细数CMOS图像传感器市场的前景

在影像需求日益强劲的今天，图像传感器作为这其中的重要元件，也受到市场众多企业的重视。在最初的数码相机上，图像传感器得到了发展，而后逐渐延伸到了手机、安防、汽车等众多领域。

CMOS图像传感器(CIS)增长迅速，CMOS凭借低成本、设计简单、尺寸小、功耗低、高集成度等优势，目前在民用消费电子市场迅速取代了CCD(电荷耦合器件)，市场份额已超过99%。在这样的背景下，行业主要参与者都在加大对CMOS图像传感器的投入力度，除了索尼、三星、豪威科技等行业知名品牌外，一些后起之秀也让业界眼前一亮。

作为一种能将物理量或者化学量转化为有用电信号的器件，CMOS图像传感器在近几年经历了翻天覆地的变化。别看CMOS图像传感器外形“娇小”，其所发挥的作用却十分巨大，它提供了不同级别的灵敏度和质量，能较好地满足不同应用场景的实际需要。本文将主要介绍CMOS图像传感器的整个发展过程。

图像传感器的发展历程

1、20 世纪50 年代

光学倍增管(简称PMT)出现。

2、20世纪60—70年代

20世纪70年代），IBM、Fairchild等企业开发光电以及双极二极管阵列。

1970年，CCD图像传感器在Bell实验室发明，并依靠CCD图像传感器的高量子效率、高灵敏度、低暗电流、高一致性、低噪音，一直成为图像传感器市场的主导。

3、20世纪90年代初

CMOS图像传感器的发展主要有三个阶段，分别是无源像素CMOS图像传感器、有源像素CMOS图像传感器和数字像素CMOS图像传感器。

无源像素CMOS图像传感器作为第一代CMOS图像传感器进入市场，相对初期CMOS图像传感器，PPS CMOS图像传感器主要改善了信噪比。

之后，APS CMOS图像传感器作为第二代CMOS图像传感器相继出现，和PPS CMOS图像传感器相对比，主要改善了读出噪声、数据读出速度，并在之后很长的一段时间内，APS CMOS图像传感器一度CMOS图像传感器的研究焦点。

4、20世纪末

在20世纪末，美国斯坦福大学提出了DPS CMOS图像传感器，使用像素级模数转换器和存储单元，将捕捉到的光信号直接转换为数字信号输出，旨在解决CCD图像传感器在处理动态范围和色彩真实性上的不足，最大程度地降低信号在排列中的衰减和干扰，提升成像质量。

5、当前状态

目前，应用在相机的CMOS图像传感器主要是APS CMOS图像传感器和DPS CMOS图像传感器，相对来说，APS CMOS图像传感器技术相对成熟，而DPS CMOS图像传感器技术越来越成为研究的焦点。

得益于超大规模集成电路技术（VLSI）和CMOS工艺水平的不断发展，在成像应用中，CMOS图像传感器的量子效率、填充因子等成像性能逐渐可以和CCD图像传感器相媲美，占据的市场份额逐渐扩大，犹如如今智能手机摄像头大多采用ＣＭＯＳ图像传感器，在水下探测、空间对地遥感等成像领域，ＣＭＯＳ图像传感器也有可能取代CCD图像传感器，进而逐渐成为多数成像领域图像传感器的主要选择。

▲图像传感器的历史沿革

相关定义解析

1、光学倍增管

光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。工作原理是：光电倍增管建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，结合了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件，可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区。广泛应用于验血，医学成像，电影胶片扫描（电视电影），雷达干扰和高端图像扫描仪鼓扫描仪中。

2、CCD

CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器，也叫图像控制器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为电信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。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。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。

和CCD图像传感器相对比，CMOS图像传感器具有低功耗、低操作电压、片上集成功能、低价格等优势，但是在CMOS图像传感器出现初期由于相对较差的性能和较大的像元尺寸，并没有得到很好的市场，后来随着超大规模集成电路技术（VLSI）和CMOS工艺水平的不断提高，CMOS图像传感器逐渐开始展现出CCD图像传感器不具有的优势，在图像传感器领域的市场份额逐渐扩大。

3、CMOS图像传感器

CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成,这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。

在CMOS图像传感器芯片上还可以集成其他数字信号处理电路，如AD转换器、自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等，为了进行快速计算甚至可以将具有可编程功能的DSP器件与CMOS器件集成在一起，从而组成单片数字相机及图像处理系统。

CMOS图像传感器参数

1、传感器尺寸

CMOS图像传感器的尺寸越大，则成像系统的尺寸越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。目前，CMOS图像传感器的常见尺寸有1英寸、2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。

2、像素总数和有效像素数

像素总数是指所有像素的总和，像素总数是衡量CMOS图像传感器的主要技术指标之一。CMOS图像传感器的总体像素中被用来进行有效的光电转换并输出图像信号的像素为有效像素。显而易见,有效像素总数隶属于像素总数集合。有效像素数目直接决定了CMOS图像传感器的分辨能力。

3、动态范围

动态范围由CMOS图像传感器的信号处理能力和噪声决定,反映了CMOS图像传感器的工作范围。参照CCD的动态范围,其数值是输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压之比,通常用DB表示。

4、灵敏度

图像传感器对入射光功率的响应能力被称为响应度。对于CMOS图像传感器来说,通常采用电流灵敏度来反映响应能力,电流灵敏度也就是单位光功率所产生的信号电流。

5、分辨率

分辨率是指CMOS图像传感器对景物中明暗细节的分辨能力。通常用调制传递函数(MTF)来表示,同时也可以用空间频率(lp/mm)来表示。

6、光电响应不均匀性

CMOS图像传感器是离散采样型成像器件,光电响应不均匀性定义为CMOS图像传感器在标准的均匀照明条件下,各个像元的固定噪声电压峰峰值与信号电压的比值。

7、光谱响应特性

CMOS图像传感器的信号电压Vs和信号电流Is是入射光波长λ的函数。光谱响应特性就是指CMOS图像传感器的响应能力随波长的变化关系,它决定了CMOS图像传感器的光谱范围。

CMOS图像传感器的工作原理

1、CMOS图像传感器的结构组成

CMOS图像传感器（CIS）是模拟电路和数字电路的集成。主要由四个组件构成：微透镜、 彩色滤光片（CF）、光电二极管（PD）、像素设计。

2、CMOS图像传感器的工作原理

下图为CMOS图像传感器的功能框图：

首先，外界光照射像素阵列，发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选通相应的行像素单元。

行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传输到对应的模拟信号处理单元以及A/D转换器，转换成数字图像信号输出。其中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。

模拟信号处理单元的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制信号。为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信号、行起始信号、场起始信号等。

从某一方面来说，CMOS图像传感器在每个像素位置内都有一个放大器，这就使其能在很低的带宽情况下把离散的电荷信号包转换成电压输出，而且也仅需要在帧速率下进行重置。CMOS图像传感器的优点之一就是它具有低的带宽，并增加了信噪比。由于制造工艺的限制，早先的CMOS图像传感器无法将放大器放在像素位置以内。这种被称为PPS的技术，噪声性能很不理想，而且还引来对CMOS图像传感器的种种干扰。

然而今天，随着制作工艺的提高，使在像素内部增加复杂功能的想法成为可能。现在，在像素位置以内已经能增加诸如电子开关、互阻抗放大器和用来降低固定图形噪声的相关双采样保持电路以及消除噪声等多种附加功能。实际上，在Conexant公司（前Rockwell半导体公司）的一台先进的CMOS摄像机所用的CMOS图传感器上，每一个像素中都设计并使用了6个晶体管，测试到的读出噪声只有1均方根电子。不过，随着像素内电路数量的不断增加，留给感光二极管的空间逐渐减少，为了避免这个比例（又称占空因数或填充系数）的下降，一般都使用微透镜，这是因为每个像素位置上的微小透镜都能改变入射光线的方向，使得本来会落到连接点或晶体管上的光线重回到对光敏感的二极管区域。

因为电荷被限制在像素以内，所以CMOS图像传感器的另一个固有的优点就是它的防光晕特性。在像素位置内产生的电压先是被切换到一个纵列的缓冲区内，然后再被传输到输出放大器中，因此不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的光晕现象。它的不利因素是每个像素中放大器的阈值电压都有细小的差别，这种不均匀性就会引起固定图像噪声。然而，随着CMOS图像传感器的结构设计和制造工艺的不断改进，这种效应已经得到显著弱化。

这种多功能的集成化，使得许多以前无法应用图像技术的地方现在也变得可行了，如孩子的玩具，更加分散的保安摄像机、嵌入在显示器和膝上型计算机显示器中的摄像机、带相机的移动电路、指纹识别系统、甚至于医学图像上所使用的一次性照相机等，这些都已在某些设计者的考虑之中。

影响CMOS传感器性能的因素

1、噪声

这是影响CMOS传感器性能的首要问题。这种噪声包括固定图形噪声FPN（Fixed pattern noise）、暗电流噪声、热噪声等。固定图形噪声产生的原因是一束同样的光照射到两个不同的象素上产生的输出信号不完全相同。噪声正是这样被引入的。对付固定图形噪声可以应用双采样或相关双采样技术。具体地说来有点像在设计模拟放大器时引入差分对来抑制共模噪声。双采样是先读出光照产生的电荷积分信号，暂存然后对象素单元进行复位，再读取此象素单元地输出信号。两者相减得出图像信号。两种采样均能有效抑制固定图形噪声。另外，相关双采样需要临时存储单元，随着象素地增加，存储单元也要增加。

2、暗电流

物理器件不可能是理想的，如同亚阈值效应一样，由于杂质、受热等其他原因的影响，即使没有光照射到象素，象素单元也会产生电荷，这些电荷产生了暗电流。暗电流与光照产生的电荷很难进行区分。暗电流在像素阵列各处也不完全相同，它会导致固定图形噪声。对于含有积分功能的像素单元来说，暗电流所造成的固定图形噪声与积分时间成正比。暗电流的产生也是一个随机过程，它是散弹噪声的一个来源。因此，热噪声元件所产生的暗电流大小等于像素单元中的暗电流电子数的平方根。当长时间的积分单元被采用时，这种类型的噪声就变成了影响图像信号质量的主要因素，对于昏暗物体，长时间的积分是必要的，并且像素单元电容容量是有限的，于是暗电流电子的积累限制了积分的最长时间。

为减少暗电流对图像信号的影响，首先可以采取降温手段。但是，仅对芯片降温是远远不够的，由暗电流产生的固定图形噪声不能完全通过双采样克服。现在采用的有效的方法是从已获得的图像信号中减去参考暗电流信号。

3、象素的饱和与溢出模糊

类似于放大器由于线性区的范围有限而存在一个输入上限，对于CMOS图像传感芯片来说，它也有一个输入的上限。输入光信号若超过此上限，像素单元将饱和而不能进行光电转换。对于含有积分功能的像素单元来说，此上限由光电子积分单元的容量大小决定：对于不含积分功能的像素单元，该上限由流过光电二极管或三极管的最大电流决定。在输入光信号饱和时，溢出模糊就发生了。溢出模糊是由于像素单元的光电子饱和进而流出到邻近的像素单元上。溢出模糊反映到图像上就是一片特别亮的区域。这有些类似于照片上的曝光过度。溢出模糊可通过在像素单元内加入自动泄放管来克服，泄放管可以有效地将过剩电荷排出。但是，这只是限制了溢出，却不能使象素能真实还原出图像了。

CMOS图像传感器的应用领域

得益于机器视觉、车载应用、人脸识别与安防监控的快速发展，以及多摄像头手机的广泛普及，CMOS图像传感器的市场规模不断扩大。根据IC Insights的市场分析报告，2019年CMOS图像传感器的销售额将增长9%，达到155亿美元的历史最高水平，然后2020年将再增长4%，销售额将达到161亿美元。IC Insights预测，2019年CMOS图像传感器出货量将增长11%，达到全球创纪录的61亿颗。

从智能手机应用领域来看，随着双摄像头甚至三摄像头的渗透率不断提升，CMOS图像传感器的市场需求将持续增长。值得注意的是，智能驾驶有望成为CMOS传感器的另一大下游应用。自动驾驶、汽车电动化需要更高分辨率的图像传感器平台，实现汽车的辅助驾驶及在夜间微光条件下的高动态范围感测，汽车慢慢成为了图像传感器产业继手机之后的又一个大金矿。

智慧城市是在城市当中实现物物相连。在每一个需要识别的物体上，都需要安装传感器。因此，传感器的升级换代成为了智慧城市能否实现快速发展的关键。随着智慧城市建设在全国范围内大力推进，传感器产业也将形成更大的市场。据专家预计，未来5年，我国传感器市场的年复合增长率将达到30%左右。可以说，物联网、智慧城市将是未来传感器的主要应用市场。

在工业4.0时代，最令人期待的发展是基于CMOS工艺的传感器技术。在CMOS传感器的应用场景不断丰富、终端对性能的需求不断加码的背景下，由于CMOS 技术有助于实现更小、更具智能的系统，并满足企业降低功耗、提升质量的市场需求，业内人士将加大在此方面的布局力度。

总结起来，人们对智能手机的双摄像头、三摄像头、3D摄像头已经屡见不鲜，再加上汽车、无人机、VR以及AR技术等新兴市场的有力推动，CMOS图像传感器将迎来新一轮的产业成长高峰机遇，计算机、汽车、医疗、安防和工业应用等领域将成为CMOS图像传感器的几大主要落地领域。而在以视觉为核心的安防监控系统中，CMOS图像传感器无疑扮演着相当重要的角色。

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