汽車、手機(jī)、安防之后,誰將成為CMOS圖像傳感器的第四“戰(zhàn)場”?
發(fā)布時間:2021-08-16 來源:貿(mào)澤電子 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)的主要組成部分,對整個系統(tǒng)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(shù)碼相機(jī)變得極為普遍。其中,價格下跌背后的重要驅(qū)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(yīng)用的CCD傳感器低得多。
圖源:stock.adobe.com/asb63
圖像傳感器
圖像傳感器是數(shù)字成像系統(tǒng)的主要組成部分,對整個系統(tǒng)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(shù)碼相機(jī)變得極為普遍。其中,價格下跌背后的重要驅(qū)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(yīng)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(shù)碼相機(jī)中較早使用的一種圖像傳感器。在數(shù)碼相機(jī)出現(xiàn)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(shù)碼相機(jī)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(shù)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(shù)據(jù)傳輸速度,這也是越來越多的數(shù)碼相機(jī)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(zhuǎn)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(shù)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(dāng)光線通過鏡頭進(jìn)入相機(jī)時,就會照射到CMOS圖像傳感器,而每個光電探測器會根據(jù)照射到它的光線量積累電荷,然后數(shù)碼相機(jī)將電荷轉(zhuǎn)換為數(shù)字讀數(shù),從而確定每個光電探測器上測量的光強(qiáng)度以及顏色。相應(yīng)的軟件再將這些讀數(shù)轉(zhuǎn)換為單獨(dú)的像素,這些像素合在一起顯示時就構(gòu)成了照片。CCD器件則是由大量獨(dú)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(dāng)于傳統(tǒng)相機(jī)的膠卷。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多,其提供的畫面分辨率也就越高。
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(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(xiàn)方法更靈活,每個像素可以單獨(dú)讀取。
在功耗上:顧名思義,CMOS圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制造,它允許我們將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)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(dāng)于CMOS傳感器的100倍。
在成本上:CMOS芯片可以在任何標(biāo)準(zhǔn)的硅生產(chǎn)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(jīng)大量生產(chǎn)了較長的時間,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(yīng)用,它能提供出色的感光度。傳統(tǒng)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CMOS圖像傳感器性能的不斷提高,在某些應(yīng)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(jī)”成為可能,符合相機(jī)小型化的趨勢。芯片相機(jī)的崛起為車載、軍工航天、醫(yī)療、工業(yè)制造、移動、攝影、安防等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新提供了新機(jī)遇。
CMOS圖像傳感器在多領(lǐng)域的應(yīng)用
據(jù)Yole的分析數(shù)據(jù),2017年,CMOS圖像傳感器開始進(jìn)入高增長階段,同比增長達(dá)到20%。2018年,全球市場規(guī)模約155億美元,2019年同比增長10%,達(dá)到170億美元。目前,CMOS圖像傳感器市場正處于穩(wěn)定增長期,預(yù)計2024年市場逐漸趨于飽和,市場規(guī)模升至240億美元。
圖1:CMOS圖像傳感器全球市場規(guī)模
(圖源:Yole,西南證券)
根據(jù)IC Insights最新發(fā)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(yù)測》,CMOS圖像傳感器的銷售額將在2021年重新獲得強(qiáng)勁的高增長勢頭,增長19%,達(dá)到228億美元,這將是自2010年以來全球銷售額連續(xù)第10次創(chuàng)下歷史新高。在2020-2025年的五年預(yù)測期,CMOS圖像傳感器的銷售額將以12.0%的復(fù)合年增長率(CAGR)增長,2025年達(dá)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(dá)到135億只,而2020年為67億只。5G智能手機(jī)、機(jī)器視覺和更多嵌入式攝像頭的應(yīng)用是CMOS圖像傳感器銷售額屢創(chuàng)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(jī)構(gòu)的市場預(yù)估數(shù)據(jù)雖有差異,但總體來看,CMOS圖像傳感器已經(jīng)處于市場較快發(fā)展階段,應(yīng)用前景可期。
車載系統(tǒng)
車載領(lǐng)域的CMOS圖像傳感器應(yīng)用包括后視攝像(RVC)、全方位視圖系統(tǒng)(SVS)、攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)(CMS)、FV/MV、DMS/IMS(駕駛員監(jiān)控系統(tǒng)/)系統(tǒng)。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(wěn)定增長趨勢,2016年全球銷量為5100萬臺,2018年為6000萬臺,2019年預(yù)計達(dá)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(yù)計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢,預(yù)計2019年銷量可達(dá)4000萬臺,2021可達(dá)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(jīng)成為中高端車型的標(biāo)配,主要應(yīng)用于倒車影像系統(tǒng)。在高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)中,攝像頭和CMOS圖像傳感器是其核心組件。若要實現(xiàn)自動緊急剎車(AEB)、自適應(yīng)巡航(ACC)、疲勞監(jiān)測、車道偏離輔助、360°環(huán)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(tǒng)是未來五年CMOS圖像傳感器中增長最快的應(yīng)用,2025年銷售額將以33.8%的復(fù)合年增長率增長,達(dá)到51億美元。
安森美半導(dǎo)體是全球CMOS圖像傳感器的主要供應(yīng)商之一,其圖像傳感器產(chǎn)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(xué)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(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(shù)據(jù)可以看到,截至2019年,該公司應(yīng)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(jī)
截至目前,智能手機(jī)仍是CMOS圖像傳感器最大的終端應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展,越來越多的智能手機(jī)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(jī)攝像頭傳感器的新選擇。與此同時,更多的智能手機(jī)開始用上1/2.3英寸級的CMOS圖像傳感器。智能手機(jī)攝像頭數(shù)量的增加,進(jìn)一步帶動了CMOS圖像傳感器用量的提升。Yole的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,平均每部智能手機(jī)CMOS圖像傳感器數(shù)量在2024年將達(dá)到3.4個,年復(fù)合增長率達(dá)到6.2%。接下來的幾年,智能手機(jī)行業(yè)對CMOS圖像傳感器的需求仍將保持較為穩(wěn)健的增長。
圖4:2017--2024年手機(jī)攝像頭增長預(yù)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(jù)分析機(jī)構(gòu)Canalys發(fā)布的市場數(shù)據(jù),今年第一季度全球智能手機(jī)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(xiàn)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(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),使得具有視頻分析功能的智能安防監(jiān)控攝像頭開始大規(guī)模部署。全球安防攝像機(jī)市場銷量在2015年約為28萬件,其中監(jiān)視攝像機(jī)約8萬件,安保系統(tǒng)攝像機(jī)約20萬件。預(yù)計到2021年安防攝像機(jī)市場銷量約64萬件,其中監(jiān)視攝像機(jī)約22萬件,年均復(fù)合增長率為18%,安保系統(tǒng)攝像機(jī)約42萬個,年均復(fù)合增長率約13%。據(jù)IC Insights預(yù)測,全球安防監(jiān)控領(lǐng)域CMOS傳感器在2020年的需求量有望達(dá)到9.12億美元,復(fù)合增長率為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400萬像素。Nyxel技術(shù)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(jiān)視系統(tǒng)而言,這種性能的提升可以減少攝像機(jī)鏡頭周圍的IR LED數(shù)量,節(jié)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(jiān)控圖像傳感器,率先達(dá)到了在線性模式和多重曝光寬動態(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。除了寬動態(tài)范圍,AR0331還帶有內(nèi)置自適應(yīng)區(qū)域色調(diào)映射功能。此外,AR0331圖像傳感器中新增了3D立體攝像技術(shù),能使多個攝像機(jī)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(yī)療影像
醫(yī)療成像設(shè)備行業(yè)是一個潛力巨大的市場。2016年,醫(yī)療傳感器市場規(guī)模約3.5億美元,預(yù)計到2022年將達(dá)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(yī)療影像領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前,CMOS圖像傳感器主要應(yīng)用于X-Ray以及內(nèi)窺鏡領(lǐng)域。2018年,CMOS X-Ray成像設(shè)備市場的收入為2.45億美元,預(yù)計到2024年將增長至5.1億美元,年復(fù)合增長率13%。
CMOS圖像傳感器的小型化是其應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵,特別是對柔性視頻內(nèi)窺鏡這樣的應(yīng)用,比如喉鏡、支氣管鏡、關(guān)節(jié)鏡、膀胱鏡和宮腔鏡等,CMOS電子內(nèi)窺鏡可得到高清晰度圖像,有利于醫(yī)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(jù)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(fù)使用內(nèi)窺鏡的800萬像素分辨率的醫(yī)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現(xiàn)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(jié)語
CMOS圖像傳感器最重要的優(yōu)點是可以將傳感器與成像系統(tǒng)所需的其他模擬和數(shù)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(nèi)降噪能力穩(wěn)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(xù)下降中,價格上的競爭優(yōu)勢始終得以保持。
眾所周知,智能手機(jī)、汽車、安防,是CMOS圖像傳感器的三大主力應(yīng)用市場。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(yī)療影像市場打下了堅實的基礎(chǔ)。而醫(yī)療影像市場亦將成為CMOS圖像傳感器大力拓展的第四戰(zhàn)場,產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的新引擎。
來源:貿(mào)澤電子
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