從CCD到CMOS

據(jù)咨詢機(jī)預(yù)測(cè)，2021年至2025年，全球CMOS圖像傳感器的出貨量將繼續(xù)保持8. 5%的年復(fù)合增長率，2025年預(yù)計(jì)可達(dá)116. 4億顆。前不久，索尼宣布成功開發(fā)全球首個(gè)雙層晶體管像素堆疊式CMOS圖像傳感技術(shù)，并表示新的架構(gòu)大約增加了1倍飽和信號(hào)電平，拓寬了動(dòng)態(tài)范圍并降低了噪聲，從而能顯著提高成像性能。

而對(duì)于圖像傳感器，你們了解多少？

圖像傳感器，或稱感光元件，是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)和其他電子光學(xué)設(shè)備中。早期的圖像傳感器采用模擬信號(hào)，例如攝像管。 隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，市場(chǎng)和業(yè)界都面臨著跨平臺(tái)的視訊、影音、通訊大整合時(shí)代的到來，圖像傳感技術(shù)也得到了更大的發(fā)展。近幾年，隨著人工智能的興起，圖像傳感器作為輸入信號(hào)的其中一種，支撐著諸如人臉檢測(cè)、工業(yè)異常檢測(cè)、手勢(shì)識(shí)別等諸多重要的應(yīng)用。

1

圖像傳感器的分類

圖像傳感器產(chǎn)品主要分為CCD、CMOS以及CIS傳感器三種。 CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中，其優(yōu)點(diǎn)是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場(chǎng)很多采用USB接口的產(chǎn)品無須外接電源且價(jià)格便宜的原因。CIS則是接觸式圖像感應(yīng)裝置。它采用觸點(diǎn)式感光元件進(jìn)行感光，用CIS技術(shù)制作的掃描儀具有體積小、重量輕、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在傳真機(jī)、掃描儀、紙幣清分兌零等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。但CIS技術(shù)也有不足之處，譬如無法做成高分辨率的掃描儀，掃描速度也比較慢，因而目前在市場(chǎng)上被廣泛應(yīng)用的主要是CCD、CMOS兩種圖像傳感器器件。 盡管在技術(shù)上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距并不是很大。CCD可分為線型與面型兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機(jī)，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。通常，CCD傳感器具備高解析度、低雜訊、動(dòng)態(tài)范圍廣、良好的線性特性曲線、高光子轉(zhuǎn)換效率、大面積感光、光譜響應(yīng)廣、低影像失真、體積小重量輕、低耗電力，電荷傳輸效率佳、不受強(qiáng)電磁場(chǎng)影響、可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。 相較于CCD，CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS工藝，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點(diǎn)，最近幾年在寬動(dòng)態(tài)、低照度方面發(fā)展迅速。CMOS主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導(dǎo)體，通過CMOS上帶負(fù)電和帶正電的晶體管來實(shí)現(xiàn)基本的功能。這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。

在模擬攝像機(jī)以及標(biāo)清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中，CCD的使用最為廣泛，長期以來都在市場(chǎng)上占有主導(dǎo)地位。CCD的特點(diǎn)是靈敏度高，但響應(yīng)速度較低，不適用于高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)采用的高分辨率逐行掃描方式，因此進(jìn)入高清監(jiān)控時(shí)代以后，CMOS逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，高清監(jiān)控?cái)z像機(jī)普遍采用CMOS感光器件。

2

角逐應(yīng)用市場(chǎng)

從90年代伊始，CMOS圖像傳感技術(shù)在業(yè)內(nèi)得到重視并獲得大量研發(fā)資源，在應(yīng)用上持續(xù)擠壓CCD圖像傳感器的市場(chǎng)空間。CMOS圖像傳感器芯片成為了全球集成電路的重要組成部分之一，其主要優(yōu)勢(shì)可歸納為以下三個(gè)層面：

成本上：CMOS圖像傳感器芯片一般采用適合大規(guī)模生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)流程工藝，在批量生產(chǎn)時(shí)單位成本得以遠(yuǎn)低于CCD；

尺寸上：CMOS傳感器能夠?qū)D像采集單元和信號(hào)處理單元集到同一塊基板上，體積得到大幅縮減，使之非常適用于移動(dòng)設(shè)備和各類小型化設(shè)備；

功耗上：CMOS傳感器相比于CCD還保持著低功耗和低發(fā)熱的優(yōu)勢(shì)。

全球圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模（出貨量口徑） （數(shù)據(jù)來源：Frost&Sullivan) 據(jù)了解，隨著圖像傳感技術(shù)的不斷革新及下游行業(yè)應(yīng)用規(guī)模的逐步擴(kuò)大，全球圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模近十年來都呈現(xiàn)出持續(xù)增長態(tài)勢(shì)。自2016年至2020年，全球圖像傳感器出貨量從2016年的46. 9億顆快速增長至2020年的82. 6億顆，期間年復(fù)合增長率達(dá)到15. 2%.據(jù)Frost&Sullivan推測(cè)，各應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ趫D像傳感器更廣更深的需求預(yù)計(jì)仍會(huì)助其維持一定的增長速度。全球圖像傳感器出貨量有望在2025年達(dá)到120. 8億顆，2021年至2025年期間年復(fù)合增長率預(yù)計(jì)將達(dá)到7. 9%。 近年來，各頭部CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)廠商不斷推進(jìn)背照式和堆棧式技術(shù)，讓CMOS圖像傳感器從過去主導(dǎo)的智能手機(jī)市場(chǎng)逐漸朝汽車、安防監(jiān)控、醫(yī)療、VR以及工業(yè)等諸多細(xì)分市場(chǎng)滲透覆蓋。 而得益于安防監(jiān)控、汽車電子和其他新興領(lǐng)域的快速發(fā)展及多攝手機(jī)的廣泛普及，CMOS圖像傳感器的整體出貨量及銷售額不斷擴(kuò)大。自2016年至2020年，全球CMOS圖像傳感器出貨量從41. 4億顆快速增長至77. 2億顆，期間年復(fù)合增長率達(dá)到16. 9%。預(yù)計(jì)2021年至2025年，全球CMOS圖像傳感器的出貨量將繼續(xù)保持8. 5%的年復(fù)合增長率，2025年預(yù)計(jì)可達(dá)116. 4億顆。

全球CMOS圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模（出貨量口徑） （數(shù)據(jù)來源：Frost&Sullivan)

3

人工智能與圖像傳感器

隨著人工智能時(shí)代的來臨，相應(yīng)的芯片產(chǎn)品和行業(yè)也出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的新方向。在人工智能的各個(gè)分支中，機(jī)器視覺無疑是應(yīng)用最廣泛的方向。機(jī)器視覺是使用機(jī)器學(xué)習(xí)／人工智能的方法來分析視覺信號(hào)，并且通過人工智能直接產(chǎn)生分析結(jié)果。因此，機(jī)器視覺自然就需要一個(gè)圖像傳感器來作為輸入信號(hào)，而隨著機(jī)器視覺和人工智能的逐漸發(fā)展，機(jī)器視覺與圖像傳感器芯片的結(jié)合成為“智能圖像傳感器”，順應(yīng)了技術(shù)發(fā)展的脈絡(luò)。 圖像傳感器為機(jī)器視覺這一最重要的應(yīng)用提供輸入信號(hào)。在傳統(tǒng)的機(jī)器視覺芯片解決方案中，圖像傳感和人工智能算法的運(yùn)行在不同的硬件上完成，圖像傳感器提供圖像信號(hào)，而處理器或者AI加速芯片執(zhí)行人工智能算法。然而，這樣的做法在強(qiáng)調(diào)低功耗和能效比的移動(dòng)端或IoT智能設(shè)備中，將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，并且難以處理一些需要常開（always-on)的應(yīng)用場(chǎng)景。通過人工智能賦能的圖像傳感器就可以解決這個(gè)問題。 具體來說，這樣的智能圖像傳感器在圖像傳感器模組中集成了人工智能算法的運(yùn)行模塊，因此可以直接輸出機(jī)器視覺算法的結(jié)果，而這樣運(yùn)行機(jī)器視覺的方法也常被稱為“傳感器內(nèi)運(yùn)算（in-sensor computing)”。通過傳感器內(nèi)計(jì)算，機(jī)器視覺算法的運(yùn)行單位從SoC換到了圖像傳感器，因此在運(yùn)行機(jī)器視覺算法時(shí)，SoC無需處于喚醒狀態(tài)，也無需運(yùn)行操作系統(tǒng)，而是可以處于低功耗的待機(jī)狀態(tài)。另一方面，傳感器內(nèi)運(yùn)算由于整個(gè)系統(tǒng)比較簡單，并沒有運(yùn)行操作系統(tǒng)等額外開銷，并且有為機(jī)器視覺算法量身定做的加速器芯片模組，因此效比可以做到很高。最后，在接口方面，通常可以實(shí)現(xiàn)由智能圖像傳感器在檢測(cè)到重要輸出時(shí)才去以中斷的方式去喚醒SoC,并且只需要傳遞機(jī)器視覺算法運(yùn)行的結(jié)果，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷也大大降低了。

結(jié) 語

我們可以看到，隨著大環(huán)境的變化，不同階段，不同技術(shù)的融合也給圖像傳感器帶來新的發(fā)展，從CCD的半壁江山，到CMOS的后來者居上，以及“智能圖像傳感器”的誕生，圖像傳感器技術(shù)在不斷為行業(yè)賦能的同時(shí)，亦在持續(xù)豐富和拓展自身的內(nèi)涵，實(shí)現(xiàn)越來越廣闊的場(chǎng)景應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩