圖像傳感器，或稱感光元件，是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號的器件，它猶如人類的眼睛一樣，感受著大自然的絢麗多姿。圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和其它電子光學(xué)設(shè)備中。

3D視覺系統(tǒng)的“眼睛”

圖像傳感器，或稱感光元件，是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號的器件，它猶如人類的眼睛一樣，感受著大自然的絢麗多姿。圖像傳感器是組成數(shù)字?jǐn)z像頭的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和其它電子光學(xué)設(shè)備中。

圖像傳感器

在基于結(jié)構(gòu)光和飛行時(shí)間（ToF）原理的3D視覺系統(tǒng)中，近紅外圖像傳感器能夠感受近紅外光，將近紅外光信息處理為物體的深度位置（Z軸）；同時(shí)，可見光圖像傳感器采集物體的二維平面（X與Y軸）可見光信息（Vis Light）；圖像傳感器的信息匯總至專用的圖像處理芯片，從而得到物體的三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)空間定位。兩個(gè)圖像傳感器構(gòu)成了3D視覺系統(tǒng)的“眼睛”，捕捉外界環(huán)境信息；圖像處理芯片和存儲器構(gòu)成了3D視覺系統(tǒng)的“大腦”，進(jìn)行信息的處理和存儲。

圖像傳感器的圖像信息采集過程

移動市場是圖像傳感器產(chǎn)業(yè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，盡管手機(jī)數(shù)量接近飽和，但是由于3D攝像頭的出現(xiàn)，激光雷達(dá)、自動駕駛、無人機(jī)拍攝、生物特征識別、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等新興應(yīng)用的需求，圖像傳感器的市場仍將繼續(xù)保持穩(wěn)定的增長勢頭。

洞悉圖像傳感器原理

根據(jù)元件的不同，圖像傳感器通常可分為CCD（Charge-Coupled Device，電荷耦合器件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體器件）兩大類。

20世紀(jì)70年代，CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器同時(shí)起步。CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像傳感器組裝的攝像機(jī)體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場上獨(dú)樹一幟。最初市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點(diǎn)，圖像質(zhì)量還無法與CCD圖像傳感器相比。但是，近年來由于CMOS成像技術(shù)不斷提升、生產(chǎn)成本不斷降低，智能手機(jī)廣泛采用CMOS圖像傳感器，使得CCD圖像傳感器在市場的占有率從2010年起不斷下降。圖像傳感器巨頭索尼更是宣布將于2017年停產(chǎn)CCD圖像傳感器。

1. CCD

早在1969年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的維拉•波義耳（Willard S. Boyle）和喬治•史密斯（George E. Smith）發(fā)明了CCD，CCD一度作為傳統(tǒng)膠片的取代物，引領(lǐng)潮流。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。

構(gòu)成CCD的基本單位是MOS電容器，類似于MOS晶體管結(jié)構(gòu)，和其它電容器一樣，MOS電容器能夠儲存電荷。當(dāng)器件受到光照時(shí)（光可從各電極的縫隙間經(jīng)過SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對，電子被吸引存貯在勢阱中，這些電子是可以傳導(dǎo)的。光越強(qiáng)，勢阱中收集的電子越多，光弱則反之，這樣就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了光與電的轉(zhuǎn)換，而勢阱中收集的電子處于存貯狀態(tài)，即使停止光照一定時(shí)間內(nèi)也不會損失，這就實(shí)現(xiàn)了對光照的記憶。這是電荷的儲存過程。

若CCD的基本單位MOS電容器之間排列足夠緊密，那么MOS電容的勢阱相互耦合，慢慢電荷就可以發(fā)生轉(zhuǎn)移了。上述結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是個(gè)微小的MOS電容，用它構(gòu)成像素，既可“感光”又可留下“潛影”，感光作用是靠光強(qiáng)產(chǎn)生的電子電荷積累，潛影是各個(gè)像素留在各個(gè)電容里的電荷不等而形成的。若能設(shè)法把各個(gè)電容里的電荷依次傳送到輸出端，再組成行和幀并經(jīng)過“顯影”就實(shí)現(xiàn)了圖像的傳遞，最終呈現(xiàn)出一幅完整的畫面。

CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理（以P型硅為例）

CCD具有技術(shù)成熟、成像質(zhì)量高、靈敏度高、噪聲低、動態(tài)范圍大、響應(yīng)速度快、圖像畸變小等優(yōu)勢。但是，如果想要得到像素高的圖片，需要增加像素?cái)?shù)也就是CCD上感光元件的數(shù)量，這就帶了制造成本增加和成品率下降等一系列問題。因此，CMOS圖像傳感器則應(yīng)運(yùn)而生。

2. CMOS

CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor，簡稱 CIS）。CMOS圖像傳感器在問世初期成本很高，但隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，量產(chǎn)能力提升，成本降低。相比CCD，CMOS圖像傳感器功耗更低，集成度高，讀取電路簡單，讀取速度快。雖然某些成像指標(biāo)差于CCD，但隨著工藝的改進(jìn)，CIS的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。特別是3D攝像頭的出現(xiàn)，CMOS圖像傳感器市場仍能實(shí)現(xiàn)2016~2022年10.5%的復(fù)合年增長率（CAGR）。攝像頭從2D轉(zhuǎn)變?yōu)?D，驅(qū)動著CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)生變化，從成像質(zhì)量到人機(jī)交互。新興應(yīng)用，如無人機(jī)拍攝、生物特征識別、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等，也是CMOS圖像傳感器的潛在用戶。

CMOS圖像傳感器的應(yīng)用趨勢

CMOS圖像傳感器由微透鏡、顏色濾鏡、金屬電路、光電二極管、硅場效應(yīng)晶體管所構(gòu)成?？梢钥吹筋伾珵V鏡的紅、綠、藍(lán)的比例為1:2:1，綠色的比例高于其他兩種顏色，這是因?yàn)槿搜蹖G色最敏感，這樣可以模擬人眼的視覺感受。光源經(jīng)由顏色濾鏡照射光電二極管，在光電二極管內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對。將電子-空穴對分離，并經(jīng)硅場效應(yīng)晶體管放大信號送至數(shù)據(jù)線，最后經(jīng)圖像處理芯片處理后輸出影像。

CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

前照式（Front-illuminated Structure，F(xiàn)SI）曾經(jīng)為CMOS圖像傳感器所采用的主流技術(shù)，具有大批量生產(chǎn)能力、高可靠性和高良率以及頗具吸引力的性價(jià)比等優(yōu)勢。從工作原理來講，光是從前面的金屬電路進(jìn)入，然后再聚焦在光電二極管上。對于較大的像素，F(xiàn)SI都十分有效，因?yàn)橄袼囟询B（pixel stack）高度與像素面積之比很大，致使像素的孔徑也很大。日益縮小的像素需要一系列像素技術(shù)創(chuàng)新來解決FSI技術(shù)在材料和制造方面的局限性。

背照式（Back-illuminated Structure，BSI）是如今的技術(shù)趨勢。采用BSI構(gòu)建像素，光線無需穿過金屬互連層。BSI的第一步是匯聚進(jìn)入光電二極管光學(xué)區(qū)域的入射光，其光學(xué)要求與FSI相同，不過現(xiàn)在微透鏡的位置更接近光電二極管，需要淀積更厚的微透鏡材料層，以獲得更短的焦距。

FSI、BSI和3D堆疊式BSI器件結(jié)構(gòu)對比

而由索尼首創(chuàng)的堆疊式BSI技術(shù)正在改變競爭格局和市場狀態(tài)。堆疊BSI圖像傳感器分層堆疊像素，包括片上背照式結(jié)構(gòu)像素的形成，芯片包括用于信號處理的電路，將代替用于傳統(tǒng)背照式CMOS圖像傳感器的支撐襯底。該種圖像傳感器還能集成更多功能，如自動對焦（AF）和光學(xué)防抖（OIS）。除了獲得更佳畫質(zhì)與先進(jìn)功能，“堆疊式結(jié)構(gòu)”的使用還幫助索尼實(shí)現(xiàn)更為緊湊的產(chǎn)品尺寸。

日韓稱霸，多數(shù)廠商齊成長

最近幾年，麥姆斯咨詢攜手Yole定期發(fā)布圖像傳感器及3D攝像頭新聞動態(tài)，每年也都出版產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告，《CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2017版》和《3D成像和傳感-2017版》報(bào)告已于近期發(fā)布，歡迎咨詢購買。

在2016年，CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者索尼獨(dú)占42%的市場份額，而三星獲得18%的市場份額。盡管東芝（Toshiba）表現(xiàn)不佳，退出市場，但是去年三分之二的廠商都有所增長。三星（Samsung）、豪威科技（Omnivision）、松下（Panasonic）都實(shí)現(xiàn)了同比增長15%的優(yōu)秀業(yè)績。這些“大玩家”的發(fā)展，彰顯出亞洲廠商在CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)中的重要地位。意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）通過開發(fā)3D飛行時(shí)間（ToF）器件來重啟CMOS圖像傳感器業(yè)務(wù)。這些器件可以實(shí)現(xiàn)從“接近感測”到“距離測量”，再到“3D成像”。如果意法半導(dǎo)體在蘋果iPhone 8中的應(yīng)用傳聞最終成真，那么這將可能成為2017年最大的CMOS圖像傳感器事件。

2016年CMOS圖像傳感器廠商的市場份額情況

隨著3D視覺的興起，用于測量景深的近紅外圖像傳感器受到追捧，多家廠商已經(jīng)推出新款成像產(chǎn)品。索尼（Sony）/Softkinetic一直在上述領(lǐng)域展開深入研究，為消費(fèi)類、汽車類、工業(yè)類領(lǐng)域的圖像傳感器廠商提供獨(dú)特的像元技術(shù)（pixel technology）。對于工業(yè)類應(yīng)用，索尼（Sony）/Softkinetic將其技術(shù)授權(quán)給德州儀器（TI）；對于汽車類應(yīng)用，索尼（Sony）/Softkinetic則將其技術(shù)授權(quán)給邁來芯（Melexis）。其它領(lǐng)先廠商還包括璦鐠瑞思（ESPROS）、英飛凌（Infineon）/ PMD等。當(dāng)然，中國廠商也在蓄力儲備，如艾普柯（Epticore）、思比科（Superpix）等。

璦鐠瑞思通過其獨(dú)有的工藝技術(shù)，使得背照式CCD/CMOS工藝相融合，可在非常寬的光頻譜范圍內(nèi)達(dá)到很高的光電效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)具有更高性能的光學(xué)傳感器；其圖像傳感器非常適用于超快速圖像采集，高靈敏度ToF 3D相機(jī)和TDI相機(jī)，以及基于硅的廣域光譜傳感器。艾普柯是國內(nèi)一家直接做ToF和VCSEL二合一的深度傳感器公司。在2017年9月11日由麥姆斯咨詢主辦的‘“微言大義”研討會：3D攝像頭技術(shù)及應(yīng)用’上，璦鐠瑞思和艾普柯將就其公司的創(chuàng)新產(chǎn)品、技術(shù)和應(yīng)用發(fā)表演講，歡迎報(bào)名參加獲取更多的訊息！

推薦會議：

2017年9月11日，由麥姆斯咨詢主辦的‘“微言大義”研討會：3D攝像頭技術(shù)及應(yīng)用’將在上海隆重舉行（同期展會：2017年中國（上海）傳感器技術(shù)與應(yīng)用展覽會）。本次研討會內(nèi)容涉及3D攝像頭應(yīng)用及市場分析、3D攝像頭原理及技術(shù)路線、3D攝像頭模組剖析及算法解析等。已邀請英特爾、Viavi Solutions、璦鐠銳思（Espros）、炬佑智能、圖漾科技、西安知微傳感、艾普柯等企業(yè)進(jìn)行演講，如果貴司希望參加演講或展會，請聯(lián)系：
聯(lián)系人：王懿
郵箱：[email protected]
電話：18217468860
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《3D成像和傳感-2017版》

《CMOS圖像傳感器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀-2017版》

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