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CMOS圖像傳感器

CMOS圖像傳感器（CIS）是模擬電路和數字電路的集成。主要由四個組件構成：微透鏡、 彩色濾光片（CF）、光電二極管（PD）、像素設計。

微透鏡：具有球形表面和網狀透鏡；光通過微透鏡 時，CIS的非活性部分負責將光收集起來并將其聚焦 到彩色濾光片。

彩色濾光片（CF）：拆分反射光中的紅、綠、藍（RGB）成分，并通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。

?光電二極管（PD）：作為光電轉換器件，捕捉光并 轉換成電流；一般采用PIN二極管或PN結器件制成。

?像素設計：通過CIS上裝配的有源像素傳感器(APS) 實現。APS常由3至6個晶體管構成，可從大型電容 陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內部將光電流轉換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和噪聲指標。

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Bayer陣列濾鏡與像

?感光元件上的每個方塊代表一個像素塊，上方附著一--層彩色濾光片（CF），CF拆分完反射光中的 RGB成分后，通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。經典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像， Quad Bayer陣列擴大到了4x4，并且以2x2的方式 將RGB相鄰排列。

?像素，即亮光或暗光條件下的像素點數量，是數碼顯示的基本單位，其實質是一個抽象 的取樣，我們用彩色方塊來表示。

?圖示像素用R（紅）G（綠）B（藍）三原色 填充，每個小像素塊的長度指的是像素尺寸， 圖示尺寸為0.8μm。

濾鏡上每個小方塊與感光元件的像素塊對應，也就是在每個像素前覆蓋了一個特定的顏色濾鏡。比如紅色濾鏡塊，只允許紅色光線投到感光元件上，那么對應的這個像素塊就只反映紅色光線的信息。

隨后還需要后期色彩還原去猜色，最后形成一張完整的彩色照片。感光元件→Bayer濾鏡→色彩還原， 這一整套流程，就叫做 Bayer陣列。

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前照式（FSI）與背照式（BSI）

早期的CIS采用的是前面照度技術FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜爾陣列濾鏡與光電二極管（PD）間夾雜著金屬（鋁，銅）區，大量金屬連線的存在對進入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當一部分光線進入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。

技術改進后，在背面照 度技術BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結構下，金屬（鋁，銅）區轉移到光電二極管（PD） 的背面，意味著經拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復雜、更大規模電路來提升傳感器讀取速度。

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CIS參數—幀

幀率（Frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續出現在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少張圖片。

而想要實現高像素CIS的設計，很重要的一點就是Analog電路設計，像素上去了，沒有匹配的高速讀出和處理電路，便無辦法以高幀率輸出出來。

索尼早于2007年 chuan'gan發布了首款 Exmor傳感器。Exmor 傳感器在每列像素下方 布有獨立的ADC模數轉 換器，這意味著在CIS芯 片上即可完成模數轉換， 有效減少了噪聲，大大 提高了讀取速度，也簡化了PCB設計。

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CMOS圖像傳感器全球市場規模

? 2017年為CMOS圖像傳感器高增長點，同比增長達到20%。2018年，全球CIS市場規模155億美元，預計2019年同比增長10%，達到170億美元。

? 目前，CIS市場正處于穩定增長期，預計2024年市場逐漸飽和，市場規模達到240億美元。

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CIS應用—車載領域

?車載領域的CIS應用包括：后視攝像(RVC)，全方位視圖系統(SVS)，攝像機監控系統（CMS），FV/MV，DMS/IMS系統。

? 汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。

? 后視攝像(RVC)是銷量主力軍，呈穩定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺，2018年為6000萬臺，2019年預計達到6500萬臺。

? FV/MV全球銷量增長迅速，2016年為1000萬臺，2018年為3000萬臺，此后，預計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，預計2019年銷量可達4000萬臺，2021可達7500萬臺，直逼RVC全球銷量。

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車載領域——HDR技術方法

? HDR解決方案，即高動態范圍成像，是用來實現比普通數位圖像技術更大曝光動態范圍。

? 時間復用。相同的像素陣列通過使用多個卷簾（交錯HDR）來描繪多個邊框。好處：HDR方案是與傳統傳感器兼容的最簡單的像素技術。

缺點：不同時間發生的捕獲導致產生運動偽影 。

? 空間復用。單個像素陣列幀被分解為多個，通過不同的方法捕獲：1.像素或行級別的獨立曝光控制。

優點：單幀中的運動偽影比交錯的運動偽影少。

缺點：分辨率損失，且運動偽影仍然存在邊緣。

2.每個像素共用同一微透鏡的多個光電二極管。

優點：在單個多捕獲幀中沒有運動偽影；

缺點：從等效像素區域降低靈敏度。

? 非常大的全井產能。

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車載領域——閃變抑制技術

? 多個集成周期（時間多路傳輸）。在每個整合期內對光電二極管充電進行多次進行采樣，樣品光電二極管比LED源頻率更高。

? 多個光電二極管（空間多路復用）。使用較大的光電二極管捕捉較低的輕松的場景；使用較小的不靈敏光電二極管在整個幀時間內集成（減輕LED閃爍）。

? 每個像素由兩個光電二極管構成。其中包含一個大的靈敏光電二極管和一個小的不靈敏光電二極管，小型不靈敏光電二極管可在整幀中合并，從而減輕LED閃爍。

優勢在于有出色的閃變抑制、計算復雜度低；

劣勢在于更大更復雜的像素架構、更復雜的讀數和電路定時、大型光電二極管和小型光電二極管和之間的光譜靈敏度不匹配。

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車載領域——陣列攝像機

? 陣列攝像機是一種新興的攝像機技術，是指紅外燈的內核為LED IR Array的高效長壽的紅外夜視設備，可能是可行的LED檢測解決方案。

? 用于LED檢測的低靈敏度攝像頭可以實現圖像融合的組合輸出，并能夠實現單獨輸出，或同時輸出。

主要優勢在于亮度高、體積小、壽命長，效率高，光線勻。

? 目前，陣列攝像機還面臨著諸多挑戰。首先，汽車光學對準誤差難以保持溫度范圍；其次，圖像融合面向應用和復雜的計算；最后，高靈敏度和低靈敏度圖像之間難以融合.

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車載領域——機器視覺傳感器技術趨勢

?全局快門。CMOS傳感器有兩種快門方式，卷簾快門和全局快門。卷簾快門通過對每列像素使用A/D來提高讀取速度，每列像素數量可達數千。

任何一個轉換器數字化的像素總數顯著減少，從而縮短了讀取時間，提高了幀速率。但整個傳感器陣列仍必須轉換為一個一次排，這導致每行讀出之間的時間延遲很小。

和機械式焦平面快門一樣，卷簾快門對高速運動的物體會產生明顯的變形。而且因為其掃描速度比機械式焦平面快門慢，變形會更加明顯；全局快門則大大改善了應用于高度運動對象時的變形問題。

? 改進的近紅外（NIR）響應、高靈敏度濾色片陣列（RCCB）、數據加密處理、更高的幀速率、集成傳感和處理 、3D成像。

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安防領域——當前監控攝像機類型

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安防領域——紅外線攝像技術

? 紅外線攝像技術分為被動和主動兩種類型。

?被動型：拍攝對象自身發射紅外光被攝像機接受以成像。這類設備昂貴并且對周圍環境不能良好反映，所以在夜視系統中基本不采用。

?主動型：配置有紅外燈主動向外發射紅外輻射，使紅外攝像機接收反射回來的紅外光，增強夜視能力。目前紅外攝像機基本都配置LED紅外發光二級管。

? 主動型紅外攝像機包含攝像機、防護罩、紅外燈、供電散熱單元。它貼切的名稱為紅外線增強攝像機。

感光元件的頻譜足夠寬時能對紅外線到可見光的連續譜產生感應，形成包括紅外線在內的光敏感。在普通可見光強下，寬范圍感光元件增加了紅外頻段，在弱光條件下，也能獲得清楚的圖像。

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安防領域——紅外光成像

? 紅外線攝影術以成像為目標。伴隨著電子與化學科技的進展，紅外線攝像技術逐漸演化出三個方向。

? 近紅外線底片：感應范圍為波長700nm～900nm。在成像乳劑中加入特殊染料，利用光化學反應，使這一波域的光變化轉為化學變化從而形成影像。

? 近紅外線電子感光材料：感應范圍為波長700nm～2,000nm。利用含硅化合物晶體的光電反應形成電子信號，進過進一步處產生影像。

?中、遠紅外線線感應材料：感應范圍為波長3,000nm～14,000nm。需要使用冷卻技術和特殊的光學感應器，加工處理形成電子影像。

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安防領域——索尼STARVIS技術

? 最客觀的比較傳感器靈敏度的標準是像素內光子到電子轉換效率，這種標準只涉及像元尺寸和量子效率，不需要傳感器的其他參數。

? STARVIS圖像傳感器靈敏度達到2000mV* /μm2以上，是EXview HAD CCD II圖像傳感器靈敏度的兩倍，比FI CMOS圖像傳感器的還要高。

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安防領域——索尼STARVIS技術

? 普通CMOS像素都包含片上透鏡、濾光片、金屬配線層、光電二極管以及基板等部件。

? 前照式像素技術使光線首先進入金屬配線層。而背照式像素技術使光線首先進入光電二極管，從未避免光線被金屬配線層遮擋，提高光線利用效率，能在低照度環境下形成優質畫面。

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三星——汽車圖像傳感器

? 安全性更高，感光性更好。卓越的感光性、高分辨率可展現精致細節。借助三星汽車圖像傳感器，無論在白天還是夜晚駕駛，都更安全。它可在黑暗和昏暗環境下提供卓越的靈敏度，這要歸功于先進的像素技術ISOCELL，該技術可提供高分辨率，能夠精確識別物體。

? 為無人駕駛汽車提供更出色的檢測。更出色的寬動態范圍(WDR)，可進行更準確的物體識別。三星汽車圖像傳感器具有120db以上的寬動態范圍，即使在高對比度環境下也可檢測對象。它的高性能寬動態范圍(WDR)功能可以傳遞準確的信息來幫助司機預防事故發生。

? 無論溫度如何變化，均可提供出色品質。在高溫條件下也可提供卓越清晰度。三星汽車圖像傳感器符合行業各種嚴苛的標準，能夠承受從?40°到105°C的極端溫度條件，滿足汽車電子委員會AEC-Q100 2級標準要求。即使在極端環境下也能提供優質圖像。

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三星——汽車圖像傳感器

? 三星在汽車圖像傳感器方面已經開發三個料號產品，分別為S5K2G1、S5K3B5、S5K4A1。

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豪威科技——車載攝像頭

? 車載攝像頭目前基本在中高端車型上成為標配，主要應用于倒車影像系統中。未來隨著高級駕駛輔助系統(ADAS)的需要，智能汽車如果需要實現自動緊急剎車(AEB)、自適應巡航(ACC)、疲勞監測、車道偏離輔助、360 度環視等功能，則需要在車輛上配置 6-8 個攝像頭。

? ADAS 視覺系統使用攝像頭采集圖像信息，通過算法分析出圖像中的道路環境。因此，攝像頭及其 CMOS圖像傳感器是 ADAS 的核心組成部分。

? 高動態范圍（HDR）與先進的圖像信號處理（ISP） 一起提供了出色的場景再現，并防止了運動偽影。無論光線如何，都可以呈現清晰完整的場景。

? OmniBSI 具有背照功能，能夠在最苛刻的低光條件下提供最佳的靈敏度。

? 采用全局快門技術的OmniPixel3-GS, 它對近紅外光具有很高的靈敏度，實現經濟高效的駕駛者狀態監測。

? 汽車芯片級封裝（a-CSP）技術 實現小巧耐用的相機模塊。

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豪威科技——車載攝像頭

? 機器視覺應用（如避障和道路標志識別）都要求準確的場景再現。無論光線如何，傳感器技術都必須提供全面的場景內容。豪威科技的LFM + HDR解決方案和低光性可以解決這些關鍵性問題。

? 駕駛者狀態監控應用，包括駕駛者分心或者疲勞駕駛監控，通常會使用全局快門傳感器，它對近紅外光具有高度敏感性，并且體積小巧，可以嵌入車身設計，滿足設計需求

? 用于顯示的成像系統，如后視與環視系統以及e-mirror都需要極高的圖像質量。通過卓越低光性能的BSI技術和HDR技術以及配套ASIC，豪威科技可以提供經濟高效的顯示系統。

? 360度環繞立體視頻采用車輛兩側安裝攝像頭，并由中央處理單元對其進行控制，以呈現俯視圖像。豪威科技憑借圖像傳感器和ISP的專長，捕捉并處理高品質圖像，從而實現更加自然的場景再現。

? 自動及半自動駕駛汽車融合了多種傳感技術，包括高分辨率攝像頭，雷達，LIDAR及V2V通訊。豪威科技通過其一流的像素科技，開創全新科技前沿。

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豪威科技——機器人、無人機、VR/AR 攝像頭

? 虛擬現實(VR)、增強現實(AR)、無人機領域是由教育、娛樂、游戲行 業所推動的 CMOS 圖像傳感器新興市場。

HTC Vive、Oculus Rift 和 PS VR 等產品推動了消費級 VR 設備的普及;HoloLens、Vuzix Blade以及 Epson Moverio 等 AR 設備的接連推出，預示著 AR 設備市場將進入消費級應用階段。

此類新興領域將是 CMOS 圖像傳感器未來發展的著眼點和增長點。

數據來源：豪威官網，西南證券整理

豪威技術優勢

? 無人機是遙控飛機，并且配備先進的成像技術，使其能夠執行各種功能，如空中攝影和攝像。高端消費市場的無人機可以配置避障和出色的航拍功能。

? 雖然家用機器人系統目前只能實現單一的功能，比如吸塵，然而多用途機器人的未來充滿光明。

豪威科技提供圖像傳感器、圖像信號處理（ISP）和晶圓級封裝技術，旨在滿足所有這些應用的特定需求。

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豪威科技——CameraCubeChipTM 圖像傳感器集成芯片技術

? CameraCubeChipTM 圖像傳感器集成芯片技術是美國豪威在 CMOS 圖像傳感器行業特有先進技術之一，該技術特點為:提供業界最小的相機模組解決方案;使用 半導體工藝制造鏡頭；可過回流焊，無需底座或人工插接模組整機零件封裝，降低人力成本；簡化供應鏈，縮短產品上市周期。

審核編輯 ：李倩