CMOS 圖像傳感器主導(dǎo)多種應(yīng)用，提供巨大市場(chǎng)機(jī)遇

在過(guò)去十年里，CMOS圖像傳感器技術(shù)經(jīng)過(guò)連續(xù)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(zhuǎn)移到一些要求最苛刻的高性能應(yīng)用。伴隨著這種趨勢(shì)，CMOS圖像傳感器已經(jīng)開(kāi)始主導(dǎo)圖像傳感器市場(chǎng)，并為原始設(shè)備制造商（OEM）實(shí)現(xiàn)差異化提供了很多機(jī)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(shù)字單反（DSLR）和無(wú)反光鏡數(shù)碼相機(jī)領(lǐng)域占據(jù)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(shù)據(jù)表明，通過(guò)基于CMOS圖像傳感器的移動(dòng)設(shè)備占據(jù)了絕大多數(shù)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(xì)分市場(chǎng)的出貨量總數(shù)方面考慮，CMOS無(wú)疑已經(jīng)是成像的技術(shù)贏家。

相對(duì)于傳統(tǒng)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(shì)，包括可制造性、低功耗、易于集成、低成本，以及最近出現(xiàn)的高品質(zhì)圖像質(zhì)量?？偠灾?，這些內(nèi)在優(yōu)勢(shì)已促使OEM開(kāi)發(fā)更具有競(jìng)爭(zhēng)力、能更好地服務(wù)最終用戶的成像系統(tǒng)。

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

CMOS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)增長(zhǎng)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(jī)市場(chǎng)走向完全的市場(chǎng)支配地位。CMOS圖像傳感器現(xiàn)在已經(jīng)是所有具備相機(jī)功能的移動(dòng)設(shè)備的當(dāng)然之選，例如，智能手機(jī)和平板電腦。這些移動(dòng)設(shè)備正變得無(wú)處不在，也代表了移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)最重要的增長(zhǎng)領(lǐng)域。

今年3月，全球首要的市場(chǎng)分析公司IDC預(yù)計(jì)，全球智能手機(jī)市場(chǎng)出貨量在2011年增長(zhǎng)約49.2％，達(dá)到約4.52億部。IDC還預(yù)測(cè)，全球智能手機(jī)市場(chǎng)出貨量將在2015年達(dá)到9.257億部。與上述分析類(lèi)似，Infinite Research的研究報(bào)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(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，根據(jù)目前的估計(jì)，出貨量將從去年的約1610萬(wàn)部增長(zhǎng)到2015年的1.47億部以上。

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

首先，許多新開(kāi)發(fā)的智能手機(jī)和平板電腦將使用谷歌的Android操作系統(tǒng)。優(yōu)秀的Android操作系統(tǒng)在大多數(shù)情況下都是免費(fèi)的，這去掉了與開(kāi)發(fā)智能手機(jī)和平板電腦相關(guān)的很大一部分負(fù)擔(dān)。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(shè)備制造商在市場(chǎng)上同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)?？傮w上說(shuō)，雖然這對(duì)于新興市場(chǎng)和相對(duì)較小的OEM有好處，使他們更具競(jìng)爭(zhēng)力，但也意味著消費(fèi)者開(kāi)始認(rèn)為來(lái)自一個(gè)廠家基于Android的平板電腦或智能手機(jī)與來(lái)自其他廠家的產(chǎn)品沒(méi)有多大區(qū)別。

其次，正像Arete Research分析師Richard Kramer預(yù)測(cè)，低成本的智能手機(jī)將具有更高的增長(zhǎng)速度。這些物料成本約為150美元或更少的手機(jī)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，并希望使自己產(chǎn)品區(qū)分于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的手機(jī)OEM要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，不能從操作系統(tǒng)或者成本的角度來(lái)達(dá)到。OEM應(yīng)力求為消費(fèi)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(duì)較高的幀率捕獲高清視頻的能力。

對(duì)于移動(dòng)設(shè)備OEM來(lái)說(shuō)，已經(jīng)成為移動(dòng)設(shè)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(rùn)和贏利的關(guān)鍵。

有明顯的例證表明，智能手機(jī)的相機(jī)對(duì)于消費(fèi)者非常重要，相機(jī)性能對(duì)消費(fèi)者最終從哪個(gè)商家購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品可能有很強(qiáng)的影響力。例如，在2010年7月，Pew Research的一份研究報(bào)告顯示，76％的受訪成年人使用手機(jī)的相機(jī)。相比之下，72％的受訪者發(fā)送短信，38％的受訪者用手機(jī)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。同一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，34％的人使用他們的手機(jī)錄制視頻。最近，2011年3月的一個(gè)GSMArena Camera Phone（照相手機(jī)）使用報(bào)告顯示，98％的受訪手機(jī)用戶都以一定的頻率使用他們的照相手機(jī)。

在這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)，照相機(jī)及其所引發(fā)的各種應(yīng)用，如視頻通話或?qū)嵕霸鰪?qiáng)（augmented reality）等等，可能會(huì)成為區(qū)分于其他不具特色Android手機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵不同點(diǎn)和對(duì)照。

在500萬(wàn)像素到800萬(wàn)像素范圍內(nèi)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?dāng)_。這種像素技術(shù)采用如導(dǎo)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(yàn)證的半導(dǎo)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(shì)，使它們成為智能手機(jī)和平板電腦應(yīng)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(qū)動(dòng)先進(jìn)的汽車(chē)應(yīng)用方案
隨著汽車(chē)成像系統(tǒng)變得更加復(fù)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(shù)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(tǒng)OEM制造出操作簡(jiǎn)單、且更安全的汽車(chē)，滿足消費(fèi)者和政府機(jī)構(gòu)的需求。一個(gè)典型的例子是美國(guó)政府提出的新要求，該要求將導(dǎo)致強(qiáng)制安裝后視系統(tǒng)，也就是通常所說(shuō)的備份（backup）攝像系統(tǒng)。

顯然，CMOS圖像傳感器是這種汽車(chē)子系統(tǒng)的重要組成部分，一個(gè)備份相機(jī)等看似簡(jiǎn)單的應(yīng)用，卻對(duì)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(dāng)嚴(yán)格的要求。至少在某些情況下，CMOS圖像傳感器是唯一能滿足所有規(guī)格要求的成像解決方案，而通過(guò) CCD根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

其他重要的先進(jìn)駕駛員輔助解決方案（ADAS）包括：結(jié)合使用CMOS成像器、測(cè)距技術(shù)和其他車(chē)載傳感器的車(chē)道偏離警告系統(tǒng)，可以幫助司機(jī)行駛在自己的車(chē)道內(nèi)；結(jié)合CMOS圖像傳感器、超聲波傳感器和線驅(qū)（drive-by-wire）功能實(shí)現(xiàn)的駐車(chē)距離控制系統(tǒng)甚至自動(dòng)平行停車(chē)系統(tǒng)；依靠CMOS圖像傳感器實(shí)現(xiàn)的標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)，可用來(lái)幫助司機(jī)避免事故的發(fā)生；自適應(yīng)巡航控制（adaptive cruise control）系統(tǒng)，可以通過(guò)使用CMOS傳感器和測(cè)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(shù)十個(gè)已經(jīng)生產(chǎn)或者正在開(kāi)發(fā)的汽車(chē)成像應(yīng)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(tǒng)可分為場(chǎng)景觀察和場(chǎng)景處理應(yīng)用。

場(chǎng)景觀察應(yīng)用是把視覺(jué)信息傳達(dá)給司機(jī)。上述提到的備份攝像系統(tǒng)是一個(gè)典型的例證。在這些應(yīng)用中，對(duì)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(dāng)然，在達(dá)到這些性能的同時(shí)，也必須同時(shí)符合汽車(chē)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并在高批量下實(shí)現(xiàn)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)景觀察應(yīng)用而設(shè)計(jì)的VGA系統(tǒng)級(jí)芯片（SOC）解決方案。同樣，Aptina公司為下一代場(chǎng)景觀察攝像頭提供先進(jìn)的百萬(wàn)像素級(jí)（MT9M024）解決方案。
場(chǎng)景處理汽車(chē)應(yīng)用往往需要CMOS圖像傳感器提供信息，結(jié)合其他系統(tǒng)的輸入信息，來(lái)做出警告駕駛員、甚至調(diào)整汽車(chē)的路徑或速度等具體決定。車(chē)道偏離預(yù)警系統(tǒng)是場(chǎng)景處理系統(tǒng)的一個(gè)很好例證。

對(duì)于場(chǎng)景觀察和場(chǎng)景處理應(yīng)用，CMOS圖像傳感器技術(shù)由于其在大多數(shù)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(yù)測(cè)，汽車(chē)應(yīng)用的CMOS圖像傳感器出貨量將從2009年的約900萬(wàn)件，增長(zhǎng)到2017年的約5000萬(wàn)件?？紤]到汽車(chē)產(chǎn)品的長(zhǎng)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(zhǎng)，這對(duì)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)需要CMOS成像器
監(jiān)控行業(yè)正在經(jīng)歷一個(gè)重要的轉(zhuǎn)型期，主要是從基于CCD的閉路電視（CCTV）模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更為先進(jìn)的數(shù)字互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）監(jiān)控解決方案。

在監(jiān)控市場(chǎng)，趨勢(shì)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(jiān)控系統(tǒng)的OEM提供了關(guān)鍵的差異點(diǎn)（differentiators）。

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

與閉路電視系統(tǒng)相比，IP攝像系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢(shì)。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(biāo)準(zhǔn)等障礙限制。 IP攝像系統(tǒng)也是增加百萬(wàn)像素圖像傳感器應(yīng)用的一個(gè)機(jī)遇。此外，許多當(dāng)今的IP攝像頭系統(tǒng)都采用寬動(dòng)態(tài)技術(shù)，使相機(jī)可放在幾乎任何地方，因?yàn)樗鉀Q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(zhàn)。而不具備寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的IP攝像系統(tǒng)則有圖像曝光不足或曝光過(guò)度的風(fēng)險(xiǎn)，這些都是圖像監(jiān)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(xiàn)或跟蹤人或事件。此前，這種功能需要一些服務(wù)器和相當(dāng)大的處理能力。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、現(xiàn)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(jī)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(duì)象（BLOB）監(jiān)測(cè)、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(tǒng)，而無(wú)須增加很多成本。

IP攝像系統(tǒng)中使用的圖像傳感器必須提供相對(duì)較高的分辨率，或者720P或者1080P，同時(shí)也需要達(dá)到比較快的幀率，譬如每秒60幀（fps）。雖然標(biāo)準(zhǔn)的視頻幀率只有每秒30幀，但每秒60幀的速率為相機(jī)制造商提供了高靈活性，以適應(yīng)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(jiān)控，以便捕獲違法定罪所需的證據(jù)。

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(zhàn)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(dá)到上述兩個(gè)目標(biāo)。幸運(yùn)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的高清百萬(wàn)像素傳感器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)指標(biāo)。

Aptina的DR-Pix技術(shù)允許可編程轉(zhuǎn)換增益調(diào)整，使全域所有像素與場(chǎng)景整體亮度水平相匹配。這項(xiàng)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(dá)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(shù)碼相機(jī)（DSC）市場(chǎng)蠶食CCD份額
與其他應(yīng)用領(lǐng)域一樣，在數(shù)碼相機(jī)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(xiàn)，CMOS成像器提供的勝過(guò)CCD的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，往往會(huì)轉(zhuǎn)變成為市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。具體說(shuō)來(lái)，當(dāng)代CMOS傳感器產(chǎn)生的圖像質(zhì)量已經(jīng)達(dá)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(qū)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(shù)碼相機(jī)，另一個(gè)領(lǐng)先品牌的數(shù)碼相機(jī)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(biāo)準(zhǔn)，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(duì)應(yīng)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(hào)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(duì)應(yīng)CCD方案的圖像比較

圖3 ISO 100下圖片細(xì)節(jié)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(qū)域（見(jiàn)圖5），CMOS圖像傳感器不僅與CCD器件旗鼓相當(dāng)，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(duì)應(yīng)CCD方案的圖像比較

圖5 ISO 1600下，放大不同區(qū)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?qū)崿F(xiàn)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(gòu)，預(yù)計(jì)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(shè)計(jì)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廠商可能開(kāi)發(fā)全新和具有差異性的DSC產(chǎn)品。

結(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出了滿足細(xì)分市場(chǎng)具體要求的目標(biāo)。在每一種應(yīng)用中，CMOS技術(shù)不僅具有更高的成像性能，也使OEM廠商能夠開(kāi)發(fā)全新功能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在市場(chǎng)中的差異化。隨著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(yīng)成像市場(chǎng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和要求。