CMOS图像传感器

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CMOS图像传感器

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。

微透镜：具有球形表面和网状透镜；光通过微透镜 时，CIS的非活性部分负责将光收集起来并将其聚焦 到彩色滤光片。

彩色滤光片（CF）：拆分反射光中的红、绿、蓝（RGB）成分，并通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。

光电二极管（PD）：作为光电转换器件，捕捉光并 转换成电流；一般采用PIN二极管或PN结器件制成。

像素设计：通过CIS上装配的有源像素传感器(APS) 实现。APS常由3至6个晶体管构成，可从大型电容 阵列中获得或缓冲像素，并在像素内部将光电流转换成电压，具有较完美的灵敏度水平和噪声指标。

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Bayer阵列滤镜与像

感光元件上的每个方块代表一个像素块，上方附着一­­层彩色滤光片（CF），CF拆分完反射光中的 RGB成分后，通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。经典的Bayer阵列是以2x2共四格分散RGB的方式成像， Quad Bayer阵列扩大到了4x4，并且以2x2的方式 将RGB相邻排列。

像素，即亮光或暗光条件下的像素点数量，是数码显示的基本单位，其实质是一个抽象 的取样，我们用彩色方块来表示。

图示像素用R（红）G（绿）B（蓝）三原色 填充，每个小像素块的长度指的是像素尺寸， 图示尺寸为0.8μm。

滤镜上每个小方块与感光元件的像素块对应，也就是在每个像素前覆盖了一个特定的颜色滤镜。比如红色滤镜块，只允许红色光线投到感光元件上，那么对应的这个像素块就只反映红色光线的信息。

随后还需要后期色彩还原去猜色，最后形成一张完整的彩色照片。感光元件→Bayer滤镜→色彩还原， 这一整套流程，就叫做 Bayer阵列。

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前照式（FSI）与背照式（BSI）

早期的CIS采用的是前面照度技术FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜尔阵列滤镜与光电二极管（PD）间夹杂着金属（铝，铜）区，大量金属连线的存在对进入传感器表面的光线存在较大的干扰，阻碍了相当一部分光线进入到下一层的光电二极管（PD），信噪比较低。

技术改进后，在背面照 度技术BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的结构下，金属（铝，铜）区转移到光电二极管（PD） 的背面，意味着经拜尔阵列滤镜收集的光线不再众多金属连线阻挡，光线得以直接进入光电二极管；BSI不仅可大幅度提高信噪比，且可配合更复杂、更大规模电路来提升传感器读取速度。

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CIS参数—帧

帧率（Frame rate）：以帧为单位的位图图像连续出现在显示器上的频率，即每秒能显示多少张图片。

而想要实现高像素CIS的设计，很重要的一点就是Analog电路设计，像素上去了，没有匹配的高速读出和处理电路，便无办法以高帧率输出出来。

索尼早于2007年 chuan'gan发布了首款 Exmor传感器。Exmor 传感器在每列像素下方 布有独立的ADC模数转 换器，这意味着在CIS芯 片上即可完成模数转换， 有效减少了噪声，大大 提高了读取速度，也简化了PCB设计。

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CMOS图像传感器全球市场规模

 2017年为CMOS图像传感器高增长点，同比增长达到20%。2018年，全球CIS市场规模155亿美元，预计2019年同比增长10%，达到170亿美元。

 目前，CIS市场正处于稳定增长期，预计2024年市场逐渐饱和，市场规模达到240亿美元。

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CIS应用—车载领域

车载领域的CIS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系统。

 汽车图像传感器全球销量呈逐年增长趋势。

 后视摄像(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。

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车载领域——HDR技术方法

 HDR解决方案，即高动态范围成像，是用来实现比普通数位图像技术更大曝光动态范围。

 时间复用。相同的像素阵列通过使用多个卷帘（交错HDR）来描绘多个边框。好处：HDR方案是与传统传感器兼容的最简单的像素技术。

缺点：不同时间发生的捕获导致产生运动伪影 。

 空间复用。单个像素阵列帧被分解为多个，通过不同的方法捕获：1.像素或行级别的独立曝光控制。

优点：单帧中的运动伪影比交错的运动伪影少。

缺点：分辨率损失，且运动伪影仍然存在边缘。

2.每个像素共用同一微透镜的多个光电二极管。

优点：在单个多捕获帧中没有运动伪影；

缺点：从等效像素区域降低灵敏度。

 非常大的全井产能。

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车载领域——闪变抑制技术

 多个集成周期（时间多路传输）。在每个整合期内对光电二极管充电进行多次进行采样，样品光电二极管比LED源频率更高。

 多个光电二极管（空间多路复用）。使用较大的光电二极管捕捉较低的轻松的场景；使用较小的不灵敏光电二极管在整个帧时间内集成（减轻LED闪烁）。

 每个像素由两个光电二极管构成。其中包含一个大的灵敏光电二极管和一个小的不灵敏光电二极管，小型不灵敏光电二极管可在整帧中合并，从而减轻LED闪烁。

优势在于有出色的闪变抑制、计算复杂度低；

劣势在于更大更复杂的像素架构、更复杂的读数和电路定时、大型光电二极管和小型光电二极管和之间的光谱灵敏度不匹配。

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车载领域——阵列摄像机

 阵列摄像机是一种新兴的摄像机技术，是指红外灯的内核为LED IR Array的高效长寿的红外夜视设备，可能是可行的LED检测解决方案。

 用于LED检测的低灵敏度摄像头可以实现图像融合的组合输出，并能够实现单独输出，或同时输出。

主要优势在于亮度高、体积小、寿命长，效率高，光线匀。

 目前，阵列摄像机还面临着诸多挑战。首先，汽车光学对准误差难以保持温度范围；其次，图像融合面向应用和复杂的计算；最后，高灵敏度和低灵敏度图像之间难以融合.

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车载领域——机器视觉传感器技术趋势

全局快门。CMOS传感器有两种快门方式，卷帘快门和全局快门。卷帘快门通过对每列像素使用A/D来提高读取速度，每列像素数量可达数千。

任何一个转换器数字化的像素总数显著减少，从而缩短了读取时间，提高了帧速率。但整个传感器阵列仍必须转换为一个一次排，这导致每行读出之间的时间延迟很小。

和机械式焦平面快门一样，卷帘快门对高速运动的物体会产生明显的变形。而且因为其扫描速度比机械式焦平面快门慢，变形会更加明显；全局快门则大大改善了应用于高度运动对象时的变形问题。

 改进的近红外（NIR）响应、高灵敏度滤色片阵列（RCCB）、数据加密处理、更高的帧速率、集成传感和处理 、3D成像。

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安防领域——当前监控摄像机类型

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安防领域——红外线摄像技术

 红外线摄像技术分为被动和主动两种类型。

被动型：拍摄对象自身发射红外光被摄像机接受以成像。这类设备昂贵并且对周围环境不能良好反映，所以在夜视系统中基本不采用。

主动型：配置有红外灯主动向外发射红外辐射，使红外摄像机接收反射回来的红外光，增强夜视能力。目前红外摄像机基本都配置LED红外发光二级管。

 主动型红外摄像机包含摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元。它贴切的名称为红外线增强摄像机。

感光元件的频谱足够宽时能对红外线到可见光的连续谱产生感应，形成包括红外线在内的光敏感。在普通可见光强下，宽范围感光元件增加了红外频段，在弱光条件下，也能获得清楚的图像。

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安防领域——红外光成像

 红外线摄影术以成像为目标。伴随着电子与化学科技的进展，红外线摄像技术逐渐演化出三个方向。

 近红外线底片：感应范围为波长700nm～900nm。在成像乳剂中加入特殊染料，利用光化学反应，使这一波域的光变化转为化学变化从而形成影像。

 近红外线电子感光材料：感应范围为波长700nm～2,000nm。利用含硅化合物晶体的光电反应形成电子信号，进过进一步处产生影像。

中、远红外线线感应材料：感应范围为波长3,000nm～14,000nm。需要使用冷却技术和特殊的光学感应器，加工处理形成电子影像。

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安防领域——索尼STARVIS技术

 最客观的比较传感器灵敏度的标准是像素内光子到电子转换效率，这种标准只涉及像元尺寸和量子效率，不需要传感器的其他参数。

 STARVIS图像传感器灵敏度达到2000mV* /μm2以上，是EXview HAD CCD II图像传感器灵敏度的两倍，比FI CMOS图像传感器的还要高。

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安防领域——索尼STARVIS技术

 普通CMOS像素都包含片上透镜、滤光片、金属配线层、光电二极管以及基板等部件。

 前照式像素技术使光线首先进入金属配线层。而背照式像素技术使光线首先进入光电二极管，从未避免光线被金属配线层遮挡，提高光线利用效率，能在低照度环境下形成优质画面。

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三星——汽车图像传感器

 安全性更高，感光性更好。卓越的感光性、高分辨率可展现精致细节。借助三星汽车图像传感器，无论在白天还是夜晚驾驶，都更安全。它可在黑暗和昏暗环境下提供卓越的灵敏度，这要归功于先进的像素技术ISOCELL，该技术可提供高分辨率，能够精确识别物体。

 为无人驾驶汽车提供更出色的检测。更出色的宽动态范围(WDR)，可进行更准确的物体识别。三星汽车图像传感器具有120db以上的宽动态范围，即使在高对比度环境下也可检测对象。它的高性能宽动态范围(WDR)功能可以传递准确的信息来帮助司机预防事故发生。

 无论温度如何变化，均可提供出色品质。在高温条件下也可提供卓越清晰度。三星汽车图像传感器符合行业各种严苛的标准，能够承受从−40°到105°C的极端温度条件，满足汽车电子委员会AEC-Q100 2级标准要求。即使在极端环境下也能提供优质图像。

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三星——汽车图像传感器

 三星在汽车图像传感器方面已经开发三个料号产品，分别为S5K2G1、S5K3B5、S5K4A1。

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豪威科技——车载摄像头

 车载摄像头目前基本在中高端车型上成为标配，主要应用于倒车影像系统中。未来随着高级驾驶辅助系统(ADAS)的需要，智能汽车如果需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 度环视等功能，则需要在车辆上配置 6-8 个摄像头。

 ADAS 视觉系统使用摄像头采集图像信息，通过算法分析出图像中的道路环境。因此，摄像头及其 CMOS图像传感器是 ADAS 的核心组成部分。

 高动态范围（HDR）与先进的图像信号处理（ISP） 一起提供了出色的场景再现，并防止了运动伪影。无论光线如何，都可以呈现清晰完整的场景。

 OmniBSI 具有背照功能，能够在最苛刻的低光条件下提供最佳的灵敏度。

 采用全局快门技术的OmniPixel3-GS, 它对近红外光具有很高的灵敏度，实现经济高效的驾驶者状态监测。

 汽车芯片级封装（a-CSP）技术 实现小巧耐用的相机模块。

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豪威科技——车载摄像头

 机器视觉应用（如避障和道路标志识别）都要求准确的场景再现。无论光线如何，传感器技术都必须提供全面的场景内容。豪威科技的LFM + HDR解决方案和低光性可以解决这些关键性问题。

 驾驶者状态监控应用，包括驾驶者分心或者疲劳驾驶监控，通常会使用全局快门传感器，它对近红外光具有高度敏感性，并且体积小巧，可以嵌入车身设计，满足设计需求

 用于显示的成像系统，如后视与环视系统以及e-mirror都需要极高的图像质量。通过卓越低光性能的BSI技术和HDR技术以及配套ASIC，豪威科技可以提供经济高效的显示系统。

 360度环绕立体视频采用车辆两侧安装摄像头，并由中央处理单元对其进行控制，以呈现俯视图像。豪威科技凭借图像传感器和ISP的专长，捕捉并处理高品质图像，从而实现更加自然的场景再现。

 自动及半自动驾驶汽车融合了多种传感技术，包括高分辨率摄像头，雷达，LIDAR及V2V通讯。豪威科技通过其一流的像素科技，开创全新科技前沿。

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豪威科技——机器人、无人机、VR/AR 摄像头

 虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、无人机领域是由教育、娱乐、游戏行 业所推动的 CMOS 图像传感器新兴市场。

HTC Vive、Oculus Rift 和 PS VR 等产品推动了消费级 VR 设备的普及;HoloLens、Vuzix Blade以及 Epson Moverio 等 AR 设备的接连推出，预示着 AR 设备市场将进入消费级应用阶段。

此类新兴领域将是 CMOS 图像传感器未来发展的着眼点和增长点。

数据来源：豪威官网，西南证券整理

豪威技术优势

 无人机是遥控飞机，并且配备先进的成像技术，使其能够执行各种功能，如空中摄影和摄像。高端消费市场的无人机可以配置避障和出色的航拍功能。

 虽然家用机器人系统目前只能实现单一的功能，比如吸尘，然而多用途机器人的未来充满光明。

豪威科技提供图像传感器、图像信号处理（ISP）和晶圆级封装技术，旨在满足所有这些应用的特定需求。

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豪威科技——CameraCubeChipTM 图像传感器集成芯片技术

 CameraCubeChipTM 图像传感器集成芯片技术是美国豪威在 CMOS 图像传感器行业特有先进技术之一，该技术特点为:提供业界最小的相机模组解决方案;使用 半导体工艺制造镜头；可过回流焊，无需底座或人工插接模组整机零件封装，降低人力成本；简化供应链，缩短产品上市周期。

审核编辑 ：李倩