图像传感技术演进，是否会影响CIS市场格局？

随着移动时代的逐步演进，我们也在手机上看到了越来越多的摄像头，摄像头里最关键的组件当属CMOS图像传感器（CIS）。
 
CMOS图像传感器可谓渊源已久，其工作原理的提出可以追溯至1960年代，但直至1990年代微加工技术的成熟，这项技术才开始逐步发展起来。虽然与CCD图像传感器一样使用光电二极管，但制造过程和信号读取的方式不同。CMOS图像传感器中，光线穿过微透镜，经过颜色滤波器再透过光电二极管生成电信号输出，其数据效率比CCD更快，而且成本也更低。早期占据主导的CCD，也逐渐被改进的CMOS夺去地位。

由图中我们可以看出，索尼、三星和豪威是三大头部厂商，占据了近80%的市场份额。而安森美、海力士和意法半导体等仅占据了一小部分。不难发现，CIS是一个高度集中的市场，不过，这并没有影响各大厂商对CIS的布局扩张。

 
为了抢占市场，各个CIS厂商又推出了哪些工艺和技术方向的创新呢？我们不妨一起来看看大厂的CIS布局方案。
 
索尼
 
索尼作为CIS的领军厂商，在去年年底发布了CMOS的2x2 On-Chip Lens解决方案。该方案可以实现高速对焦，高分辨率，高感度和高动态范围的图像传感器。

传统OCL和2x2 OCL对比 / 索尼

 
如图正是传统OCL和2x2 OCL的区别所在，新的设计能够实现全像素相位差检测，同时增强了相位差检测性能（对焦性能）。传统OCL并不能将所有像素用作相位差检测，也就造成了只能局部对焦的窘境，而2x2 OCL的全像素相位差检测可以对小物体时间高精度对焦。再者就是对焦性能的增强，比如低光环境下的聚焦等，而且传统OCL只能将像素分割为左右检测，所以水平方向纹理无变化的物体很难实现对焦，但2x2 OCL解决了这个问题，能够适应各种场景。

 
索尼还在今年的CES上推出了纯电概念车VISION-S，车上装配了33个传感器，包括了普通CMOS传感器和TOF传感器。这些传感器在智能手机相机上已经很常见了，但这是第一次索尼如此大张旗鼓的展示自己在汽车上的方案实现。索尼同样投资了基于CMOS支持的边缘AI检测技术，将与激光雷达等传感器共同组建汽车的自动驾驶系统。但除了2018年底公布的IMX490外，索尼仍未公布下一代的汽车级CMOS型号。
 
三星
 
三星虽然是占有率第二的CIS厂商，但近年来却有直超索尼的趋势。三星不仅率先发布了首个0.7μm像素的CIS，同样先发制人推出了64MP和108MP的高分辨率传感器。而今年最亮眼的CIS当属用于Galaxy S20 Ultra主摄的S5KHM1了，这款传感器拥有1.08亿像素的分辨率，做到了0.8μm的像素大小。但其实最令人期待的是这款传感器背后Nonacell技术的应用。

ISOCELL九像素合成技术 / 三星

 
几大CIS厂商其实都有采用四合一的像素合成技术，索尼采用的是Quad Bayer，三星称其为Tetracell，而豪威称其为4-CELL。而Nonacell采用了九合一的像素合成技术，生成2.4μm的有效像素，是Tetracell光线吸收能力的两倍以上。虽然更高的像素合成往往会导致干扰色的产生，但Nonacell通过ISOCELL Plus技术，极大降低了串扰，光损耗和光反射。运用Nonacell技术，拍照可以在保持高质量1200万像素的情况下实现3倍变焦。
 
豪威

PureCel®Plus技术 / 豪威

 
豪威在今年发布了OV48C和OV64C这两颗分别为4800万像素和6400万像素的CIS，该CIS采用了豪威PureCel®Plus-S技术，加入了BCFA的滤色阵列和像素隔离（DTI）技术。其中，BCFA可以大幅提高在不同入射角下的光线采集精度。DTI技术则可以在像素间创造隔离墙以实现更好的主光线角度的精度，从而减少串扰。作为第二代PureCel®技术，该传感器也在低光环境下提高了像素隔离的表现。
 
除了这三家头部CIS厂商外，余下的CIS厂商也不甘落后，随着像素尺寸都在慢慢逼近0.7像素微米大小的极限，大家都在积极扩展CIS事业。
 
安森美
 
安森美的CIS主要用于汽车领域，去年，安森美为斯巴鲁等汽车公司交付了1亿个图像传感器，用在基于摄像头的高级辅助驾驶系统上。这款CMOS图像传感器为AR0132AT，拥有1.2MP的分辨率，不仅做到了高动态范围，低光敏度和可编程曝光模式，同样达到了斯巴鲁EyeSight驾驶辅助系统的安全性要求。

Hayabusa超曝光技术 / 安森美

 
在去年的AutoSens展会上，安森美推出了针对汽车摄像机视觉系统的Hayabusa CMOS传感器。该CIS采用了超曝光技术，实现了LED闪烁抑制（LFM）和高动态范围成像（HDR）。在汽车使用场景中，前照灯，尾灯等都会用到LED脉冲节省能源，但这种光线场景中，需要使用短曝光时间才能避免明亮部分过度饱和。但这样做又会捕捉到光源熄灭的画面，这种闪烁对驾驶员和辅助驾驶系统的判断都会造成影响。超曝光技术可以提高5倍以上的像素容量，从而扩展了高亮度下的动态范围，于是可以用更长的曝光时间来捕捉光源，而不会产生过度饱和。

SK海力士

Black Pearl CMOS传感器 / SK海力士

 
作为市场份额第五的CIS厂商，SK海力士也不甘人后，甚至可能成为上面三家的危险对手。SK海力士已经将利川市的一部分DRM工厂转换为全新Black Pearl CMOS图像传感器的生产中心，并向手机制造商提供了4款新传感器，打算与索尼的Exmor和三星的ISOCELL正面抗衡。根据SK海力士的市场评估，从2017年到2020年，智能手机上的摄像头平均数将从2.2个增加至3.9个。
 
而SK海力士打算在第一季度推出1.0μm的Black Pearl CIS，同样采用了和以上三家相近的Quad Bayer和Remosaic算法。其中HI-1634（16MP）和HI-2021（20MP）用于手机后置的超广角镜头，而HI-847（8MP）和HI-1337（13MP）则用于长焦镜头，前者可以实现3倍光学变焦，后者则可以实现2倍光学变焦。SK海力士还打算在今年下半年推出0.8μm 48MP的高端竞品。
 
目前主流厂商的CMOS方案都在逼近0.7μm的像素极限，CIS制程提升，暂时落后的CIS厂商将来也有逆转格局的可能。
 
在智能手机领域，索尼和三星是其中领军的龙头厂商，而豪威和海力士等也在迎头赶上。不论是滤色阵列的改进，还是像素尺寸的缩小，随着人们对智能手机成像质量要求的提高，CIS的智能手机市场将迎来一波新的竞争。
 
但要论车规CIS市场，安森美的份额仍占优势，虽然索尼和三星也在布局汽车领域，相继推出了几款用于自动驾驶的CMOS传感器。不过自动驾驶未来逐渐普及，或许会迫使他们在这方面加大研发力度。
 
除此之外，视觉物联网、安防、工控、AR等领域上的CMOS传感器也在持续发展，未来的CIS市场势必会更加精彩。
 
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