CMOS圖像傳感器技術(shù)與市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

摘要：本文分別從基本結(jié)構(gòu)、相關(guān)工作原理以及主要類型等多個(gè)方面對(duì)CMOS圖像傳感器技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的講解，接下來我們又分別從高清化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等多個(gè)方面對(duì)CMOS圖像傳感器技術(shù)在未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，最后我們分別從市場(chǎng)規(guī)模、市場(chǎng)格局以及未來發(fā)展前景等多個(gè)方面對(duì)CMOS圖像傳感器技術(shù)進(jìn)行了重要的研究分析。

關(guān)鍵詞：CMOS圖像傳感技術(shù);圖像傳感器;光敏探測(cè)器

1 CMOS圖像傳感器技術(shù)

1.1 基本結(jié)構(gòu)

混合信號(hào)型的電路器件之一就是CMOS圖像傳感器，在它的內(nèi)部主要構(gòu)成部分就是數(shù)字邏輯模塊、信號(hào)處理模塊以及像素陣列等。一共由MXN個(gè)像素單元在CMOS圖像傳感器的內(nèi)部形成了對(duì)應(yīng)的像素陣列，每一個(gè)這里面的像素單元都有對(duì)應(yīng)的一個(gè)信號(hào)處理單元還有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光敏探測(cè)器。一般來說，一個(gè)反偏的PN結(jié)可以構(gòu)成一個(gè)光敏探測(cè)器，光敏探測(cè)器如果使用P+NP的二極管則可以提高光響應(yīng)率。光子可以在采樣陣列時(shí)激發(fā)對(duì)應(yīng)的光敏探測(cè)器，從而出現(xiàn)光電流，光電流信號(hào)可以被像素單元里的相關(guān)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)或電壓信號(hào)等，然后利用信號(hào)處理模塊將生成的電荷或電壓信號(hào)傳送到片外。

1.2 相關(guān)工作原理

CMOS圖像傳感器主要包含了三個(gè)工作流程，分別對(duì)應(yīng)的是復(fù)位、積分以及讀出光敏元等，下面我們將詳細(xì)講解一下這三個(gè)工作流程。

1.2.1復(fù)位

我們每次采樣結(jié)束或者上電以后，務(wù)必要記得復(fù)位光敏元。在我們進(jìn)行復(fù)位光敏元這一操作時(shí)，相當(dāng)于是光敏元在采樣對(duì)應(yīng)的復(fù)位電壓，并且我們?cè)陂_展采樣光敏元這一具體步驟的時(shí)候所利用的光電二極管也可以當(dāng)做是對(duì)電容還有電流源的并聯(lián)。實(shí)際上在光電二極管中存在的寄生電容指的就是電容，而由光電二極管激發(fā)出的光電流實(shí)際上就是指的電流源，因此在復(fù)位光敏元這一操作步驟時(shí)就是相當(dāng)于對(duì)光電二極管里存在的寄生電容進(jìn)行復(fù)位操作。因?yàn)橥ǔＪ鞘褂靡粋€(gè)NMOS開關(guān)來控制復(fù)位信號(hào)的，所以在復(fù)位的過程中可能會(huì)引入KTC噪聲。

1.2.2 積分

我們?cè)谶M(jìn)行兩次復(fù)位光電二極管這一操作時(shí)，在二極管里這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)反向飽和電流還有光電流，并且在光電二極管中不斷抽取寄生電容兩端存在的電荷，使得寄生電容兩端的壓差不停的降低，因?yàn)榇嬖诘墓怆娏鞅容^小，所以必須累積一定的時(shí)間才行。光信號(hào)的強(qiáng)弱可以直接影響光電流的大小，而光電流的大小又可以直接影響電壓下降的過程，因此在我們?cè)趯?shí)際操作的過程中開展的采樣電信號(hào)就相當(dāng)于是采樣光信號(hào)的過程。

1.2.3 讀出

在結(jié)束積分之后需要對(duì)信號(hào)開展讀出處理，信號(hào)讀出的流程大多時(shí)候使用的是雙采樣方法，也就是把光電二極管里存在的光電信號(hào)還有復(fù)位信號(hào)采用差分輸出。在讀出過程中有兩種差分輸出的模式，一種就是不相關(guān)雙采樣模式，使用不相關(guān)雙采樣模式的時(shí)候需要先采樣光電信號(hào)，然后復(fù)位信號(hào)源并采樣復(fù)位信號(hào)。因?yàn)楣怆娦盘?hào)和復(fù)位信號(hào)之間并不具有相關(guān)性，所以只能對(duì)像元的固定圖樣噪聲進(jìn)行去除處理，但是對(duì)于復(fù)位噪聲無法進(jìn)行去除。還有一種差分輸出模式就是相關(guān)雙采樣模式，使用相關(guān)雙采樣模式的時(shí)候需要先采樣復(fù)位信號(hào)，在完成積分之后才可以采樣光電信號(hào)。因?yàn)楣怆娦盘?hào)和復(fù)位信號(hào)之間存在相關(guān)的關(guān)系，所以可以對(duì)像元的固定圖樣噪聲進(jìn)行去除處理，同時(shí)也能對(duì)復(fù)位噪聲進(jìn)行去除。

1.3 主要類型

1.3.1無源圖像傳感器

Weckler在1967年的時(shí)候第一次針對(duì)無源圖像傳感器的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，在那個(gè)時(shí)期的無源圖像傳感器里單個(gè)像素中只有行選通管和光電二極管這兩部分而己。無源圖像傳感器的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，所以它的主要優(yōu)點(diǎn)就是量子效率高和填充率高。然后因?yàn)闊o源圖像傳感器的輸出噪聲比較大且讀取信號(hào)的速度比較低，所以無源圖像傳感器的結(jié)構(gòu)并不適合制造高動(dòng)態(tài)范圍以及大面陣的器件。

1.3.2 有源圖像傳感器

緊接著科研人員又提出了一種新的有源圖像傳感器，這一新的圖像傳感器技術(shù)實(shí)際上是為了解決無源圖像傳感器結(jié)構(gòu)中存在的一系列問題。當(dāng)前應(yīng)用的最廣泛并且最簡(jiǎn)單的一種像素電路結(jié)構(gòu)，就是把一個(gè)內(nèi)置的源極跟蹤器還有復(fù)位管集成到有源圖像傳感器中。光電二極管采樣光信號(hào)時(shí)行選通管會(huì)打開，信號(hào)的傳送路徑是從源極跟蹤器到列線。跟無源圖像傳感器相比較，有源傳感器的像素電路雖然占空比不高，但是引入有源放大器之后明顯改善了傳感器的信噪比和讀出速度，這大大提升了圖像傳感器的性能。

1.3.3 數(shù)字圖像傳感器

數(shù)字圖像傳感器可以說是對(duì)有源圖像傳感器的進(jìn)一步優(yōu)化，它把重要的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊植入到了傳感器的像素電路中。讓每個(gè)輸出的像素都能直接傳給存儲(chǔ)單元并被上位機(jī)處理，這大大提高了信號(hào)傳輸?shù)乃俣惹医档土嗣骊囌伎毡?。?shù)字圖像傳感器的結(jié)構(gòu)在處理輸出信號(hào)時(shí)很便捷，能夠減低電路噪聲且減少信號(hào)傳送的路徑。

2 未來的發(fā)展趨勢(shì)

隨著國(guó)家對(duì)公共安全和國(guó)家安全越來越重視，使得當(dāng)前社會(huì)對(duì)安防監(jiān)控的要求也越來越高，因此當(dāng)前安防監(jiān)控技術(shù)所用到的CMOS圖像傳感器技術(shù)需要盡快完成向高清化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的轉(zhuǎn)變。

2.1高清化

對(duì)于智能監(jiān)控技術(shù)來說最基本的要求之一就是圖像的高清化，這也是智能監(jiān)控技術(shù)最重要的基礎(chǔ)。智能的監(jiān)控技術(shù)不只要實(shí)現(xiàn)圖像視頻的獲取，還要完成對(duì)圖像視頻的分析處理，因此智能監(jiān)控技術(shù)需要有比較強(qiáng)的自動(dòng)識(shí)別功能。如果獲取的圖像視頻模糊的話，將缺乏關(guān)鍵的細(xì)節(jié)，無法拿到圖像視頻的細(xì)節(jié)特征，由于后端獲取的依據(jù)不足，將進(jìn)一步影響自動(dòng)控制和智能提醒的實(shí)現(xiàn)。CMOS圖像傳感器技術(shù)的研究人員為了實(shí)現(xiàn)圖像視頻的高清化，不斷地在研究自動(dòng)飽和度、自動(dòng)對(duì)比度、去噪、高像素等相關(guān)技術(shù)。未來CMOS圖像傳感器技術(shù)的科研人員還需要不斷突破去霧去水滴、全動(dòng)態(tài)范圍、場(chǎng)景自適應(yīng)、低光去噪、高靈敏度以及高像素等技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)圖像視頻的高清化，穩(wěn)定保持圖像視頻全天候的亮麗清晰效果。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化

圖像視頻的高清化可以為后續(xù)的智能化分析以及提醒控制等提供很好的依據(jù)，但高清化的圖像視頻也需要更高的傳輸能力。傳統(tǒng)的圖像視頻傳輸技術(shù)大多依賴于光纖、雙絞線以及同軸傳輸?shù)?，這在兼容性、聯(lián)網(wǎng)便捷性、成本、傳輸質(zhì)量等方面都存在一些問題。這些問題導(dǎo)致在各個(gè)行業(yè)以及獨(dú)立的子系統(tǒng)中都存在著監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，由于缺乏較強(qiáng)的對(duì)于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理的能力，所以使得很難實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)資源的充分共享，更無法完全實(shí)現(xiàn)高效的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。我國(guó)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用不斷降低以及網(wǎng)絡(luò)寬帶速度的不斷提高，使得高清化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)迅速得到普及，當(dāng)下應(yīng)該極力滿足網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)所需要的控制功能、數(shù)據(jù)速率以及圖像格式等。各個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)能夠被網(wǎng)絡(luò)化的智能監(jiān)控系統(tǒng)輕松的連接起來，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)資源的共享。借助于云計(jì)算強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像視頻數(shù)據(jù)的分析處理，同時(shí)借助于云上強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，可以更加方便安全的對(duì)圖像視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化存儲(chǔ)。CMOS圖像傳感器技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化之后，個(gè)人可以通過網(wǎng)絡(luò)使用手機(jī)終端隨時(shí)了解監(jiān)控地點(diǎn)的實(shí)時(shí)情況，同時(shí)個(gè)人也能在網(wǎng)絡(luò)上控制監(jiān)控系統(tǒng)，從而便利當(dāng)前人們的生活。

2.3 智能化

把云計(jì)算技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)結(jié)合起來，能夠極大的提高當(dāng)前監(jiān)控技術(shù)的信息處理、存儲(chǔ)共享以及信息獲取等能力，促進(jìn)監(jiān)控技術(shù)智能化發(fā)展。針對(duì)智能化的監(jiān)控技術(shù)，大多是基于后端分析處理圖像視頻數(shù)據(jù)的功能來實(shí)現(xiàn)的。CMOS圖像傳感器技術(shù)作為監(jiān)控技術(shù)最前端的成像技術(shù)，也需要滿足智能化的要求，從而實(shí)現(xiàn)可控制和智能化的成像過程。對(duì)于CMOS圖像傳感器技術(shù)具備的智能菜單及控制這一功能來說，它能夠?qū)崿F(xiàn)用戶在外部按照自己獨(dú)特的愛好來操作以及調(diào)節(jié)圖像視頻。對(duì)于全天候圖像自適應(yīng)這一功能來說，它能夠在不同場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)圖像的自動(dòng)適應(yīng)，并獲得很好的成像效果。而圖像接口自適應(yīng)這一功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用端要求的進(jìn)一步弱化。相關(guān)科研人員應(yīng)該對(duì)CMOS圖像傳感器技術(shù)的智能化水平不斷進(jìn)行提高，再把智能提醒控制以及后端圖像分析處理的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，這樣的話能夠最大程度的對(duì)智能監(jiān)控技術(shù)的可靠性進(jìn)行增強(qiáng)，也能降低在實(shí)際生活當(dāng)中對(duì)CMOS圖像傳感器技術(shù)應(yīng)用的復(fù)雜度。

3 市場(chǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀

3.1 市場(chǎng)規(guī)模

據(jù)統(tǒng)計(jì)關(guān)于CMOS圖像傳感器在2017這一年度的全球整體市場(chǎng)規(guī)模就已經(jīng)達(dá)到了139億美元，相對(duì)于2015年的全球市場(chǎng)規(guī)模大約同比增加了20.8%，這么高的增長(zhǎng)率主要?dú)w功于智能手機(jī)相關(guān)功能的大規(guī)模普及，比如說智能手機(jī)中包含的3D互動(dòng)、生物特征識(shí)別以及光學(xué)變焦等新功能。我們研究分析發(fā)現(xiàn)預(yù)計(jì)CMOS圖像傳感器的全球市場(chǎng)規(guī)模在2017年到2022年之間的復(fù)合年均增長(zhǎng)率可以保持在大約10.5%的高水平，如果一直保持這種趨勢(shì)的話，預(yù)計(jì)全球市場(chǎng)規(guī)模在2022年可以達(dá)到大約210億美元。我們對(duì)CMOS圖像傳感器在全球范圍的出貨量進(jìn)行了相關(guān)的研究和分析，發(fā)現(xiàn)在2017這一年的出貨量就已經(jīng)超出了大約40億顆。并且我們分析了估計(jì)在未來的2021這一年度中關(guān)于CMOS圖像傳感器的全球范圍出貨量大約能夠?qū)崿F(xiàn)大約70億顆。我們對(duì)CMOS圖像傳感器在2018至2023年這一時(shí)間段的全球市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)行了研究以及分析，得出的結(jié)論是汽車領(lǐng)域的增速是最大的。

3.2 市場(chǎng)格局

CMOS圖像傳感器在當(dāng)前人們生活中的實(shí)際應(yīng)用大多數(shù)集中于安防、醫(yī)療、汽車、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)領(lǐng)域、智能手機(jī)等這幾個(gè)重要領(lǐng)域。其中智能手機(jī)是CMOS圖像傳感器技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，在2017年智能手機(jī)應(yīng)用的占比高達(dá)6g%，其次較高的占比是消費(fèi)領(lǐng)域高達(dá)11%，最低占比的是醫(yī)療大約占比為0.3%。從統(tǒng)計(jì)的數(shù)字來看，智能手機(jī)是當(dāng)前應(yīng)用CMOS圖像傳感器最廣泛的領(lǐng)域，也是未來需要重點(diǎn)關(guān)注的應(yīng)用領(lǐng)域。而處于第二大市場(chǎng)占有率的三星僅為19. 8%，與索尼之間還具有較大的差距，從圖1中可以看出，排名前六的廠商大約占據(jù)市場(chǎng)所有份額的90.8%，市場(chǎng)的占有處于高度集中的狀態(tài)。CMOS圖像傳感器廠商排名在前六的，只有豪威把封測(cè)部分和晶圓制造等業(yè)務(wù)外包給了代工廠，其他的廠商基本都是有屬于自己的工廠。

4 結(jié)束語(yǔ)

CMOS圖像傳感器技術(shù)在過去一段時(shí)間里性能不斷得到了提升且CMOS圖像傳感器相關(guān)重要技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了迅猛的發(fā)展。當(dāng)全球在大范圍的普及智能手機(jī)以后，CMOS圖像傳感器技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用也變得更加的廣泛，甚至在商業(yè)上實(shí)現(xiàn)了非常大的成就。在CMOS的全球市場(chǎng)份額當(dāng)中，智能手機(jī)占據(jù)著領(lǐng)先的地位，但是其他的一些領(lǐng)域?qū)MOS圖像傳感器的市場(chǎng)占比也在逐漸增大，比如醫(yī)療、汽車以及安防等領(lǐng)域。當(dāng)前在全球范圍已經(jīng)有非常多的領(lǐng)域開始逐漸加大使用CMOS圖像傳感器技術(shù)的力度，這將進(jìn)一步促進(jìn)關(guān)于CMOS圖像傳感器技術(shù)新的一輪發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介

馮瑩彰（1985-），男，云南省大姚縣人。大學(xué)本科學(xué)歷，中專講師，電子電工類專業(yè)教師。