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CMOS圖像傳感器

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

微透鏡：具有球形表面和網(wǎng)狀透鏡；光通過微透鏡 時(shí)，CIS的非活性部分負(fù)責(zé)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(lán)（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(zhuǎn)換器件，捕捉光并 轉(zhuǎn)換成電流；一般采用PIN二極管或PN結(jié)器件制成。

?像素設(shè)計(jì)：通過CIS上裝配的有源像素傳感器(APS) 實(shí)現(xiàn)。APS常由3至6個晶體管構(gòu)成，可從大型電容 陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內(nèi)部將光電流轉(zhuǎn)換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和噪聲指標(biāo)。

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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(jīng)典的Bayer陣列是以2x2共四格分散RGB的方式成像， Quad Bayer陣列擴(kuò)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(diǎn)數(shù)量，是數(shù)碼顯示的基本單位，其實(shí)質(zhì)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(lán)）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(yīng)，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(yīng)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(shù)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(qū)，大量金屬連線的存在對進(jìn)入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當(dāng)一部分光線進(jìn)入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。

技術(shù)改進(jìn)后，在背面照 度技術(shù)BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結(jié)構(gòu)下，金屬（鋁，銅）區(qū)轉(zhuǎn)移到光電二極管（PD） 的背面，意味著經(jīng)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(jìn)入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復(fù)雜、更大規(guī)模電路來提升傳感器讀取速度。

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CIS參數(shù)—幀

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

而想要實(shí)現(xiàn)高像素CIS的設(shè)計(jì)，很重要的一點(diǎn)就是Analog電路設(shè)計(jì)，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(fā)布了首款 Exmor傳感器。Exmor 傳感器在每列像素下方 布有獨(dú)立的ADC模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，這意味著在CIS芯 片上即可完成模數(shù)轉(zhuǎn)換， 有效減少了噪聲，大大 提高了讀取速度，也簡化了PCB設(shè)計(jì)。

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CMOS圖像傳感器全球市場規(guī)模

? 2017年為CMOS圖像傳感器高增長點(diǎn)，同比增長達(dá)到20%。2018年，全球CIS市場規(guī)模155億美元，預(yù)計(jì)2019年同比增長10%，達(dá)到170億美元。

? 目前，CIS市場正處于穩(wěn)定增長期，預(yù)計(jì)2024年市場逐漸飽和，市場規(guī)模達(dá)到240億美元。

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CIS應(yīng)用—車載領(lǐng)域

?車載領(lǐng)域的CIS應(yīng)用包括：后視攝像(RVC)，全方位視圖系統(tǒng)(SVS)，攝像機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（CMS），F(xiàn)V/MV，DMS/IMS系統(tǒng)。

? 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(wěn)定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺，2018年為6000萬臺，2019年預(yù)計(jì)達(dá)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(yù)計(jì)FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，預(yù)計(jì)2019年銷量可達(dá)4000萬臺，2021可達(dá)7500萬臺，直逼RVC全球銷量。

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車載領(lǐng)域——HDR技術(shù)方法

? HDR解決方案，即高動態(tài)范圍成像，是用來實(shí)現(xiàn)比普通數(shù)位圖像技術(shù)更大曝光動態(tài)范圍。

? 時(shí)間復(fù)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(tǒng)傳感器兼容的最簡單的像素技術(shù)。

缺點(diǎn)：不同時(shí)間發(fā)生的捕獲導(dǎo)致產(chǎn)生運(yùn)動偽影 。

? 空間復(fù)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(dú)立曝光控制。

優(yōu)點(diǎn)：單幀中的運(yùn)動偽影比交錯的運(yùn)動偽影少。

缺點(diǎn)：分辨率損失，且運(yùn)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(yōu)點(diǎn)：在單個多捕獲幀中沒有運(yùn)動偽影；

缺點(diǎn)：從等效像素區(qū)域降低靈敏度。

? 非常大的全井產(chǎn)能。

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車載領(lǐng)域——閃變抑制技術(shù)

? 多個集成周期（時(shí)間多路傳輸）。在每個整合期內(nèi)對光電二極管充電進(jìn)行多次進(jìn)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(fù)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(shí)間內(nèi)集成（減輕LED閃爍）。

? 每個像素由兩個光電二極管構(gòu)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(yōu)勢在于有出色的閃變抑制、計(jì)算復(fù)雜度低；

劣勢在于更大更復(fù)雜的像素架構(gòu)、更復(fù)雜的讀數(shù)和電路定時(shí)、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(lǐng)域——陣列攝像機(jī)

? 陣列攝像機(jī)是一種新興的攝像機(jī)技術(shù)，是指紅外燈的內(nèi)核為LED IR Array的高效長壽的紅外夜視設(shè)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(shí)現(xiàn)圖像融合的組合輸出，并能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)輸出，或同時(shí)輸出。

主要優(yōu)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(jī)還面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，汽車光學(xué)對準(zhǔn)誤差難以保持溫度范圍；其次，圖像融合面向應(yīng)用和復(fù)雜的計(jì)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(lǐng)域——機(jī)器視覺傳感器技術(shù)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?cái)?shù)量可達(dá)數(shù)千。

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

和機(jī)械式焦平面快門一樣，卷簾快門對高速運(yùn)動的物體會產(chǎn)生明顯的變形。而且因?yàn)槠鋻呙杷俣缺葯C(jī)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(yīng)用于高度運(yùn)動對象時(shí)的變形問題。

? 改進(jìn)的近紅外（NIR）響應(yīng)、高靈敏度濾色片陣列（RCCB）、數(shù)據(jù)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(lǐng)域——當(dāng)前監(jiān)控?cái)z像機(jī)類型

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安防領(lǐng)域——紅外線攝像技術(shù)

? 紅外線攝像技術(shù)分為被動和主動兩種類型。

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

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

? 主動型紅外攝像機(jī)包含攝像機(jī)、防護(hù)罩、紅外燈、供電散熱單元。它貼切的名稱為紅外線增強(qiáng)攝像機(jī)。

感光元件的頻譜足夠?qū)挄r(shí)能對紅外線到可見光的連續(xù)譜產(chǎn)生感應(yīng)，形成包括紅外線在內(nèi)的光敏感。在普通可見光強(qiáng)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(lǐng)域——紅外光成像

? 紅外線攝影術(shù)以成像為目標(biāo)。伴隨著電子與化學(xué)科技的進(jìn)展，紅外線攝像技術(shù)逐漸演化出三個方向。

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

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

?中、遠(yuǎn)紅外線線感應(yīng)材料：感應(yīng)范圍為波長3,000nm～14,000nm。需要使用冷卻技術(shù)和特殊的光學(xué)感應(yīng)器，加工處理形成電子影像。

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安防領(lǐng)域——索尼STARVIS技術(shù)

? 最客觀的比較傳感器靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)是像素內(nèi)光子到電子轉(zhuǎn)換效率，這種標(biāo)準(zhǔn)只涉及像元尺寸和量子效率，不需要傳感器的其他參數(shù)。

? STARVIS圖像傳感器靈敏度達(dá)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(lǐng)域——索尼STARVIS技術(shù)

? 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(shù)使光線首先進(jìn)入金屬配線層。而背照式像素技術(shù)使光線首先進(jìn)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(huán)境下形成優(yōu)質(zhì)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(xiàn)精致細(xì)節(jié)。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(huán)境下提供卓越的靈敏度，這要?dú)w功于先進(jìn)的像素技術(shù)ISOCELL，該技術(shù)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(tài)范圍(WDR)，可進(jìn)行更準(zhǔn)確的物體識別。三星汽車圖像傳感器具有120db以上的寬動態(tài)范圍，即使在高對比度環(huán)境下也可檢測對象。它的高性能寬動態(tài)范圍(WDR)功能可以傳遞準(zhǔn)確的信息來幫助司機(jī)預(yù)防事故發(fā)生。

? 無論溫度如何變化，均可提供出色品質(zhì)。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(yè)各種嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)要求。即使在極端環(huán)境下也能提供優(yōu)質(zhì)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(jīng)開發(fā)三個料號產(chǎn)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(biāo)配，主要應(yīng)用于倒車影像系統(tǒng)中。未來隨著高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)的需要，智能汽車如果需要實(shí)現(xiàn)自動緊急剎車(AEB)、自適應(yīng)巡航(ACC)、疲勞監(jiān)測、車道偏離輔助、360 度環(huán)視等功能，則需要在車輛上配置 6-8 個攝像頭。

? ADAS 視覺系統(tǒng)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(huán)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(tài)范圍（HDR）與先進(jìn)的圖像信號處理（ISP） 一起提供了出色的場景再現(xiàn)，并防止了運(yùn)動偽影。無論光線如何，都可以呈現(xiàn)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(shù)的OmniPixel3-GS, 它對近紅外光具有很高的靈敏度，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的駕駛者狀態(tài)監(jiān)測。

? 汽車芯片級封裝（a-CSP）技術(shù) 實(shí)現(xiàn)小巧耐用的相機(jī)模塊。

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豪威科技——車載攝像頭

? 機(jī)器視覺應(yīng)用（如避障和道路標(biāo)志識別）都要求準(zhǔn)確的場景再現(xiàn)。無論光線如何，傳感器技術(shù)都必須提供全面的場景內(nèi)容。豪威科技的LFM + HDR解決方案和低光性可以解決這些關(guān)鍵性問題。

? 駕駛者狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用，包括駕駛者分心或者疲勞駕駛監(jiān)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(shè)計(jì)，滿足設(shè)計(jì)需求

? 用于顯示的成像系統(tǒng)，如后視與環(huán)視系統(tǒng)以及e-mirror都需要極高的圖像質(zhì)量。通過卓越低光性能的BSI技術(shù)和HDR技術(shù)以及配套ASIC，豪威科技可以提供經(jīng)濟(jì)高效的顯示系統(tǒng)。

? 360度環(huán)繞立體視頻采用車輛兩側(cè)安裝攝像頭，并由中央處理單元對其進(jìn)行控制，以呈現(xiàn)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(zhì)圖像，從而實(shí)現(xiàn)更加自然的場景再現(xiàn)。

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

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豪威科技——機(jī)器人、無人機(jī)、VR/AR 攝像頭

? 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、無人機(jī)領(lǐng)域是由教育、娛樂、游戲行 業(yè)所推動的 CMOS 圖像傳感器新興市場。

HTC Vive、Oculus Rift 和 PS VR 等產(chǎn)品推動了消費(fèi)級 VR 設(shè)備的普及;HoloLens、Vuzix Blade以及 Epson Moverio 等 AR 設(shè)備的接連推出，預(yù)示著 AR 設(shè)備市場將進(jìn)入消費(fèi)級應(yīng)用階段。

此類新興領(lǐng)域?qū)⑹?CMOS 圖像傳感器未來發(fā)展的著眼點(diǎn)和增長點(diǎn)。

數(shù)據(jù)來源：豪威官網(wǎng)，西南證券整理

豪威技術(shù)優(yōu)勢

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

? 雖然家用機(jī)器人系統(tǒng)目前只能實(shí)現(xiàn)單一的功能，比如吸塵，然而多用途機(jī)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(shù)，旨在滿足所有這些應(yīng)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(shù)

? CameraCubeChipTM 圖像傳感器集成芯片技術(shù)是美國豪威在 CMOS 圖像傳感器行業(yè)特有先進(jìn)技術(shù)之一，該技術(shù)特點(diǎn)為:提供業(yè)界最小的相機(jī)模組解決方案;使用 半導(dǎo)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(jī)零件封裝，降低人力成本；簡化供應(yīng)鏈，縮短產(chǎn)品上市周期。

審核編輯 ：李倩