CMOS 圖像傳感器主導多種應用，提供巨大市場(chǎng)機遇

在過(guò)去十年里，CMOS圖像傳感器技術(shù)經(jīng)過(guò)連續改進(jìn)和不斷提高，已經(jīng)使其從主要服務(wù)于低端市場(chǎng)轉移到一些要求最苛刻的高性能應用。伴隨著(zhù)這種趨勢，CMOS圖像傳感器已經(jīng)開(kāi)始主導圖像傳感器市場(chǎng)，并為原始設備制造商（OEM）實(shí)現差異化提供了很多機會(huì )。

市場(chǎng)分析公司TSR估算，在2010年5月，CMOS圖像傳感器已經(jīng)在高端數字單反（DSLR）和無(wú)反光鏡數碼相機領(lǐng)域占據90％以上的市場(chǎng)份額。同樣，視頻共享網(wǎng)站YouTube在2011年發(fā)布的數據表明，通過(guò)基于CMOS圖像傳感器的移動(dòng)設備占據了絕大多數的視頻上傳，尤其是高清（HD）視頻。如果從整個(gè)行業(yè)中各個(gè)細分市場(chǎng)的出貨量總數方面考慮，CMOS無(wú)疑已經(jīng)是成像的技術(shù)贏(yíng)家。

相對于傳統的電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，CMOS圖像傳感器有如下幾個(gè)明顯的優(yōu)勢，包括可制造性、低功耗、易于集成、低成本，以及最近出現的高品質(zhì)圖像質(zhì)量?？偠灾?，這些內在優(yōu)勢已促使OEM開(kāi)發(fā)更具有競爭力、能更好地服務(wù)最終用戶(hù)的成像系統。

本文將討論CMOS圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢和在四個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域的創(chuàng )新，包括移動(dòng)電話(huà)、汽車(chē)、監控以及數碼相機（DSC）。在每一個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域，這些CMOS技術(shù)進(jìn)步已達到或超過(guò)了該領(lǐng)域的市場(chǎng)要求，CMOS的優(yōu)勢已使OEM能夠改進(jìn)成型的相機產(chǎn)品。

CMOS圖像傳感器驅動(dòng)移動(dòng)設備市場(chǎng)增長(cháng)和產(chǎn)品差異化
在移動(dòng)領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器已經(jīng)從低端手機市場(chǎng)走向完全的市場(chǎng)支配地位。CMOS圖像傳感器現在已經(jīng)是所有具備相機功能的移動(dòng)設備的當然之選，例如，智能手機和平板電腦。這些移動(dòng)設備正變得無(wú)處不在，也代表了移動(dòng)設備市場(chǎng)最重要的增長(cháng)領(lǐng)域。

今年3月，全球首要的市場(chǎng)分析公司IDC預計，全球智能手機市場(chǎng)出貨量在2011年增長(cháng)約49.2％，達到約4.52億部。IDC還預測，全球智能手機市場(chǎng)出貨量將在2015年達到9.257億部。與上述分析類(lèi)似，Infinite Research的研究報告顯示，在2011年1月，平板電腦的銷(xiāo)售量將以56％或更高的復合年增長(cháng)率增長(cháng)，根據目前的估計，出貨量將從去年的約1610萬(wàn)部增長(cháng)到2015年的1.47億部以上。

既然市場(chǎng)有如此大的增長(cháng)潛力，人們可能會(huì )認為OEM一定有很多機會(huì )來(lái)差異化他們的產(chǎn)品，從而提高他們的利潤。但有趣的是，事實(shí)可能并非如此。移動(dòng)設備領(lǐng)域兩個(gè)發(fā)展趨勢可能使該市場(chǎng)出現更大程度的同質(zhì)化。

首先，許多新開(kāi)發(fā)的智能手機和平板電腦將使用谷歌的Android操作系統。優(yōu)秀的Android操作系統在大多數情況下都是免費的，這去掉了與開(kāi)發(fā)智能手機和平板電腦相關(guān)的很大一部分負擔。因此，那些以前由于軟件開(kāi)發(fā)障礙而被拒之門(mén)外的OEM將能夠和世界上幾乎所有的其他移動(dòng)設備制造商在市場(chǎng)上同臺競爭?？傮w上說(shuō)，雖然這對于新興市場(chǎng)和相對較小的OEM有好處，使他們更具競爭力，但也意味著(zhù)消費者開(kāi)始認為來(lái)自一個(gè)廠(chǎng)家基于A(yíng)ndroid的平板電腦或智能手機與來(lái)自其他廠(chǎng)家的產(chǎn)品沒(méi)有多大區別。

其次，正像Arete Research分析師Richard Kramer預測，低成本的智能手機將具有更高的增長(cháng)速度。這些物料成本約為150美元或更少的手機可能會(huì )進(jìn)一步加劇移動(dòng)產(chǎn)品的同質(zhì)化。

那些希望獲得在市場(chǎng)上獲得競爭優(yōu)勢，并希望使自己產(chǎn)品區分于競爭對手的手機OEM要實(shí)現這樣的目標，不能從操作系統或者成本的角度來(lái)達到。OEM應力求為消費者提供差異化的特性和功能，如高性能500萬(wàn)像素到800萬(wàn)像素的攝像頭，或者能夠以相對較高的幀率捕獲高清視頻的能力。

對于移動(dòng)設備OEM來(lái)說(shuō)，已經(jīng)成為移動(dòng)設備首選并且是最佳選擇的CMOS圖像傳感器可能是獲得更高利潤和贏(yíng)利的關(guān)鍵。

有明顯的例證表明，智能手機的相機對于消費者非常重要，相機性能對消費者最終從哪個(gè)商家購買(mǎi)產(chǎn)品可能有很強的影響力。例如，在2010年7月，Pew Research的一份研究報告顯示，76％的受訪(fǎng)成年人使用手機的相機。相比之下，72％的受訪(fǎng)者發(fā)送短信，38％的受訪(fǎng)者用手機訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。同一項調查發(fā)現，34％的人使用他們的手機錄制視頻。最近，2011年3月的一個(gè)GSMArena Camera Phone（照相手機）使用報告顯示，98％的受訪(fǎng)手機用戶(hù)都以一定的頻率使用他們的照相手機。

在這個(gè)細分市場(chǎng)，照相機及其所引發(fā)的各種應用，如視頻通話(huà)或實(shí)景增強（augmented reality）等等，可能會(huì )成為區分于其他不具特色Android手機的一個(gè)關(guān)鍵不同點(diǎn)和對照。

在500萬(wàn)像素到800萬(wàn)像素范圍內CMOS圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步，將更有助于這種差異化。從圖1的例子可以看出，Aptina公司采用A-PIX技術(shù)，以提高量子效率，并降低在CMOS圖像傳感器上產(chǎn)生的串擾。這種像素技術(shù)采用如導光體、深光電二極管和65nm工藝等先進(jìn)技術(shù)，來(lái)改善像素性能以及整體圖像質(zhì)量。通過(guò)使用經(jīng)過(guò)驗證的半導體制造工藝技術(shù)，具備A- Pix技術(shù)的CMOS圖像傳感器能夠提供在性能和成本等方面的優(yōu)勢，使它們成為智能手機和平板電腦應用的絕佳選擇。

圖1 在30lux條件下，用Aptina公司A-Pix技術(shù)800萬(wàn)像素，1.4μm像素圖像傳感器拍攝的圖片

CMOS圖像傳感器驅動(dòng)先進(jìn)的汽車(chē)應用方案
隨著(zhù)汽車(chē)成像系統變得更加復雜、要求更苛刻，CMOS圖像傳感器也在不斷發(fā)展和改善，從而有效地滿(mǎn)足新時(shí)代汽車(chē)智能解決方案的要求。 CMOS技術(shù)的改進(jìn)得益于在過(guò)去十年中產(chǎn)業(yè)在新技術(shù)方面數十億美元的研發(fā)投資。由此帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步可使汽車(chē)OEM廠(chǎng)商差異化他們的產(chǎn)品，并提供先進(jìn)的和所需要的功能。更重要的是，這些技術(shù)進(jìn)步也幫助汽車(chē)系統OEM制造出操作簡(jiǎn)單、且更安全的汽車(chē)，滿(mǎn)足消費者和政府機構的需求。一個(gè)典型的例子是美國政府提出的新要求，該要求將導致強制安裝后視系統，也就是通常所說(shuō)的備份（backup）攝像系統。

顯然，CMOS圖像傳感器是這種汽車(chē)子系統的重要組成部分，一個(gè)備份相機等看似簡(jiǎn)單的應用，卻對工作溫度范圍、傳感器的動(dòng)態(tài)范圍、光譜范圍、甚至功耗等都有相當嚴格的要求。至少在某些情況下，CMOS圖像傳感器是唯一能滿(mǎn)足所有規格要求的成像解決方案，而通過(guò) CCD根本無(wú)法實(shí)現。

其他重要的先進(jìn)駕駛員輔助解決方案（ADAS）包括：結合使用CMOS成像器、測距技術(shù)和其他車(chē)載傳感器的車(chē)道偏離警告系統，可以幫助司機行駛在自己的車(chē)道內；結合CMOS圖像傳感器、超聲波傳感器和線(xiàn)驅?zhuān)╠rive-by-wire）功能實(shí)現的駐車(chē)距離控制系統甚至自動(dòng)平行停車(chē)系統；依靠CMOS圖像傳感器實(shí)現的標志識別系統，可用來(lái)幫助司機避免事故的發(fā)生；自適應巡航控制（adaptive cruise control）系統，可以通過(guò)使用CMOS傳感器和測距儀來(lái)防止在高速公路上發(fā)生意外事故。上述提到的例子只是數十個(gè)已經(jīng)生產(chǎn)或者正在開(kāi)發(fā)的汽車(chē)成像應用中的一些而已。

這些各式各樣的汽車(chē)安全性和方便駕駛系統可分為場(chǎng)景觀(guān)察和場(chǎng)景處理應用。

場(chǎng)景觀(guān)察應用是把視覺(jué)信息傳達給司機。上述提到的備份攝像系統是一個(gè)典型的例證。在這些應用中，對圖像傳感器的關(guān)鍵要求包括高工作溫度、卓越的低光照性能、寬動(dòng)態(tài)范圍（WDR）和低功耗等等。當然，在達到這些性能的同時(shí)，也必須同時(shí)符合汽車(chē)質(zhì)量標準，并在高批量下實(shí)現更低的單位成本。

舉例來(lái)說(shuō)，Aptina公司的MT9V128和MT9V129是專(zhuān)為汽車(chē)場(chǎng)景觀(guān)察應用而設計的VGA系統級芯片（SOC）解決方案。同樣，Aptina公司為下一代場(chǎng)景觀(guān)察攝像頭提供先進(jìn)的百萬(wàn)像素級（MT9M024）解決方案。
場(chǎng)景處理汽車(chē)應用往往需要CMOS圖像傳感器提供信息，結合其他系統的輸入信息，來(lái)做出警告駕駛員、甚至調整汽車(chē)的路徑或速度等具體決定。車(chē)道偏離預警系統是場(chǎng)景處理系統的一個(gè)很好例證。

對于場(chǎng)景觀(guān)察和場(chǎng)景處理應用，CMOS圖像傳感器技術(shù)由于其在大多數環(huán)境下都擁有優(yōu)越性能，正在取代CCD傳感器，而成為高批量成像解決方案的理想選擇。IMS預測，汽車(chē)應用的CMOS圖像傳感器出貨量將從2009年的約900萬(wàn)件，增長(cháng)到2017年的約5000萬(wàn)件?？紤]到汽車(chē)產(chǎn)品的長(cháng)生命周期，CMOS圖像傳感器在汽車(chē)市場(chǎng)將注定有一個(gè)史無(wú)前例的高速增長(cháng)，這對于汽車(chē)OEM是好消息，可使產(chǎn)品在性能和成本等方面進(jìn)一步改善。

IP相機監控系統需要CMOS成像器
監控行業(yè)正在經(jīng)歷一個(gè)重要的轉型期，主要是從基于CCD的閉路電視（CCTV）模擬系統轉向更為先進(jìn)的數字互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）監控解決方案。

在監控市場(chǎng)，趨勢也類(lèi)似于本文討論的其他領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器的卓越技術(shù)正在提供許多新特性和新功能，這些特性和功能也給監控系統的OEM提供了關(guān)鍵的差異點(diǎn)（differentiators）。

用CMOS圖像傳感器實(shí)現的IP監控系統更為經(jīng)濟，也更容易安裝。例如，一些具有市場(chǎng)前瞻性的監視系統OEM正在啟動(dòng)一個(gè)全新、批量潛力巨大、客戶(hù)自己完成(DIY)的監控細分市場(chǎng)，家庭和小型辦公室DIY監控系統的費用可能低至100美元，并可能觸發(fā)比CCD閉路電視系統曾經(jīng)期望的更大的監控市場(chǎng)。

與閉路電視系統相比，IP攝像系統具有多種優(yōu)勢。它無(wú)須考慮幾十年前建立的National Television System Committee (NTSC)和Phase Alternating Line (PAL)分辨率標準等障礙限制。 IP攝像系統也是增加百萬(wàn)像素圖像傳感器應用的一個(gè)機遇。此外，許多當今的IP攝像頭系統都采用寬動(dòng)態(tài)技術(shù)，使相機可放在幾乎任何地方，因為它解決了在非?；野岛头浅Ｃ髁恋沫h(huán)境中都可以捕獲清晰圖像的挑戰。而不具備寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的IP攝像系統則有圖像曝光不足或曝光過(guò)度的風(fēng)險，這些都是圖像監控市場(chǎng)不可接受的。

許多IP攝像頭解決方案還可提供嵌入式的視頻處理，分析實(shí)時(shí)視頻流，以便及時(shí)發(fā)現或跟蹤人或事件。此前，這種功能需要一些服務(wù)器和相當大的處理能力。數字信號處理器（DSP）、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)，以及較輕的啟發(fā)式視頻處理算法（lighter heuristic-based video processing algorithms）的改進(jìn)，使得人們有可能在實(shí)際相機上進(jìn)行大部分圖像分析。這種分析可能包括背景建模（background modeling）、前景提?。╢oreground extraction）、二進(jìn)制大對象（BLOB）監測、甚至光流分析等等。所有這些不同的組件和功能可集成到攝像系統，而無(wú)須增加很多成本。

IP攝像系統中使用的圖像傳感器必須提供相對較高的分辨率，或者720P或者1080P，同時(shí)也需要達到比較快的幀率，譬如每秒60幀（fps）。雖然標準的視頻幀率只有每秒30幀，但每秒60幀的速率為相機制造商提供了高靈活性，以適應快門(mén)在場(chǎng)景中捕獲快速移動(dòng)物體需要的寬度。此外，如博彩等娛樂(lè )場(chǎng)所要求高幀率視頻監控，以便捕獲違法定罪所需的證據。

在所有照明條件下高品質(zhì)地捕獲每秒60幀高清視頻很具有挑戰性。百萬(wàn)像素的傳感器雖然可以提供寬動(dòng)態(tài)范圍或者卓越的低光照敏感度，但通常不能同時(shí)達到上述兩個(gè)目標。幸運的是，這種情況正在改變。用Aptina公司DR-PIX技術(shù)和多重曝光寬動(dòng)態(tài)范圍成像技術(shù)設計實(shí)現的高清百萬(wàn)像素傳感器可以同時(shí)實(shí)現上述兩個(gè)指標。

Aptina的DR-Pix技術(shù)允許可編程轉換增益調整，使全域所有像素與場(chǎng)景整體亮度水平相匹配。這項技術(shù)，再配合以真正的相關(guān)雙采樣（correlated double sampling），使高清成像器達到低于2E–RMS的讀出噪聲和超過(guò)60％的量子效率（QE）。

CMOS圖像傳感器在數碼相機（DSC）市場(chǎng)蠶食CCD份額
與其他應用領(lǐng)域一樣，在數碼相機市場(chǎng)，CMOS圖像傳感器也在從低端產(chǎn)品向高端產(chǎn)品遷移。同時(shí)，OEM發(fā)現，CMOS成像器提供的勝過(guò)CCD的技術(shù)優(yōu)勢，往往會(huì )轉變成為市場(chǎng)中的競爭優(yōu)勢。具體說(shuō)來(lái)，當代CMOS傳感器產(chǎn)生的圖像質(zhì)量已經(jīng)達到甚至超過(guò)CCD，而在DSC市場(chǎng)，圖像質(zhì)量是一個(gè)關(guān)鍵的產(chǎn)品區分因素。

這里舉一個(gè)例子，Aptina公司的1400萬(wàn)像素，1.4μm，1/2.3英寸MT9F002傳感器集成到一個(gè)領(lǐng)先品牌的數碼相機，另一個(gè)領(lǐng)先品牌的數碼相機則配備一個(gè)1400萬(wàn)像素，1/2.3英寸CCD器件，它們具有相同的陣列和像素大小。通過(guò)分析關(guān)鍵的性能標準，無(wú)論在低還是在高ISO條件下，1400萬(wàn)像素CMOS傳感器明顯優(yōu)于對應的CCD器件。

圖2和圖3顯示在ISO 100條件下兩個(gè)傳感器之間的性能比較。在該最小ISO（最小增益）條件下，CMOS傳感器的圖像亮度信號噪聲比（SNR）顯示有1.5dB增加，產(chǎn)生更低噪聲。

圖2 ISO 100下，Aptina公司的1400萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器（MT9F002）與對應CCD方案的圖像比較

圖3 ISO 100下圖片細節放大后的比較

圖4和圖5表明，在ISO范圍的另外一個(gè)極端（ISO 1600），CMOS圖像傳感器也優(yōu)于CCD器件。

從圖4可以看出，在高ISO條件下，CMOS傳感器亮度信噪比有超過(guò)2dB的增加（大于 30％）。通過(guò)放大圖像的不同區域（見(jiàn)圖5），CMOS圖像傳感器不僅與CCD器件旗鼓相當，而且在一些條件下得到的圖片質(zhì)量更高。

圖4 ISO 1600下，Aptina公司的1400萬(wàn)像素傳感器（MT9F002）與對應CCD方案的圖像比較

圖5 ISO 1600下，放大不同區域的圖像比較

除了能夠捕獲更好的照片以外，一些新的CMOS圖像傳感器能夠實(shí)現200MP/s的輸出率，這恰恰是每秒60幀全高清視頻所需的速度。正在開(kāi)發(fā)的下一代傳感器采用高速并行讀出架構，預計輸出率可超過(guò)500MP/s。在更快的讀出速度下，CMOS傳感器便可以同時(shí)捕獲高清晰度靜態(tài)圖片和高品質(zhì)全高清視頻，而無(wú)須設計師在靜態(tài)圖片和全高清視頻性能之間妥協(xié)。CMOS傳感器為靜止圖片和視頻同時(shí)提供優(yōu)化的性能，使OEM廠(chǎng)商可能開(kāi)發(fā)全新和具有差異性的DSC產(chǎn)品。

結論
在各個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器技術(shù)已經(jīng)在不斷改進(jìn)和演變，它們遠遠超出了滿(mǎn)足細分市場(chǎng)具體要求的目標。在每一種應用中，CMOS技術(shù)不僅具有更高的成像性能，也使OEM廠(chǎng)商能夠開(kāi)發(fā)全新功能，實(shí)現產(chǎn)品在市場(chǎng)中的差異化。隨著(zhù)CMOS圖像傳感器獲取更多的成像市場(chǎng)份額，CMOS技術(shù)一定會(huì )有更大的發(fā)展動(dòng)力和更多創(chuàng )新，以順應成像市場(chǎng)未來(lái)的發(fā)展趨勢和要求。