1873 年，科学家约瑟·美(Joseph May)及伟洛比·史密夫(WilloughbySmith)就创造了硒元素结晶体感光后能产生电流，由此，电子影像发展开始，随着技能演进，图像传感器性能逐步提升。
本期的智能内参，我们推举西南证券的研究报告《摄像头芯片，CMOS图像传感器行业报告》，从图像传感器的发展历史开始，详解CMOS技能特点和行业发展现状。如果想收藏本文的报告（CMOS图像传感器），可以在芯潮头条号回答关键词“nc402”获取。
20 世纪50 年代——光学倍增管(Photo Multiplier Tube，简称PMT)涌现。
1965年-1970年，IBM、Fairchild等企业开拓光电以及双极二极管阵列。
1970年，CCD图像传感器在Bell实验室发明，依赖其高量子效率、高灵敏度、低暗电流、高同等性、低噪音等性能，成为图像传感器市场的主导。
90年代末，步入CMOS时期。
▲图像传感器的历史沿革
1、光电倍增管
光电倍增管（简称PMT），真空光电管的一种。事情事理是：由光电效应引起 ，在PMT入射窗处撞击光电阴极的光子产生电子，然后由高压场加速，并在二次加工过程中在倍增电极链中倍增发射。
光电倍增管是一种极其灵敏的光检测器，可探测电磁波谱紫外，可见和近红外范围内光源，供应与光强度成比例的电流输出，广泛运用于验血，医学成像，电影胶片扫描（电视电影），雷达滋扰和高端图像扫描仪鼓扫描仪中。
▲光电倍增管
2、CCD
CCD全称为Charge Coupled Device，中文翻译为”电荷藕合器件”。它利用一种高感光度的半导体材料制成，能把光芒转变成电荷。因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震撼等优点。CCD是电子设备， CCD在硅芯片（IC）中进行光旗子暗记与电旗子暗记之间的转换，从而实现数字化，并存储为打算机上的图像文件。
数字成像始于1969年，由Willard Boyle和George E. Smith于AT＆T贝尔实验室发明 。 最初致力于内存→“充电’气泡’设备”，可以被用作移位寄存器和区域成像设备 。
2009年， Willard Boyle和George E. Smith得到诺贝尔物理学奖 。
1997年，卡西尼国际空间站利用CCD相机（广角和窄角） 。 美国宇航局局长丹尼尔戈尔丁夸奖CCD相机“更快，更好，更便宜”；声称在未来的航天器上减少质量，功率，本钱，都须要小型化相机。而电子集成绩是小型化的良好路子，而基于MOS的图像传感器便拥有无源像素和有源像素（3T）的配置。
3、CMOS图像传感器
CMOS全称为ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，中文翻译为互补性氧化金属半导体。CMOS的制造技能和一样平常打算机芯片没什么差别，紧张是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N(带–电)和P(带+电)级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读成影像。
CMOS图像传感器使得“芯片相机”成为可能，相机小型化趋势明显 。
▲“芯片相机”上的带有有缘像素转换器的CMOS有效像素传感器
1995年2月，Photobit公司成立，将CMOS图像传感器技能实现商业化 。
1995-2001年间，Photobit 增长到约135人，紧张包括：私营企业自筹资金的定制设计条约、SBIR操持的主要支持（NASA / DoD）、计策业务互助伙伴的投资，这期间共提交了100多项新专利申请。
CMOS图像传感器经商业化后，发展迅猛，运用前景广阔，逐步取代CCD成为新潮流。
2001年11月 ，Photobit被美光科技公司收购并得到容许回归加州理工学院。与此同时，到2001年，已有数十家竞争对手崭露锋芒，例如Toshiba，ST Micro，Omnivision，CMOS图像传感器业务部分归功于早期的努力促进技能成果转化。后来，索尼和三星分别成为了现在环球市场排名第一，第二。后来，Micron剥离了Aptina，Aptina被ON Semi收购，目前排名第4。CMOS传感器逐渐成为拍照领域主流，并广泛运用于多种场合 。
▲CMOS运用领域
▲ CMOS图像传感器发展进程
二、 CMOS图像传感器技能特点CMOS图像传感器（CIS）是仿照电路和数字电路的集成。紧张由四个组件构成：微透镜、 彩色滤光片（CF）、光电二极管（PD）、像素设计。
▲CIS构造
微透镜：具有球形表面和网状透镜；光通过微透镜时，CIS的非活性部分卖力将光网络起来并将其聚焦到彩色滤光片 。
彩色滤光片（CF）：拆分反射光中的红、绿、蓝（RGB）身分，并通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。
光电二极管（PD）：作为光电转换器件，捕捉光并转换成电流；一样平常采取PIN二极管或PN结器件制成 。
像素设计：通过CIS上装置的有源像素传感器(APS)实现。APS常由3至6个晶体管构成，可从大型电容阵列中得到或缓冲像素，并在像素内部将光电流转换成电压，具有较完美的灵敏度水平和的噪声指标 。
感光元件上的每个方块代表一个像素块，上方附着着一层彩色滤光片（CF），CF拆分完反射光中的RGB身分后，通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。经典的Bayer阵列因此2×2共四格分散RGB的办法成像，Quad Bayer阵列扩大到了4×4，并且以2×2的办法将RGB相邻排列。
▲Bayer阵列滤镜与像素
滤镜上每个小方块与感光元件的像素块对应，也便是在每个像素前覆盖了一个特定的颜色滤镜。比如赤色滤镜块，只许可赤色光芒投到感光元件上，那么对应的这个像素块就只反响赤色光芒的信息。随后还须要后期色彩还原去猜色，末了形成一张完全的彩色照片。感光元件→Bayer滤镜→色彩还原，这一整套流程，就叫做Bayer阵列。
▲彩色滤镜块事情事理
早期的CIS采取的是前面照度技能FSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED），拜尔阵列滤镜与光电二极管（PD）间夹杂着金属（铝，铜）区，大量金属连线的存在对进入传感器表面的光芒存在较大的滋扰，阻碍了相称一部分光芒进入到下一层的光电二极管（PD），信噪比较低。技能改进后，在背面照度技能BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的构造下，金属（铝，铜）区转移到光电二极管（PD）的背面，意味着经拜尔阵列滤镜网络的光芒不再浩瀚金属连线阻挡，光芒得以直接进入光电二极管；BSI不仅可大幅度提高信噪比，且可合营更繁芜、更大规模电路来提升传感器读取速率。
▲前面照度技能和背面照度技能
帧率（Frame rate）：以帧为单位的位图图像连续涌如今显示器上的频率，即每秒能显示多少张图片。而想要实现高像素CIS的设计，很主要的一点便是Analog电路设计，像素上去了，没有匹配的高速读出和处理电路，便无办法以高帧率输出出来。
索尼早于2007年chuan’gan发布了首款Exmor传感器。Exmor传感器在每列像素下方布有独立的ADC模数转换器，这意味着在CIS芯片上即可完成模数转换，有效减少了噪声，大大提高了读取速率，也简化了PCB设计。
▲Exmor架构
三、CMOS图像传感器的运用2017年为CMOS图像传感器高增长点，同比增长达到20%。2018年，环球CIS市场规模155亿美元，估量2019年同比增长10%，达到170亿美元。
目前，CIS市场正处于稳定增长期，估量2024年市场逐渐饱和，市场规模达到240亿美元。
▲CIS市场规模
1、车载领域
车载领域的CIS运用包括：后视摄像(RVC)，全方位视图系统(SVS)，摄像机监控系统（CMS），FV/MV，DMS/IMS系统 。
汽车图像传感器环球销量呈逐年增长趋势。 后视摄像(RVC)是销量主力军，呈稳定增长趋势，2016年环球销量为5100万台，2018年为6000万台，2019年估量达到6500万台。 FV/MV环球销量增长迅速，2016年为1000万台，2018年为3000万台，此后，估量FV/MV将依旧保持迅速增长趋势，估量2019年销量可达4000万台，2021可达7500万台，直逼RVC环球销量。
▲汽车图像传感器环球市场
HDR技能方法 。 HDR办理方案，即高动态范围成像，是用来实现比普通数位图像技能更大曝光动态范围。 韶光复用。相同的像素阵列通过利用多个卷帘（交错HDR）来描述多个边框。好处：HDR方案是与传统传感器兼容的最大略的像素技能。缺陷：不同韶光发生的捕获导致产生运动伪影 。
空间复用。单个像素阵列帧被分解为多个，通过不同的方法捕获：1.像素或行级别的独立曝光掌握。优点：单帧中的运动伪影比交错的运动伪影少。缺陷：分辨率丢失，且运动伪影仍旧存在边缘。2.每个像素共用同一微透镜的多个光电二极管。优点：在单个多捕获帧中没有运动伪影；缺陷：从等效像素区域降落灵敏度。
非常大的全井产能。
闪变抑制技能 。 多个集成周期（韶光多路传输）。在每个整合期内对光电二极管充电进行多次进行采样，样品光电二极管比LED源频率更高。
多个光电二极管（空间多路复用）。利用较大的光电二极管捕捉较低的轻松的场景；利用较小的不灵敏光电二极管在全体帧韶光内集成（减轻LED闪烁）。
每个像素由两个光电二极管构成。个中包含一个大的灵敏光电二极管和一个小的不灵敏光电二极管，小型不灵敏光电二极管可在整帧中合并，从而减轻LED闪烁。上风在于有出色的闪变抑制、打算繁芜度低；劣势在于更大更繁芜的像素架构、更繁芜的读数和电路定时、大型光电二极管和小型光电二极管和之间的光谱灵敏度不匹配。
▲闪变抑制技能成像效果
阵列摄像机 。 阵列摄像机是一种新兴的摄像机技能，是指红外灯的内核为LED IR Array的高效龟龄的红外夜视设备，可能是可行的LED检测办理方案。
用于LED检测的低灵敏度摄像头可以实现图像领悟的组合输出，并能够实现单独输出，或同时输出。紧张上风在于亮度高、体积小、寿命长，效率高，光芒匀。
2、手机领域
2000年，夏普首次推出可拍照的手机；随后智好手机时期到来，主摄像头本色不断提升；目前，双摄/多摄已成为主流 。 前置摄像头本色同步提升，目前越来越多厂商加入人脸识别功能。
▲摄像模组构成
随着技能的发展，越来越多的手机开始看重拍照的硬件升级。摄像头和CMOS成为了产品突出差异性的卖点之一。抛开镜头差异，成像质量与CMOS大小成正比，主摄像素提升推动CMOS迭代升级。
随着技能的发展，手机的CMOS也在日益增大，1/1.7英寸级的CMOS如今成为手机摄像头传感器的新选择。而更多手机也用上了1/2.3英寸级的传感器。
手机摄像头过去以像素升级为主；受CMOS尺寸限定，手机摄像开始看重变焦能力 。
变焦有光学变焦与数码变焦两种。光学变焦通过光学事理调度焦距，成像画质无损。数码变焦便是通过软件算法来放大/缩小，通过插值打算，成像有损，有较多噪点。
为了进一步提升手机成像本色，看重变焦能力；而传统专业相机的光学系统无法移植得手机上。手机变焦每每会采取“双摄变焦”，采取两个定焦镜头，利用其物理焦距的不同，实现变焦效果；显然，单摄已经无法知足对光学变焦的需求了。
目前主流的 3D 深度摄像主流有两各类方案：构造光、TOF。iPhone采取前者，华为采取后置。 构造光（Structured Light）：构造光投射特定的光信息到物体表面后，由摄像头采集。根据物体造成的光旗子暗记的变革来打算物体的位置和深度等信息，进而复原全体三维空间。
构造光（Structured Light）：构造光投射特定的光信息到物体表面后，由摄像头采集。根据物体造成的光旗子暗记的变革来打算物体的位置和深度等信息，进而复原全体三维空间。
根据Yole的统计显示，均匀每部智好手机CMOS图像传感器数量在2024年将达到3.4个，年复合增长率达到6.2%。
手机摄像头数量增加，CIS出货量成倍增长。为了提高摄影画质，手机引入了双摄、乃至三摄、四摄。
3、安防领域
闭路电视监控系统发展进程：录像带录像机（VCR）→数字视频录像机（DVR）→网络视频录像机（NVR）。视频监控系统越来越繁芜，性能也不断升级。
▲闭路电视监控系统发展进程
红外线摄像技能 。 红外线摄像技能分为被动和主动两种类型 。 被动型：拍摄工具自身发射红外光被摄像机接管以成像。这类设备昂贵并且对周围环境不能良好反响，以是在夜视系统中基本不采取 。 被动型：拍摄工具自身发射红外光被摄像机接管以成像。这类设备昂贵并且对周围环境不能良好反响，以是在夜视系统中基本不采取 。
主动型红外摄像机包含摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元。它贴切的名称为红外线增强摄像机。感光元件的频谱足够宽时能对红外线到可见光的连续谱产生感应，形成包括红外线在内的光敏感。在普通可见光强下，宽范围感光元件增加了红外频段，在弱光条件下，也能得到清楚的图像。
环球红外摄像机设备市场规模在2017年近30亿美元，个中商用摄像机市场规模20亿美元，军用摄像机市场规模10亿美元。估量2016-2022年商用领域红外摄像机市场规模年均复合增长率为5.6%，军用领域的年均复合增长率为8.8%。2022年市场总规模将近43亿美元 。
▲环球视频监控设备市场规模
环球安防摄像机市场销量在2015年约28万件，个中监视摄像机约8万件，安保系统摄像机约20万个。估量到2021年安防摄像机市场销量约64万件，个中监视摄像机约22万件，年均复合增长率为18%，安保系统摄像机约42万个，年均复合增长率约13%。
▲ 环球安防摄像机销量情形及预测
4、 医疗影像
与其他具有更高产量和更高本钱敏感性的市场比较，图像传感器在医疗影像市场运用有其光鲜的特点：其封装步骤常日由设备制造商掌握；
图像传感器技能正逐渐在行业中创造颠覆性力量，从2014年开始，市场发展迅速，行业竞争加剧：韩国和中国涌现更多新参与者，成为现有大型企业的潜在障碍，行业完备整合的可能性降落。
图像传感器在医疗影像市场具有多元运用处景：X-ray、内窥镜、分子成像、光学相关断层扫描以及超声成像 。
▲ 医疗影像市场运用
医疗成像设备行业是一个巨大的350亿美元的市场，2016-2022年估量复合年增长率达5.5％。
2016年，医疗传感器市场规模3.5亿美元，估量2016-2022年复合增长率8.3％，到2022年将达6亿美元 。
根据运用技能不同，医疗图像传感器可分为CCD，CIS，a-Si FPD（非晶硅薄膜晶体管平面探测器），a-Se FPD（非晶硒薄膜晶体管平板探测器），SiPM（硅光电倍增管）、cMUT（电容微机器超声换能器）和pMUT（压电微机器超声换能器） 。
CMOS传感器凭借其在通过更小的像素尺寸得到更高分辨率、降落噪声水平和暗电流以及低本钱方面的优胜性在医疗影像领域得到越来越广泛的运用，未来市场看涨。
CCD市场保持稳定。医用a-Si FPD因其大略性和大面板内置能力仍运用广泛；SiPM专用于分子成像；cMUT用于超声成像，可供应更高分辨率，更高速率和实时3D成像。
目前，CMOS图像传感器紧张运用于X-Ray以及内窥镜领域。
X-Ray。X射线成像的第一次运用是在医疗领域，由WilhelmRöntgen于1895年完成。 如今，X射线成像技能运用已拓展到工业无损检测（NDT）以及安全领域。但医疗市场仍是X-Ray射线成像的主力运用处景。
2018年X射线探测设备市场代价20亿美元，估量2018-2024年复合年增长率5.9％，2024年达到28亿美元 。
2018年，医疗领域市值达14.8亿美元，占比约74%，估量2017-2024年复合增长率4.5%，2024年市值达19亿美元 。
目前，X射线成像险些完备基于半导体技能。利用非晶硅（aSi）和CMOS的平板探测器霸占了市场的最大份额，其次是硅光电二极管阵列探测器。估量铟镓锌氧化物（IGZO）平板将于20 21年进入市场，直接与aSi和CMOS竞争，但CMOS仍旧是主流运用。
2018年，以CMOS X-Ray成像设备市场收入2.45亿美元，估量2024年将增长到5.1亿美元，年复合增长率13%。
内窥镜。内窥镜检讨不但能以最少的侵害，达成不雅观察人体内部器官的目的，也能切取组织样本以供切片检讨，或取出体内的异物。二十世纪末微创手术的发展进一步促进了内窥镜的运用。
普通电子内窥镜：将微型图像传感器在内窥镜顶部代替光学镜头，通过电缆或光纤传输图像信息。电子内窥镜与光纤内窥镜类似，有角度调节旋钮、充气及冲水孔、钳道孔、吸引孔和活检孔等。
CMOS电子内窥镜：照明光源通过滤色片，变成单色光，单色光通过导光纤维直达电子内窥镜前部，再通过照明镜头照在受检体的器官粘膜。器官粘膜反射光旗子暗记至非球面镜头，形成受检部位的光图像，CMOS图像传感器吸收光图像，将其转换成电旗子暗记，再由旗子暗记线传至视频处理系统，经由去噪、储存和再生，显示在监控屏幕上。CMOS电子内窥镜可得到高清晰度图像，忽略野黑点弊端，易于获罹病变不雅观察区信息 。
▲CMOS电子内窥镜事理图
CIS模块的小型化是其运用于医疗设备的关键，特殊是对付较小的柔性视频内窥镜。如喉镜，支气管镜，枢纽关头镜，膀胱镜，尿道镜和宫腔镜。
▲小直径视频内窥镜发展进程
智东西认为，图像传感器是当今运用最普遍、主要性最高的传感器之一。其紧张采取感光单元阵列和赞助掌握电路获取工具景物的亮度和色彩旗子暗记，并通过繁芜的旗子暗记处理和图像处理技能输出数字化的图像信息。而后起之秀CMOS近些年上风越来越突出，已经霸占了大部分图像传感器市场，CMOS 图像传感器芯片采取了适宜大规模生产的标准流程工艺，批量生产时，单位本钱非常低。手机是 CMOS 传感器的最大运用市场，汽车、安防等新运用领域高速发展。 随着多摄像头手机的遍及以及自动驾驶技能的发展，相信CMOS传感器的高速发展仍不会停滞。
