- 走进3D视觉系列（六）：新兴应用驱动下的图像传感器

CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor，简称 CIS）。CMOS图像传感器在问世初期成本很高，但随着大规模集成电路的迅速发展，量产能力提升，成本降低。相比CCD，CMOS图像传感器功耗更低，集成度高，读取电路简单，读取速度快。虽然某些成像指标差于CCD，但随着工艺的改进，CIS的应用范围逐步扩大。特别是3D摄像头的出现，CMOS图像传感器市场仍能实现2016~2022年10.5%的复合年增长率（CAGR）。摄像头从2D转变为3D，驱动着CMOS图像传感器产业发生变化，从成像质量到人机交互。新兴应用，如无人机拍摄、生物特征识别、增强现实（AR）等，也是CMOS图像传感器的潜在用户。

CMOS图像传感器的应用趋势

CMOS图像传感器由微透镜、颜色滤镜、金属电路、光电二极管、硅场效应晶体管所构成。可以看到颜色滤镜的红、绿、蓝的比例为1:2:1，绿色的比例高于其他两种颜色，这是因为人眼对绿色最敏感，这样可以模拟人眼的视觉感受。光源经由颜色滤镜照射光电二极管，在光电二极管内产生电子-空穴对。将电子-空穴对分离，并经硅场效应晶体管放大信号送至数据线，最后经图像处理芯片处理后输出影像。

CMOS图像传感器结构示意图

前照式（Front-illuminated Structure，FSI）曾经为CMOS图像传感器所采用的主流技术，具有大批量生产能力、高可靠性和高良率以及颇具吸引力的性价比等优势。从工作原理来讲，光是从前面的金属电路进入，然后再聚焦在光电二极管上。对于较大的像素，FSI都十分有效，因为像素堆叠（pixel stack）高度与像素面积之比很大，致使像素的孔径也很大。日益缩小的像素需要一系列像素技术创新来解决FSI技术在材料和制造方面的局限性。

背照式（Back-illuminated Structure，BSI）是如今的技术趋势。采用BSI构建像素，光线无需穿过金属互连层。BSI的第一步是汇聚进入光电二极管光学区域的入射光，其光学要求与FSI相同，不过现在微透镜的位置更接近光电二极管，需要淀积更厚的微透镜材料层，以获得更短的焦距。

FSI、BSI和3D堆叠式BSI器件结构对比

而由索尼首创的堆叠式BSI技术正在改变竞争格局和市场状态。堆叠BSI图像传感器分层堆叠像素，包括片上背照式结构像素的形成，芯片包括用于信号处理的电路，将代替用于传统背照式CMOS图像传感器的支撑衬底。该种图像传感器还能集成更多功能，如自动对焦（AF）和光学防抖（OIS）。除了获得更佳画质与先进功能，“堆叠式结构”的使用还帮助索尼实现更为紧凑的产品尺寸。

日韩称霸，多数厂商齐成长

最近几年，麦姆斯咨询携手Yole定期发布图像传感器及3D摄像头新闻动态，每年也都出版产业研究报告，《CMOS图像传感器产业现状-2017版》和《3D成像和传感-2017版》报告已于近期发布，欢迎咨询购买。

在2016年，CMOS图像传感器产业领导者索尼独占42%的市场份额，而三星获得18%的市场份额。尽管东芝（Toshiba）表现不佳，退出市场，但是去年三分之二的厂商都有所增长。三星（Samsung）、豪威科技（Omnivision）、松下（Panasonic）都实现了同比增长15%的优秀业绩。这些“大玩家”的发展，彰显出亚洲厂商在CMOS图像传感器产业中的重要地位。意法半导体（STMicroelectronics）通过开发3D飞行时间（ToF）器件来重启CMOS图像传感器业务。这些器件可以实现从“接近感测”到“距离测量”，再到“3D成像”。如果意法半导体在苹果iPhone 8中的应用传闻最终成真，那么这将可能成为2017年最大的CMOS图像传感器事件。

2016年CMOS图像传感器厂商的市场份额情况

随着3D视觉的兴起，用于测量景深的近红外图像传感器受到追捧，多家厂商已经推出新款成像产品。索尼（Sony）/Softkinetic一直在上述领域展开深入研究，为消费类、汽车类、工业类领域的图像传感器厂商提供独特的像元技术（pixel technology）。对于工业类应用，索尼（Sony）/Softkinetic将其技术授权给德州仪器（TI）；对于汽车类应用，索尼（Sony）/Softkinetic则将其技术授权给迈来芯（Melexis）。其它领先厂商还包括瑷镨瑞思（ESPROS）、英飞凌（Infineon）/ PMD等。当然，中国厂商也在蓄力储备，如艾普柯（Epticore）、思比科（Superpix）等。