的獨家技術。
而值得一提的是，感光元件只是手機類攝像頭組成中不可或缺的一部分，但不是成像質量的決定性因素，這其中還包括廠商通過軟件對硬件的優化調校，使其讓人感覺最好的效果，這也是目前各家廠商在手機攝像畫質方面效果差異最大的決定性因素之一。
數碼相機
在數碼相機領域的早期，CCD是無可爭議的霸主，絕大部分數碼相機都采用CCD成像，只有佳能在自己的高端單反相機型號上采用CMOS元件。不過近年來，CMOS發展勢頭迅猛，幾乎已經在家用單反相機中一統江湖。
CMOS的色彩飽和度和質感則略差于CCD，但處理芯片可以彌補這些差距。重要的是，CMOS具備硬件降噪機制，在高感光度下的表現要好于CCD。此外，它的讀取速度也更快，非常省電，甚至具備了拍攝全高清（FullHD）視頻的能力。
這些特性特別適合性能較高的單反相機，因此目前市場中常見的單反數碼相機幾乎都采用了CMOS傳感器。
自動駕駛
車載攝像頭作為ADAS感知層的關鍵傳感器之一，市場空間將快速提升，直接拉動CMOS市場規模的增長。
CMOS圖像傳感器不僅被安裝在汽車倒車影像、防碰撞系統之內，還是ADAS感知層的關鍵傳感器之一，隨著自動駕駛技術的發展，汽車廠商將會為自家車輛產品導入更多車載攝像頭來獲取外界信息。
而每增加一個攝像頭，就需要增加一塊CMOS傳感器，所以車載應用將是CMOS圖像傳感器各主要應用市場中增速最快的方向。
根據YOLE的最新預測，車載圖像傳感器市場空間將從2016年的22億美金增長至2022年的77億美金，是車用傳感器(包括各類雷達、壓力傳感器、慣性傳感器等)中增長最快、占比最高的細分產品。
同時，汽車市場也將成為僅次于手機的第二大CMOS傳感器應用領域。
安防
安防監控離不開視覺信息的獲取，必須依賴圖像傳感器，攝像頭是視頻監控前端的重要設備。隨著整個安防監控行業規模的不斷擴大，預估到2020年該領域CMOS圖像傳感器的市場規模將達到9.12億美元，占到行業市場份額的6%。
IOT
在IOT領域，大量電子硬件設備需要搭載相機模組，實現影像、人臉識別、視頻通話等功能。比如電視、智能音箱、無人機、VR/AR等產品。
此外，在醫療、工業系統等領域也需要用到大量的CMOS圖像傳感器。現今醫療和科研領域則在謀求使用成本更低效果更好的CMOS傳感器來替代大部分老舊產品；隨著機器視覺的發展，越來越多的工業生產線會引入圖像傳感器來提高生產效率和質量。
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