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CMOS图像传感器的那些事

随着全 面屏的发展,手机对于前置摄像头模组的要求是尽可能做小、做薄。而决定摄像头模组的尺寸的,主要是CMOS图像传感器和镜头的尺寸。近日,三星电子宣布推出当下*小的CMOS图像传感器,专门针对全 面屏形态的手机。


对于手机 、数码相机、数字电视等智能设备,必不可少的就是图像传感器。这个市场已迎来高峰时期,CMOS图像传感器供应商之间的竞争也正在升温。


本篇将聚焦CMOS技术,说说有关CMOS图像传感器的那些事。


图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的电子设备。为满足不同应用的特殊目标而设计的,它提供了不同级别的灵敏度和质量。


美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象,提出了固态成像这一新概念和一维CCD(Charge-Coupled Device电荷耦合器件)模型器件。此后很长一段时间CCD主导着图像传感器市场。


但是随着CCD应用范围的扩大,其缺点逐渐暴露出来。CCD技术芯片技术工艺复杂,不能与标准工艺兼容。这种芯片需要的电压功耗也较大,因此CCD技术芯片价格昂贵且使用不便。



CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor  互补金属氧化物场效应管)图像传感器从90年代开始获得业界重视并且得到大量人力、物力进行研发,由于CMOS图像传感器具有性价比高、体积小、功耗低等特点,逐步扭转市场格局。


目前市场上几乎已经呈现CMOS技术独霸的现象。


那么,CMOS技术是什么?与CCD技术又有何区别?


“模拟”CCD执行光子到电子的转换。CCD的设计目的是将电荷逐个像素地移动,直到它们到达专用读出区域放大器。CCD是线性传感器,其输出与接收到的光子数量直接相关。


“数字”CMOS图像传感器(CIS)执行光子到电压的转换,它直接在像素上进行放大。更上等的CIS技术提供了一个并行读出架构,其中每个像素都可以单独寻址,或者作为一个组并行地读出。




CMOS图像传感器有四个主要组件:

1

光电二极管(PD)

2

像素设计

3

彩色滤光片(CF)

4

微透镜


光电二极管(PD)用于捕捉光,一般用于实现这一功能的是PIN二极管或PN结器件。*广泛实现的像素设计被称为“有源像素传感器”(APS)。通常使用3—6个晶体管,它们可以从大型电容阵列中获得或缓冲像素。彩色滤光片用于分离反射光的红、绿、蓝(RGB)成分。*后,微透镜从CIS的非活性部分收集光,并将其聚焦到光电二极管。微透镜通常具有球形表面和网状透镜。


综上,CMOS图像传感器具有体积小、功耗低等优势,且CMOS传感器的制造成本远低于CCD传感器,使其在图像传感器领域占有率达到90%。


同时,CMOS图像传感器的背照式和堆栈式技术也逐渐发展起来,使得CMOS图像传感器的应用场景越来越广。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技术等新兴市场的推动,CMOS图像传感器正迎来新一轮的产业成长高峰。


CMOS图像传感器产业 · 国外篇


CMOS图像传感器产业,从占据42%市场份额的全球龙头企业索尼的运营复苏中获益,以较高的增长速度发展,并已成为半导体行业中关键的组成部分。


其下游应用领域广阔。据IC Insights预测,2020年在CMOS领域,手机市场占比将会降低到48%,自动控制、安防、电脑等领域的占比将逐渐增大。


索尼


目前,索尼依然是CMOS感光元件市场的优良领导者。


这得益于索尼传感器极高的画质表现以及相对朴实的价格,纵观CMOS图像传感器份额*大的手机市场,索尼几乎垄断了所有中优异手机品牌。


在iPhone 4S后,苹果就一直是索尼CMOS的大客户。此外,三星、华为、OPPO等品牌的机器也选用了索尼图像传感器。


2015年底,索尼以1.55亿美元收购东芝的图像传感器业务。此次收购包含工厂、设备以及相关员工。收购后,东芝的图像传感器业务将全部整合于索尼半导体子公司下掌管运营。


索尼在大中华区的授权分销商有:深圳市科辉特电子、宏展数码、广州市码尼电子科技、广州市麦盛能源科技、深圳市博的电子科技、深圳市赛特美安防电子等。(不完全统计,欢迎补充)


三星


2014年,三星在遭遇智能手机销量严重下滑之后,开始更关注电子元器件的设计与生产。


在多年的坚持之后,三星传感器无论在技术水平还是市场占有率上都"开花结果"。对老大索尼的市场也是虎视眈眈,2015年索尼CMOS缺货,三星有了可乘之机,抢走不少中国客户。


在1月,三星发布了当下*小的CMOS图像传感器,专门针对全 面屏形态的手机。三星称,这颗5.1mm的传感器可用于屏幕开孔或者刘海屏手机,可做前置,也可做中端手机的后置长焦拍摄元件。


对比之前1/3英寸、2000万像素的CMOS,模块高度降低了7%;对比1300万像素、相同高度的CMOS,3T2的数码变焦能力提升了60%。


按计划,三星将于今年**季度量产。未来三星的中端机和以魅族、小米为代表的国产手机有望将会采用。


三星电子在大中华区的授权分销商有:深圳升邦电子、深圳市万瑞尔、爱施得、昆山锦腾贸易有限公司、成都欣诺通讯科技、深圳市科辉特电子等。(不完全统计,欢迎补充)


豪威科技


OmniVision(简称OV)美国半导体公司,成立于1995年,专业开发高度集成CMOS影像技术。该公司精通微处理器、微控制器、特殊功能逻辑、具有丰富的模拟电路、数/模混和电路设计经验。其长期致力于为微电子影像应用设计和提供基于CMOS影像芯片的解决方案。


该公司是*早也是*具规模的一家进入CMOS传感器应用在拍照手机厂商。2003年拍照手机刚开始应用时,CCD技术清一色的日本供应商,CMOS技术则主要是欧美厂商。其中OV公司产品*具影响力。全球三分之一的手机摄像头采用OV,在2011年之前,OV无疑是图像传感器市场的老大。



豪威科技这些年来进行大量前瞻性的研发,比如在强光照射或者黑夜星光等极端光环境下的图像显示。


豪威在大中华区的授权分销商有:普桦科技股份、深圳启赛电子等。


安森美


“做现代图像传感器的创造者。”安森美半导体提出的这一口号并不是信口开河。为达到今天的地位,安森美先后完成了三次并购。


2011年2月,安森美半导体以3140万美元完成收购赛普拉斯CMOS图像传感器业务部。


2014年4月 安森美半导体以9500万美元现金收购图像传感器设备制造商TRUESENSE Imaging。


2014年8月,安森美半导体签署以4亿美元收购汽车及工业市场优越的高性能CMOS图像传感器供应商Aptina Imaging。


收购Aptina大幅扩充了安森美半导体的图像传感器业务,建成公司在汽车及工业半导体市场快速增长的图像传感器领域的优越地位。



安森美在成像领域拥有四十余年的经验,同时也提供着业界*多的产品组合,同时也在积极开发生态系统及客户方案等方面,尤其是针对中国市场还提供了大量的本地化工作。


除了CMOS摄像头之外,安森美也一直在CCD市场进行革新。安森美认为:“在大部分高清工业应用中,CCD仍然是*合适的方案。同时拥有CCD和CMOS两大产品线,也是安森美与行业竞争者的不同之处。”


佳能


佳能的CMOS传感器其实一直备受争议,其更新的速度远远比不上索尼。


看到相机市场在近年持续萎缩,佳能正寻求更多相机以外的出路,希望让其感光元件技术,扩展至其他市场,包括无人驾驶汽车、机械人、工业机器等等。



早在2014年,索尼便研发出了曲面CMOS传感器,在相机采用该传感器后,光线经折射后到曲面各点距离相同,镜头就不需要使用额外的镜片来修正像场和光线入射角,镜头体积可更加娇小。


CMOS图像传感器产业 ·国内篇


近年来,中国CMOS图像传感器产业积极布局突破,成立了多家CMOS图像传感器设计公司和IDM企业,加上各种创  新应用的落地,中国CMOS图像传感器生态系统将会变得越来越强大。


锐芯微电子


锐芯微电子有限公司是一家研发、销售图像传感器芯片的高科技公司,成立于2008年,致力于研发多项像素设计、电路设计以及图像与处理技术的应用,主要产品包括系列面阵以及线阵CMOS图像传感器。


锐芯发明的MCCD技术,是图像传感器技术的重大创 新,它综合了CCD和CMOS的优点,成倍地提高了感光灵敏度。



锐芯微提供的产品具有极高的性价比,应用领域包括视频监控、人机交互、工业监控以及其他专业应用领域,产品包括系列面阵以及线阵CMOS图像传感器,并提供定制CMOS图像传感器及多种IC定制设计服务。


思特威


思特威SmartSens以安防应用作为市场切入点,以更高感度、更高信噪比、更高灵敏度、更优异低光照性能作为核心需求,在人工智能(AI),智能感知和机器视觉等领域进行了布局。



思特威SmartSens开创将背照式(BSI)技术应用于全局快门CMOS图像传感器, 清晰捕捉高速运动物体的同时提供更胜一筹的高灵敏度体验。


格科微电子


格科微电子有限公司创立于2003年,是中国优越的无晶圆厂图像传感器设计公司,已经将目标瞄准到全球移动设备及消费电子市场。



其设计、开发及销售具成本优势的高质量CMOS图像传感器装置,该装置可采集光学图像并转换成数字图像输出信号。其图像传感器主要用于功能手机、智能手机及平板计算机等移动装置。格科微电子也设计、开发及销售LCD驱动芯片,该装置可驱动LCD面板将图像数据显示于屏幕上。


格科微电子的CMOS图像传感器具有成本低、质量高等特点,其图像传感器主要用于功能手机、智能手机及平板计算机等移动装置。


思比科微电子


一家由留学归国人员2004年在中关村科技园创办的高新技术企业——思比科微电子技术股份有限公司,专门从事CMOS图像传感器和图像处理芯片的研发和销售。



其核心技术为具有自主知识产权的“超级像素信号处理技术(SuperPix)”和"超级图像处理技术(Superlmage)"。研制成功的1200万像素高性能图像传感器芯片是中国首款突破千万级像素大关的国产芯片,代表了中国在该领域的*高水平。


比亚迪微电子


深圳比亚迪微电子有限公司是比亚迪集团旗下的独立子公司,自2003年开始致力于集成电路及功率器件的开发,并提供产品应用的整套解决方案。



在CMOS图像传感器方面,比亚迪消费类CMOS图像传感器每月出货量高达20KK,拥有114项国内外发明与砖利;而安防类CMOS图像传感器的月平均出货量达到2KK/M,主要应用于安防监控摄像机、IPC、车载摄像机和环境监测系统中。




此外,在CMOS图像传感器代工厂方面,华力微电子(HLMC)受益于豪威科技和TPSCo的生产转移。SK海力士显然陷入了“优先发展DRAM,而非CMOS图像传感器”的难题。中芯国际处于转型期,必须投资下一代技术来追赶优越者。


结语


目前,国内的CMOS传感器厂商与国外厂商还存在一定的差距,既需要雄厚的资金又要把规模做大。但一些国内优越的CMOS传感器厂商,依托自主核心技术,正逐步扩大份额、向中优异市场渗透。