CMOS 圖像傳感器主導(dǎo)多種應(yīng)用，提供巨大市場機遇

在過去十年里，CMOS圖像傳感器技術(shù)經(jīng)過連續(xù)改進和不斷提高，已經(jīng)使其從主要服務(wù)于低端市場轉(zhuǎn)移到一些要求最苛刻的高性能應(yīng)用。伴隨著這種趨勢，CMOS圖像傳感器已經(jīng)開始主導(dǎo)圖像傳感器市場，并為原始設(shè)備制造商（OEM）實現(xiàn)差異化提供了很多機會。

市場分析公司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）和無反光鏡數(shù)碼相機領(lǐng)域占據(jù)90％以上的市場份額。同樣，視頻共享網(wǎng)站YouTube在2011年發(fā)布的數(shù)據(jù)表明，通過基于CMOS圖像傳感器的移動設(shè)備占據(jù)了絕大多數(shù)的視頻上傳，尤其是高清（HD）視頻。如果從整個行業(yè)中各個細分市場的出貨量總數(shù)方面考慮，CMOS無疑已經(jīng)是成像的技術(shù)贏家。

相對于傳統(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(xiàn)的高品質(zhì)圖像質(zhì)量?？偠灾?，這些內(nèi)在優(yōu)勢已促使OEM開發(fā)更具有競爭力、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)展趨勢和在四個市場領(lǐng)域的創(chuàng)新，包括移動電話、汽車、監(jiān)控以及數(shù)碼相機（DSC）。在每一個市場領(lǐng)域，這些CMOS技術(shù)進步已達到或超過了該領(lǐng)域的市場要求，CMOS的優(yōu)勢已使OEM能夠改進成型的相機產(chǎn)品。

CMOS圖像傳感器驅(qū)動移動設(shè)備市場增長和產(chǎn)品差異化
在移動領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器已經(jīng)從低端手機市場走向完全的市場支配地位。CMOS圖像傳感器現(xiàn)在已經(jīng)是所有具備相機功能的移動設(shè)備的當(dāng)然之選，例如，智能手機和平板電腦。這些移動設(shè)備正變得無處不在，也代表了移動設(shè)備市場最重要的增長領(lǐng)域。

今年3月，全球首要的市場分析公司IDC預(yù)計，全球智能手機市場出貨量在2011年增長約49.2％，達到約4.52億部。IDC還預(yù)測，全球智能手機市場出貨量將在2015年達到9.257億部。與上述分析類似，Infinite Research的研究報告顯示，在2011年1月，平板電腦的銷售量將以56％或更高的復(fù)合年增長率增長，根據(jù)目前的估計，出貨量將從去年的約1610萬部增長到2015年的1.47億部以上。

既然市場有如此大的增長潛力，人們可能會認為OEM一定有很多機會來差異化他們的產(chǎn)品，從而提高他們的利潤。但有趣的是，事實可能并非如此。移動設(shè)備領(lǐng)域兩個發(fā)展趨勢可能使該市場出現(xiàn)更大程度的同質(zhì)化。

首先，許多新開發(fā)的智能手機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)情況下都是免費的，這去掉了與開發(fā)智能手機和平板電腦相關(guān)的很大一部分負擔(dān)。因此，那些以前由于軟件開發(fā)障礙而被拒之門外的OEM將能夠和世界上幾乎所有的其他移動設(shè)備制造商在市場上同臺競爭?？傮w上說，雖然這對于新興市場和相對較小的OEM有好處，使他們更具競爭力，但也意味著消費者開始認為來自一個廠家基于Android的平板電腦或智能手機與來自其他廠家的產(chǎn)品沒有多大區(qū)別。

其次，正像Arete Research分析師Richard Kramer預(yù)測，低成本的智能手機將具有更高的增長速度。這些物料成本約為150美元或更少的手機可能會進一步加劇移動產(chǎn)品的同質(zhì)化。

那些希望獲得在市場上獲得競爭優(yōu)勢，并希望使自己產(chǎn)品區(qū)分于競爭對手的手機OEM要實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，不能從操作系統(tǒng)或者成本的角度來達到。OEM應(yīng)力求為消費者提供差異化的特性和功能，如高性能500萬像素到800萬像素的攝像頭，或者能夠以相對較高的幀率捕獲高清視頻的能力。

對于移動設(shè)備OEM來說，已經(jīng)成為移動設(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和贏利的關(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商家購買產(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％的受訪成年人使用手機的相機。相比之下，72％的受訪者發(fā)送短信，38％的受訪者用手機訪問互聯(lián)網(wǎng)。同一項調(diào)查發(fā)現(xiàn)，34％的人使用他們的手機錄制視頻。最近，2011年3月的一個GSMArena Camera Phone（照相手機）使用報告顯示，98％的受訪手機用戶都以一定的頻率使用他們的照相手機。

在這個細分市場，照相機及其所引發(fā)的各種應(yīng)用，如視頻通話或?qū)嵕霸鰪姡╝ugmented reality）等等，可能會成為區(qū)分于其他不具特色Android手機的一個關(guān)鍵不同點和對照。

在500萬像素到800萬像素范圍內(nèi)CMOS圖像傳感器技術(shù)的進步，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工藝等先進技術(shù)，來改善像素性能以及整體圖像質(zhì)量。通過使用經(jīng)過驗證的半導(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，使它們成為智能手機和平板電腦應(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)動先進的汽車應(yīng)用方案
隨著汽車成像系統(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代汽車智能解決方案的要求。 CMOS技術(shù)的改進得益于在過去十年中產(chǎn)業(yè)在新技術(shù)方面數(shù)十億美元的研發(fā)投資。由此帶來的技術(shù)進步可使汽車OEM廠商差異化他們的產(chǎn)品，并提供先進的和所需要的功能。更重要的是，這些技術(shù)進步也幫助汽車系統(tǒng)OEM制造出操作簡單、且更安全的汽車，滿足消費者和政府機構(gòu)的需求。一個典型的例子是美國政府提出的新要求，該要求將導(dǎo)致強制安裝后視系統(tǒng)，也就是通常所說的備份（backup）攝像系統(tǒng)。

顯然，CMOS圖像傳感器是這種汽車子系統(tǒng)的重要組成部分，一個備份相機等看似簡單的應(yīng)用，卻對工作溫度范圍、傳感器的動態(tài)范圍、光譜范圍、甚至功耗等都有相當(dāng)嚴格的要求。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 CCD根本無法實現(xiàn)。

其他重要的先進駕駛員輔助解決方案（ADAS）包括：結(jié)合使用CMOS成像器、測距技術(shù)和其他車載傳感器的車道偏離警告系統(tǒng)，可以幫助司機行駛在自己的車道內(nèi)；結(jié)合CMOS圖像傳感器、超聲波傳感器和線驅(qū)（drive-by-wire）功能實現(xiàn)的駐車距離控制系統(tǒng)甚至自動平行停車系統(tǒng)；依靠CMOS圖像傳感器實現(xiàn)的標(biāo)志識別系統(tǒng)，可用來幫助司機避免事故的發(fā)生；自適應(yīng)巡航控制（adaptive cruise control）系統(tǒng)，可以通過使用CMOS傳感器和測距儀來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)十個已經(jīng)生產(chǎn)或者正在開發(fā)的汽車成像應(yīng)用中的一些而已。

這些各式各樣的汽車安全性和方便駕駛系統(tǒng)可分為場景觀察和場景處理應(yīng)用。

場景觀察應(yīng)用是把視覺信息傳達給司機。上述提到的備份攝像系統(tǒng)是一個典型的例證。在這些應(yīng)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、寬動態(tài)范圍（WDR）和低功耗等等。當(dāng)然，在達到這些性能的同時，也必須同時符合汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并在高批量下實現(xiàn)更低的單位成本。

舉例來說，Aptina公司的MT9V128和MT9V129是專為汽車場景觀察應(yīng)用而設(shè)計的VGA系統(tǒng)級芯片（SOC）解決方案。同樣，Aptina公司為下一代場景觀察攝像頭提供先進的百萬像素級（MT9M024）解決方案。
場景處理汽車應(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，來做出警告駕駛員、甚至調(diào)整汽車的路徑或速度等具體決定。車道偏離預(yù)警系統(tǒng)是場景處理系統(tǒng)的一個很好例證。

對于場景觀察和場景處理應(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，汽車應(yīng)用的CMOS圖像傳感器出貨量將從2009年的約900萬件，增長到2017年的約5000萬件。考慮到汽車產(chǎn)品的長生命周期，CMOS圖像傳感器在汽車市場將注定有一個史無前例的高速增長，這對于汽車OEM是好消息，可使產(chǎn)品在性能和成本等方面進一步改善。

IP相機監(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，趨勢也類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（differentiators）。

用CMOS圖像傳感器實現(xiàn)的IP監(jiān)控系統(tǒng)更為經(jīng)濟，也更容易安裝。例如，一些具有市場前瞻性的監(jiān)視系統(tǒng)OEM正在啟動一個全新、批量潛力巨大、客戶自己完成(DIY)的監(jiān)控細分市場，家庭和小型辦公室DIY監(jiān)控系統(tǒng)的費用可能低至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。

與閉路電視系統(tǒng)相比，IP攝像系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢。它無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)也是增加百萬像素圖像傳感器應(yīng)用的一個機遇。此外，許多當(dāng)今的IP攝像頭系統(tǒng)都采用寬動態(tài)技術(shù)，使相機可放在幾乎任何地方，因為它解決了在非常灰暗和非常明亮的環(huán)境中都可以捕獲清晰圖像的挑戰(zhàn)。而不具備寬動態(tài)技術(shù)的IP攝像系統(tǒng)則有圖像曝光不足或曝光過度的風(fēng)險，這些都是圖像監(jiān)控市場不可接受的。

許多IP攝像頭解決方案還可提供嵌入式的視頻處理，分析實時視頻流，以便及時發(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)字信號處理器（DSP）、現(xiàn)場可編程門陣列（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，使得人們有可能在實際相機上進行大部分圖像分析。這種分析可能包括背景建模（background modeling）、前景提?。╢oreground extraction）、二進制大對象（BLOB）監(jiān)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(tǒng)，而無須增加很多成本。

IP攝像系統(tǒng)中使用的圖像傳感器必須提供相對較高的分辨率，或者720P或者1080P，同時也需要達到比較快的幀率，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幀的速率為相機制造商提供了高靈活性，以適應(yīng)快門在場景中捕獲快速移動物體需要的寬度。此外，如博彩等娛樂場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。百萬像素的傳感器雖然可以提供寬動態(tài)范圍或者卓越的低光照敏感度，但通常不能同時達到上述兩個目標(biāo)。幸運的是，這種情況正在改變。用Aptina公司DR-PIX技術(shù)和多重曝光寬動態(tài)范圍成像技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)的高清百萬像素傳感器可以同時實現(xiàn)上述兩個指標(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60％的量子效率（QE）。

CMOS圖像傳感器在數(shù)碼相機（DSC）市場蠶食CCD份額
與其他應(yīng)用領(lǐng)域一樣，在數(shù)碼相機市場，CMOS圖像傳感器也在從低端產(chǎn)品向高端產(chǎn)品遷移。同時，OEM發(fā)現(xiàn)，CMOS成像器提供的勝過CCD的技術(shù)優(yōu)勢，往往會轉(zhuǎn)變成為市場中的競爭優(yōu)勢。具體說來，當(dāng)代CMOS傳感器產(chǎn)生的圖像質(zhì)量已經(jīng)達到甚至超過CCD，而在DSC市場，圖像質(zhì)量是一個關(guān)鍵的產(chǎn)品區(qū)分因素。

這里舉一個例子，Aptina公司的1400萬像素，1.4μm，1/2.3英寸MT9F002傳感器集成到一個領(lǐng)先品牌的數(shù)碼相機，另一個領(lǐng)先品牌的數(shù)碼相機則配備一個1400萬像素，1/2.3英寸CCD器件，它們具有相同的陣列和像素大小。通過分析關(guān)鍵的性能標(biāo)準(zhǔn)，無論在低還是在高ISO條件下，1400萬像素CMOS傳感器明顯優(yōu)于對應(yīng)的CCD器件。

圖2和圖3顯示在ISO 100條件下兩個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1400萬像素CMOS圖像傳感器（MT9F002）與對應(yīng)CCD方案的圖像比較

圖3 ISO 100下圖片細節(jié)放大后的比較

圖4和圖5表明，在ISO范圍的另外一個極端（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2dB的增加（大于 30％）。通過放大圖像的不同區(qū)域（見圖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1400萬像素傳感器（MT9F002）與對應(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。正在開發(fā)的下一代傳感器采用高速并行讀出架構(gòu)，預(yù)計輸出率可超過500MP/s。在更快的讀出速度下，CMOS傳感器便可以同時捕獲高清晰度靜態(tài)圖片和高品質(zhì)全高清視頻，而無須設(shè)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提供優(yōu)化的性能，使OEM廠商可能開發(fā)全新和具有差異性的DSC產(chǎn)品。

結(jié)論
在各個市場領(lǐng)域，CMOS圖像傳感器技術(shù)已經(jīng)在不斷改進和演變，它們遠遠超出了滿足細分市場具體要求的目標(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廠商能夠開發(fā)全新功能，實現(xiàn)產(chǎn)品在市場中的差異化。隨著CMOS圖像傳感器獲取更多的成像市場份額，CMOS技術(shù)一定會有更大的發(fā)展動力和更多創(chuàng)新，以順應(yīng)成像市場未來的發(fā)展趨勢和要求。