873 年，科學家約瑟·美(Joseph May)及偉洛比·史密夫(WilloughbySmith)就發現了硒元素結晶體感光后能產生電流，由此，電子影像發展開始，隨著技術演進，圖像傳感器性能逐步提升。

本期的智能內參，我們推薦西南證券的研究報告《攝像頭芯片，CMOS圖像傳感器行業報告》，從圖像傳感器的發展歷史開始，詳解CMOS技術特點和行業發展現狀。如果想收藏本文的報告（CMOS圖像傳感器），可以在芯潮頭條號回復關鍵詞“nc402”獲取。

一、 圖像傳感器的歷史沿革

20 世紀50 年代——光學倍增管(Photo Multiplier Tube，簡稱PMT)出現。

1965年-1970年，IBM、Fairchild等企業開發光電以及雙極二極管陣列。

1970年，CCD圖像傳感器在Bell實驗室發明，依靠其高量子效率、高靈敏度、低暗電流、高一致性、低噪音等性能，成為圖像傳感器市場的主導。

90年代末，步入CMOS時代。

▲圖像傳感器的歷史沿革

1、光電倍增管

光電倍增管（簡稱PMT），真空光電管的一種。工作原理是：由光電效應引起 ，在PMT入射窗處撞擊光電陰極的光子產生電子，然后由高壓場加速，并在二次加工過程中在倍增電極鏈中倍增發射。

光電倍增管是一種極其靈敏的光檢測器，可探測電磁波譜紫外，可見和近紅外范圍內光源，提供與光強度成比例的電流輸出，廣泛應用于驗血，醫學成像，電影膠片掃描（電視電影），雷達干擾和高端圖像掃描儀鼓掃描儀中。

▲光電倍增管

2、CCD

CCD全稱為Charge Coupled Device，中文翻譯為”電荷藕合器件”。它使用一種高感光度的半導體材料制成，能把光線轉變成電荷。因而具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優點。CCD是電子設備， CCD在硅芯片（IC）中進行光信號與電信號之間的轉換，從而實現數字化，并存儲為計算機上的圖像文件。

數字成像始于1969年，由Willard Boyle和George E. Smith于AT＆T貝爾實驗室發明 。 最初致力于內存→“充電’氣泡’設備”，可以被用作移位寄存器和區域成像設備 。

2009年， Willard Boyle和George E. Smith獲得諾貝爾物理學獎 。

1997年，卡西尼國際空間站使用CCD相機（廣角和窄角） 。 美國宇航局局長丹尼爾戈爾丁稱贊CCD相機“更快，更好，更便宜”；聲稱在未來的航天器上減少質量，功率，成本，都需要小型化相機。而電子集成便是小型化的良好途徑，而基于MOS的圖像傳感器便擁有無源像素和有源像素（3T）的配置。

3、CMOS圖像傳感器

CMOS全稱為ComplementaryMetal-OxideSemiconductor，中文翻譯為互補性氧化金屬半導體。CMOS的制造技術和一般計算機芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導體，使其在CMOS上共存著帶N(帶–電)和P(帶+電)級的半導體，這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片紀錄和解讀成影像。

CMOS圖像傳感器使得“芯片相機”成為可能，相機小型化趨勢明顯 。

▲“芯片相機”上的帶有有緣像素轉換器的CMOS有效像素傳感器

1995年2月，Photobit公司成立，將CMOS圖像傳感器技術實現商業化 。

1995-2001年間，Photobit 增長到約135人，主要包括：私營企業自籌資金的定制設計合同、SBIR計劃的重要支持（NASA / DoD）、戰略業務合作伙伴的投資，這期間共提交了100多項新專利申請。

CMOS圖像傳感器經商業化后，發展迅猛，應用前景廣闊，逐步取代CCD成為新潮流。

2001年11月 ，Photobit被美光科技公司收購并獲得許可回歸加州理工學院。與此同時，到2001年，已有數十家競爭對手嶄露頭角，例如Toshiba，ST Micro，Omnivision，CMOS圖像傳感器業務部分歸功于早期的努力促進技術成果轉化。后來，索尼和三星分別成為了現在全球市場排名第一，第二。后來，Micron剝離了Aptina，Aptina被ON Semi收購，目前排名第4。CMOS傳感器逐漸成為攝影領域主流，并廣泛應用于多種場合 。

▲CMOS應用領域

▲ CMOS圖像傳感器發展歷程

二、 CMOS圖像傳感器技術特點

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

▲CIS結構

微透鏡：具有球形表面和網狀透鏡；光通過微透鏡時，CIS的非活性部分負責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（RGB）成分，并通過感光元件形成拜爾陣列濾鏡。

光電二極管（PD）：作為光電轉換器件，捕捉光并轉換成電流；一般采用PIN二極管或PN結器件制成 。

像素設計：通過CIS上裝配的有源像素傳感器(APS)實現。APS常由3至6個晶體管構成，可從大型電容陣列中獲得或緩沖像素，并在像素內部將光電流轉換成電壓，具有較完美的靈敏度水平和的噪聲指標 。

感光元件上的每個方塊代表一個像素塊，上方附著著一層彩色濾光片（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。經典的Bayer陣列是以2×2共四格分散RGB的方式成像，Quad Bayer陣列擴大到了4×4，并且以2×2的方式將RGB相鄰排列。

▲Bayer陣列濾鏡與像素

濾鏡上每個小方塊與感光元件的像素塊對應，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。

▲彩色濾鏡塊工作原理

早期的CIS采用的是前面照度技術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，大量金屬連線的存在對進入傳感器表面的光線存在較大的干擾，阻礙了相當一部分光線進入到下一層的光電二極管（PD），信噪比較低。技術改進后，在背面照度技術BSI（FRONT-SIDE ILLUMINATED）的結構下，金屬（鋁，銅）區轉移到光電二極管（PD）的背面，意味著經拜爾陣列濾鏡收集的光線不再眾多金屬連線阻擋，光線得以直接進入光電二極管；BSI不僅可大幅度提高信噪比，且可配合更復雜、更大規模電路來提升傳感器讀取速度。

▲前面照度技術和背面照度技術

幀率（Frame rate）：以幀為單位的位圖圖像連續出現在顯示器上的頻率，即每秒能顯示多少張圖片。而想要實現高像素CIS的設計，很重要的一點就是Analog電路設計，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發布了首款Exmor傳感器。Exmor傳感器在每列像素下方布有獨立的ADC模數轉換器，這意味著在CIS芯片上即可完成模數轉換，有效減少了噪聲，大大提高了讀取速度，也簡化了PCB設計。

▲Exmor架構

三、CMOS圖像傳感器的應用

2017年為CMOS圖像傳感器高增長點，同比增長達到20%。2018年，全球CIS市場規模155億美元，預計2019年同比增長10%，達到170億美元。

目前，CIS市場正處于穩定增長期，預計2024年市場逐漸飽和，市場規模達到240億美元。

▲CIS市場規模

1、車載領域

車載領域的CIS應用包括：后視攝像(RVC)，全方位視圖系統(SVS)，攝像機監控系統（CMS），FV/MV，DMS/IMS系統 。

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，呈穩定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺，2018年為6000萬臺，2019年預計達到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，預計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，預計2019年銷量可達4000萬臺，2021可達7500萬臺，直逼RVC全球銷量。

▲汽車圖像傳感器全球市場

HDR技術方法 。 HDR解決方案，即高動態范圍成像，是用來實現比普通數位圖像技術更大曝光動態范圍。 時間復用。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方案是與傳統傳感器兼容的最簡單的像素技術。缺點：不同時間發生的捕獲導致產生運動偽影 。

空間復用。單個像素陣列幀被分解為多個，通過不同的方法捕獲：1.像素或行級別的獨立曝光控制。優點：單幀中的運動偽影比交錯的運動偽影少。缺點：分辨率損失，且運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。優點：在單個多捕獲幀中沒有運動偽影；缺點：從等效像素區域降低靈敏度。

非常大的全井產能。

閃變抑制技術 。 多個集成周期（時間多路傳輸）。在每個整合期內對光電二極管充電進行多次進行采樣，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間內集成（減輕LED閃爍）。

每個像素由兩個光電二極管構成。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。優勢在于有出色的閃變抑制、計算復雜度低；劣勢在于更大更復雜的像素架構、更復雜的讀數和電路定時、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。

▲閃變抑制技術成像效果

陣列攝像機 。 陣列攝像機是一種新興的攝像機技術，是指紅外燈的內核為LED IR Array的高效長壽的紅外夜視設備，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現圖像融合的組合輸出，并能夠實現單獨輸出，或同時輸出。主要優勢在于亮度高、體積小、壽命長，效率高，光線勻。

2、手機領域

2000年，夏普首次推出可拍照的手機；隨后智能手機時代到來，主攝像頭素質不斷提升；目前，雙攝/多攝已成為主流 。 前置攝像頭素質同步提升，目前越來越多廠商加入人臉識別功能。

▲攝像模組構成

隨著技術的發展，越來越多的手機開始注重拍照的硬件升級。攝像頭和CMOS成為了產品突出差異性的賣點之一。拋開鏡頭差異，成像質量與CMOS大小成正比，主攝像素提升推動CMOS迭代升級。

隨著技術的發展，手機的CMOS也在日益增大，1/1.7英寸級的CMOS如今成為手機攝像頭傳感器的新選擇。而更多手機也用上了1/2.3英寸級的傳感器。

手機攝像頭過去以像素升級為主；受CMOS尺寸限制，手機攝像開始注重變焦能力 。

變焦有光學變焦與數碼變焦兩種。光學變焦通過光學原理調整焦距，成像畫質無損。數碼變焦就是通過軟件算法來放大/縮小，通過插值計算，成像有損，有較多噪點。

為了進一步提升手機成像素質，注重變焦能力；而傳統專業相機的光學系統無法移植到手機上。手機變焦往往會采用“雙攝變焦”，采用兩個定焦鏡頭，利用其物理焦距的不同，實現變焦效果；顯然，單攝已經無法滿足對光學變焦的需求了。

目前主流的 3D 深度攝像主流有兩種種方案：結構光、TOF。iPhone采用前者，華為采用后置。 結構光（Structured Light）：結構光投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集。根據物體造成的光信號的變化來計算物體的位置和深度等信息，進而復原整個三維空間。

結構光（Structured Light）：結構光投射特定的光信息到物體表面后，由攝像頭采集。根據物體造成的光信號的變化來計算物體的位置和深度等信息，進而復原整個三維空間。

根據Yole的統計顯示，平均每部智能手機CMOS圖像傳感器數量在2024年將達到3.4個，年復合增長率達到6.2%。

手機攝像頭數量增加，CIS出貨量成倍增長。為了提高照相畫質，手機引入了雙攝、甚至三攝、四攝。

3、安防領域

閉路電視監控系統發展歷程：錄像帶錄像機（VCR）→數字視頻錄像機（DVR）→網絡視頻錄像機（NVR）。視頻監控系統越來越復雜，性能也不斷升級。

▲閉路電視監控系統發展歷程

紅外線攝像技術 。 紅外線攝像技術分為被動和主動兩種類型 。 被動型：拍攝對象自身發射紅外光被攝像機接受以成像。這類設備昂貴并且對周圍環境不能良好反映，所以在夜視系統中基本不采用 。 被動型：拍攝對象自身發射紅外光被攝像機接受以成像。這類設備昂貴并且對周圍環境不能良好反映，所以在夜視系統中基本不采用 。

主動型紅外攝像機包含攝像機、防護罩、紅外燈、供電散熱單元。它貼切的名稱為紅外線增強攝像機。感光元件的頻譜足夠寬時能對紅外線到可見光的連續譜產生感應，形成包括紅外線在內的光敏感。在普通可見光強下，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。

全球紅外攝像機設備市場規模在2017年近30億美元，其中商用攝像機市場規模20億美元，軍用攝像機市場規模10億美元。預計2016-2022年商用領域紅外攝像機市場規模年均復合增長率為5.6%，軍用領域的年均復合增長率為8.8%。2022年市場總規模將近43億美元 。

▲全球視頻監控設備市場規模

全球安防攝像機市場銷量在2015年約28萬件，其中監視攝像機約8萬件，安保系統攝像機約20萬個。預計到2021年安防攝像機市場銷量約64萬件，其中監視攝像機約22萬件，年均復合增長率為18%，安保系統攝像機約42萬個，年均復合增長率約13%。

▲ 全球安防攝像機銷量情況及預測

4、 醫療影像

與其他具有更高產量和更高成本敏感性的市場相比，圖像傳感器在醫療影像市場應用有其鮮明的特點：其封裝步驟通常由設備制造商控制；

圖像傳感器技術正逐漸在行業中創造顛覆性力量，從2014年開始，市場發展迅速，行業競爭加劇：韓國和中國出現更多新參與者，成為現有大型企業的潛在障礙，行業完全整合的可能性降低。

圖像傳感器在醫療影像市場具有多元應用場景：X-ray、內窺鏡、分子成像、光學相干斷層掃描以及超聲成像 。

▲ 醫療影像市場應用

醫療成像設備行業是一個巨大的350億美元的市場，2016-2022年預計復合年增長率達5.5％。

2016年，醫療傳感器市場規模3.5億美元，預計2016-2022年復合增長率8.3％，到2022年將達6億美元 。

根據應用技術不同，醫療圖像傳感器可分為CCD，CIS，a-Si FPD（非晶硅薄膜晶體管平面探測器），a-Se FPD（非晶硒薄膜晶體管平板探測器），SiPM（硅光電倍增管）、cMUT（電容微機械超聲換能器）和pMUT（壓電微機械超聲換能器） 。

CMOS傳感器憑借其在通過更小的像素尺寸獲得更高分辨率、降低噪聲水平和暗電流以及低成本方面的優越性在醫療影像領域得到越來越廣泛的應用，未來市場看漲。

CCD市場保持穩定。醫用a-Si FPD因其簡單性和大面板內置能力仍應用廣泛；SiPM專用于分子成像；cMUT用于超聲成像，可提供更高分辨率，更高速度和實時3D成像。

目前，CMOS圖像傳感器主要應用于X-Ray以及內窺鏡領域。

X-Ray。X射線成像的第一次應用是在醫療領域，由WilhelmR?ntgen于1895年完成。 如今，X射線成像技術應用已拓展到工業無損檢測（NDT）以及安全領域。但醫療市場仍是X-Ray射線成像的主力應用場景。

2018年X射線探測設備市場價值20億美元，預計2018-2024年復合年增長率5.9％，2024年達到28億美元 。

2018年，醫療領域市值達14.8億美元，占比約74%，預計2017-2024年復合增長率4.5%，2024年市值達19億美元 。

目前，X射線成像幾乎完全基于半導體技術。使用非晶硅（aSi）和CMOS的平板探測器占據了市場的最大份額，其次是硅光電二極管陣列探測器。預計銦鎵鋅氧化物（IGZO）平板將于20?? 21年進入市場，直接與aSi和CMOS競爭，但CMOS仍然是主流應用。

2018年，以CMOS X-Ray成像設備市場收入2.45億美元，預計2024年將增長到5.1億美元，年復合增長率13%。

內窺鏡。內窺鏡檢查不但能以最少的傷害，達成觀察人體內部器官的目的，也能切取組織樣本以供切片檢查，或取出體內的異物。二十世紀末微創手術的發展進一步促進了內窺鏡的應用。

普通電子內窺鏡：將微型圖像傳感器在內窺鏡頂部代替光學鏡頭，通過電纜或光纖傳輸圖像信息。電子內窺鏡與光纖內窺鏡類似，有角度調節旋鈕、充氣及沖水孔、鉗道孔、吸引孔和活檢孔等。

CMOS電子內窺鏡：照明光源通過濾色片，變成單色光，單色光通過導光纖維直達電子內窺鏡前部，再通過照明鏡頭照在受檢體的器官粘膜。器官粘膜反射光信號至非球面鏡頭，形成受檢部位的光圖像，CMOS圖像傳感器接收光圖像，將其轉換成電信號，再由信號線傳至視頻處理系統，經過去噪、儲存和再生，顯示在監控屏幕上。CMOS電子內窺鏡可得到高清晰度圖像，無視野黑點弊端，易于獲得病變觀察區信息 。

▲CMOS電子內窺鏡原理圖

CIS模塊的小型化是其應用于醫療設備的關鍵，特別是對于較小的柔性視頻內窺鏡。如喉鏡，支氣管鏡，關節鏡，膀胱鏡，尿道鏡和宮腔鏡。

▲小直徑視頻內窺鏡發展歷程

智東西認為，圖像傳感器是當今應用最普遍、重要性最高的傳感器之一。其主要采用感光單元陣列和輔助控制電路獲取對象景物的亮度和色彩信號，并通過復雜的信號處理和圖像處理技術輸出數字化的圖像信息。而后起之秀CMOS近些年優勢越來越突出，已經占據了大部分圖像傳感器市場，CMOS 圖像傳感器芯片采用了適合大規模生產的標準流程工藝，批量生產時，單位成本非常低。手機是 CMOS 傳感器的最大應用市場，汽車、安防等新應用領域高速成長。 隨著多攝像頭手機的普及以及自動駕駛技術的發展，相信CMOS傳感器的高速發展仍不會停止。