Nyxel近紅外(NIR)技術(shù)：可在弱光條件下獲取清晰的圖像

圖像傳感器是利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號。與光敏二極管，光敏三極管等“點(diǎn)”光源的光敏元件相比，圖像傳感器是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉(zhuǎn)換成可用的電信號的一種功能器件。圖像傳感器分為光導(dǎo)攝像管和固態(tài)圖像傳感器。與光導(dǎo)攝像管相比，固態(tài)圖像傳感器具有體積小、重量輕、集成度高、分辨率高、功耗低、壽命長、價(jià)格低等特點(diǎn)。因此在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

CMOS圖像傳感器是一種典型的固體成像傳感器，與CCD有著共同的歷史淵源。CMOS圖像傳感器通常由像敏單元陣列、行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器、時(shí)序控制邏輯、AD轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口、控制接口等幾部分組成,這幾部分通常都被集成在同一塊硅片上。其工作過程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出幾部分。

在CMOS圖像傳感器芯片上還可以集成其他數(shù)字信號處理電路，如AD轉(zhuǎn)換器、自動(dòng)曝光量控制、非均勻補(bǔ)償、白平衡處理、黑電平控制、伽瑪校正等，為了進(jìn)行快速計(jì)算甚至可以將具有可編程功能的DSP器件與CMOS器件集成在一起，從而組成單片數(shù)字相機(jī)及圖像處理系統(tǒng)。1963年Morrison發(fā)表了可計(jì)算傳感器，這是一種可以利用光導(dǎo)效應(yīng)測定光斑位置的結(jié)構(gòu)，成為CMOS圖像傳感器發(fā)展的開端。1995年低噪聲的CMOS有源像素傳感器單片數(shù)字相機(jī)獲得成功。

CMOS圖像傳感器具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)隨機(jī)窗口讀取能力。隨機(jī)窗口讀取操作是CMOS圖像傳感器在功能上優(yōu)于CCD的一個(gè)方面，也稱之為感興趣區(qū)域選取。此外，CMOS圖像傳感器的高集成特性使其很容易實(shí)現(xiàn)同時(shí)開多個(gè)跟蹤窗口的功能。2)抗輻射能力?？偟膩碚f，CMOS圖像傳感器潛在的抗輻射性能相對于CCD性能有重要增強(qiáng)。3)系統(tǒng)復(fù)雜程度和可靠性。采用CMOS圖像傳感器可以大大地簡化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。4)非破壞性數(shù)據(jù)讀出方式。5)優(yōu)化的曝光控制。值得注意的是，由于在像元結(jié)構(gòu)中集成了多個(gè)功能晶體管的原因，CMOS圖像傳感器也存在著若干缺點(diǎn)，主要是噪聲和填充率兩個(gè)指標(biāo)。鑒于CMOS圖像傳感器相對優(yōu)越的性能，使得CMOS圖像傳感器在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

10 月 14 日消息，從豪威官方獲悉，豪威集團(tuán)近日發(fā)布了全新的 OS05B CMOS 圖像傳感器和 OS04L CMOS 400 萬像素(MP)圖像傳感器。

其中，OS05B 在 500 萬像素設(shè)計(jì)中結(jié)合了像素技術(shù)和量子效率(QE)，適用于專業(yè)和高端消費(fèi)類安防攝像頭，如工業(yè)和工廠監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭和高端嬰兒監(jiān)視器。OS05B 采用 1/2.78 英寸的光學(xué)格式以及基于 PureCel Plus 技術(shù)的 2.0 微米 BSI 像素設(shè)計(jì)工藝。這款圖像傳感器還采用了豪威集團(tuán)的 Nyxel近紅外(NIR)技術(shù)，可在弱光條件下獲取清晰的圖像。

與 OS05A 相比，OS05B 的信噪比(SNR1)提高了 32%，940 納米近紅外波長下的量子效率提高了 24%。OS05B 還具有選擇性轉(zhuǎn)換增益 —— 高轉(zhuǎn)換增益能夠提高靈敏度，降低讀出噪聲水平，同時(shí)在弱光條件下實(shí)現(xiàn)最佳信噪比;而低轉(zhuǎn)換增益可在明亮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)更高的滿阱容量。OS05B 能以 60 幀 / 秒的幀率捕捉高分辨率視頻，并具有二次曝光交錯(cuò)式 HDR 支持功能。OS05B 支持 MIPI 和 LVDS 接口。

OS04L 則可為智能家居、門鈴、嬰兒監(jiān)視器、IP、高清模擬攝像頭等消費(fèi)類安防設(shè)備帶來 2K 分辨率的數(shù)字圖像和高清(HD)視頻。此外，OS04L 圖像傳感器的 2.0 微米像素尺寸采用了豪威集團(tuán)的 OmniPixel 3-HS 技術(shù)。OS05B 和 OS04L 將于 2022 年第四季度出樣，2023 年第一季度投入量產(chǎn)。

CMOS 圖像傳感器(CIS)是將光子轉(zhuǎn)換為電子進(jìn)行數(shù)字處理，把圖像信 號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的芯片，主要用于在數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼閉路電視攝像機(jī)和數(shù) 碼攝像機(jī)中的創(chuàng)建圖像，是數(shù)碼攝像頭的關(guān)鍵部件。由于攝像頭的功能包括 拍照、攝像、圖像識別、身份驗(yàn)證等，數(shù)碼產(chǎn)品對 CMOS 圖像傳感器性能的 要求也越來越高。通常 CMOS 圖像傳感器主要由四個(gè)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)。

CMOS 圖像傳感器擁有較好的信號轉(zhuǎn)換能力，可以將直接在像素內(nèi)將電 荷轉(zhuǎn)化為電壓，在性能上超過了傳統(tǒng)的 CCD 傳感器，當(dāng)前，主流的攝像頭都使用 CMOS 傳感器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，CMOS 傳感器也被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、 數(shù)碼相機(jī)、自動(dòng)駕駛、安防、IOT 等領(lǐng)域。

隨著智能手機(jī)攝像頭的升級，以及汽車市場的高速增長，全球 CMOS 圖 像傳感器市場規(guī)模持續(xù)走高。2021 年全市 CMOS 圖像傳感器銷售額為 213 億 美元，同比增長 2.89%。2021 年受疫情影響，加上手機(jī)市場低迷，CMOS 圖 像傳感器需求增速放緩，不過隨著 2022 年下半年消費(fèi)市場復(fù)蘇，相應(yīng)電子需 求恢復(fù)，CMOS 圖像傳感器市場增速將會(huì)恢復(fù)到 8%左右，預(yù)計(jì) 2025 年全球 CMOS 圖像傳感器市場規(guī)模為 290 億美元。

從下游應(yīng)用領(lǐng)域來看，目前 CMOS 圖像傳感器最大市場為手機(jī)攝像頭， 2021 年 CMOS 圖像傳感器手機(jī)市場占比達(dá)到 75.9%，這主要得益于近幾年手機(jī)攝像往高分辨率、多攝像頭發(fā)展，現(xiàn)在高端機(jī)的攝像頭在 3-5 個(gè)之間，對 于 CMOS 的需求較大。從市場增速來看，汽車市場增長最快，2021 年汽車 CMOS 市場率已經(jīng)達(dá)到 11.7%，隨著電動(dòng)車滲透率的上升，以及智能駕駛的發(fā)展，單車 CMOS 傳感器的使用量也在大幅增長，預(yù)計(jì)未來五年內(nèi)車用攝像頭將是 CMOS 市場增長的主要?jiǎng)恿Α?

CMOS 圖像傳感器在國內(nèi)還處于高速發(fā)展的階段，2021 年國內(nèi) CMOS 圖像傳感器銷售額為 295.4 億元，同比增長 19%，增速明顯快于全球，預(yù)計(jì)到 2024 年國內(nèi) CMOS 圖像傳感器市場規(guī)模將達(dá)到 516.5 億元，符合增長率為 20%。

從生產(chǎn)模式來看，CMOS 圖像傳感器企業(yè)主要分兩種，專注于 CMOS 芯 片設(shè)計(jì)的 Fabless 企業(yè)，比如索尼、韋爾股份(豪威科技)、思特威等。還有 從設(shè)計(jì)制造者到封裝測試全產(chǎn)業(yè)鏈都做的 IDM 企業(yè)，比如三星。當(dāng)前 CMOS 芯片對于制程的要求并不是很高，芯片的主要技術(shù)壁壘在芯片設(shè)計(jì)一環(huán)，因 此主要的 CMOS 企業(yè)多以設(shè)計(jì)為主。

從競爭格局來看，CMOS 圖像傳感器市場屬于壟斷程度較高的市場， 2021 年前三大 CMOS 傳感器企業(yè)占有 75%的市場。索尼在行業(yè)中處于龍頭 地位，目前市占率約為 39%左右。其次是三星(23%)、韋爾股份(13%)。索尼的圖像傳感器主要應(yīng)用在手機(jī)、相機(jī)、攝像等，三星的產(chǎn)品主要應(yīng)用于自 己的手機(jī)端，韋爾股份的圖像傳感器則側(cè)重于安防和汽車。

手機(jī)攝像頭的制造成本主要由CMOS圖像傳感器、模組封裝、光學(xué)鏡頭、 音圈馬達(dá)、紅外濾光片等部分組成、其中 CMOS 圖像傳感器是攝像頭組成的 核心，也是最關(guān)鍵的技術(shù)，占據(jù)手機(jī)攝像頭成本的約 52%。

2021 年全球智能手機(jī) CMOS 圖像傳感器市場規(guī)模為 151 億美元，同比 增長 3%。從市場增長來看，手機(jī)市場增速逐漸放緩，2021 年增速為近五年 來最低。受下游手機(jī)市場低迷的影響，CMOS 圖像傳感器需求增速減少，預(yù)計(jì)至 2025 年，智能手機(jī)領(lǐng)域的 CMOS 圖像傳感器銷售額為 169 億美元，復(fù) 合增長率在 3%左右。