CMOS 图像传感器主导多种应用,提供巨大市场机遇

2011-10-20 11:47:17来源: 互联网

    在过去十年里,CMOS图像传感器技术经过连续改进和不断提高,已经使其从主要服务于低端市场转移到一些要求最苛刻的高性能应用。伴随着这种趋势,CMOS图像传感器已经开始主导图像传感器市场,并为原始设备制造商(OEM)实现差异化提供了很多机会。


    市场分析公司TSR估算,在2010年5月,CMOS图像传感器已经在高端数字单反(DSLR)和无反光镜数码相机领域占据90%以上的市场份额。同样,视频共享网站YouTube在2011年发布的数据表明,通过基于CMOS图像传感器的移动设备占据了绝大多数的视频上传,尤其是高清(HD)视频。如果从整个行业中各个细分市场的出货量总数方面考虑,CMOS无疑已经是成像的技术赢家。


   相对于传统的电荷耦合器件(CCD)图像传感器,CMOS图像传感器有如下几个明显的优势,包括可制造性、低功耗、易于集成、低成本,以及最近出现的高品质图像质量。总而言之,这些内在优势已促使OEM开发更具有竞争力、能更好地服务最终用户的成像系统。


   本文将讨论CMOS图像传感器技术的发展趋势和在四个市场领域的创新,包括移动电话、汽车、监控以及数码相机(DSC)。在每一个市场领域,这些CMOS技术进步已达到或超过了该领域的市场要求,CMOS的优势已使OEM能够改进成型的相机产品。

   CMOS图像传感器驱动移动设备市场增长和产品差异化
在移动领域,CMOS图像传感器已经从低端手机市场走向完全的市场支配地位。CMOS图像传感器现在已经是所有具备相机功能的移动设备的当然之选,例如,智能手机和平板电脑。这些移动设备正变得无处不在,也代表了移动设备市场最重要的增长领域。


   今年3月,全球首要的市场分析公司IDC预计,全球智能手机市场出货量在2011年增长约49.2%,达到约4.52亿部。IDC还预测,全球智能手机市场出货量将在2015年达到9.257亿部。与上述分析类似,Infinite Research的研究报告显示,在2011年1月,平板电脑的销售量将以56%或更高的复合年增长率增长,根据目前的估计,出货量将从去年的约1610万部增长到2015年的1.47亿部以上。


既然市场有如此大的增长潜力,人们可能会认为OEM一定有很多机会来差异化他们的产品,从而提高他们的利润。但有趣的是,事实可能并非如此。移动设备领域两个发展趋势可能使该市场出现更大程度的同质化。


首先,许多新开发的智能手机和平板电脑将使用谷歌的Android操作系统。优秀的Android操作系统在大多数情况下都是免费的,这去掉了与开发智能手机和平板电脑相关的很大一部分负担。因此,那些以前由于软件开发障碍而被拒之门外的OEM将能够和世界上几乎所有的其他移动设备制造商在市场上同台竞争。总体上说,虽然这对于新兴市场和相对较小的OEM有好处,使他们更具竞争力,但也意味着消费者开始认为来自一个厂家基于Android的平板电脑或智能手机与来自其他厂家的产品没有多大区别。


其次,正像Arete Research分析师Richard Kramer预测,低成本的智能手机将具有更高的增长速度。这些物料成本约为150美元或更少的手机可能会进一步加剧移动产品的同质化。


那些希望获得在市场上获得竞争优势,并希望使自己产品区分于竞争对手的手机OEM要实现这样的目标,不能从操作系统或者成本的角度来达到。OEM应力求为消费者提供差异化的特性和功能,如高性能500万像素到800万像素的摄像头,或者能够以相对较高的帧率捕获高清视频的能力。


对于移动设备OEM来说,已经成为移动设备首选并且是最佳选择的CMOS图像传感器可能是获得更高利润和赢利的关键。


有明显的例证表明,智能手机的相机对于消费者非常重要,相机性能对消费者最终从哪个商家购买产品可能有很强的影响力。例如,在2010年7月,Pew Research的一份研究报告显示,76%的受访成年人使用手机的相机。相比之下,72%的受访者发送短信,38%的受访者用手机访问互联网。同一项调查发现,34%的人使用他们的手机录制视频。最近,2011年3月的一个GSMArena Camera Phone(照相手机)使用报告显示,98%的受访手机用户都以一定的频率使用他们的照相手机。


在这个细分市场,照相机及其所引发的各种应用,如视频通话或实景增强(augmented reality)等等,可能会成为区分于其他不具特色Android手机的一个关键不同点和对照。


在500万像素到800万像素范围内CMOS图像传感器技术的进步,将更有助于这种差异化。从图1的例子可以看出,Aptina公司采用A-PIX技术,以提高量子效率,并降低在CMOS图像传感器上产生的串扰。这种像素技术采用如导光体、深光电二极管和65nm工艺等先进技术,来改善像素性能以及整体图像质量。通过使用经过验证的半导体制造工艺技术,具备A- Pix技术的CMOS图像传感器能够提供在性能和成本等方面的优势,使它们成为智能手机和平板电脑应用的绝佳选择。

图1 在30lux条件下,用Aptina公司A-Pix技术800万像素,1.4μm像素图像传感器拍摄的图片

CMOS图像传感器驱动先进的汽车应用方案
随着汽车成像系统变得更加复杂、要求更苛刻,CMOS图像传感器也在不断发展和改善,从而有效地满足新时代汽车智能解决方案的要求。 CMOS技术的改进得益于在过去十年中产业在新技术方面数十亿美元的研发投资。由此带来的技术进步可使汽车OEM厂商差异化他们的产品,并提供先进的和所需要的功能。更重要的是,这些技术进步也帮助汽车系统OEM制造出操作简单、且更安全的汽车,满足消费者和政府机构的需求。一个典型的例子是美国政府提出的新要求,该要求将导致强制安装后视系统,也就是通常所说的备份(backup)摄像系统。


显然,CMOS图像传感器是这种汽车子系统的重要组成部分,一个备份相机等看似简单的应用,却对工作温度范围、传感器的动态范围、光谱范围、甚至功耗等都有相当严格的要求。至少在某些情况下,CMOS图像传感器是唯一能满足所有规格要求的成像解决方案,而通过 CCD根本无法实现。


其他重要的先进驾驶员辅助解决方案(ADAS)包括:结合使用CMOS成像器、测距技术和其他车载传感器的车道偏离警告系统,可以帮助司机行驶在自己的车道内;结合CMOS图像传感器、超声波传感器和线驱(drive-by-wire)功能实现的驻车距离控制系统甚至自动平行停车系统;依靠CMOS图像传感器实现的标志识别系统,可用来帮助司机避免事故的发生;自适应巡航控制(adaptive cruise control)系统,可以通过使用CMOS传感器和测距仪来防止在高速公路上发生意外事故。上述提到的例子只是数十个已经生产或者正在开发的汽车成像应用中的一些而已。


这些各式各样的汽车安全性和方便驾驶系统可分为场景观察和场景处理应用。


场景观察应用是把视觉信息传达给司机。上述提到的备份摄像系统是一个典型的例证。在这些应用中,对图像传感器的关键要求包括高工作温度、卓越的低光照性能、宽动态范围(WDR)和低功耗等等。当然,在达到这些性能的同时,也必须同时符合汽车质量标准,并在高批量下实现更低的单位成本。


举例来说,Aptina公司的MT9V128和MT9V129是专为汽车场景观察应用而设计的VGA系统级芯片(SOC)解决方案。同样,Aptina公司为下一代场景观察摄像头提供先进的百万像素级(MT9M024)解决方案。
场景处理汽车应用往往需要CMOS图像传感器提供信息,结合其他系统的输入信息,来做出警告驾驶员、甚至调整汽车的路径或速度等具体决定。车道偏离预警系统是场景处理系统的一个很好例证。


对于场景观察和场景处理应用,CMOS图像传感器技术由于其在大多数环境下都拥有优越性能,正在取代CCD传感器,而成为高批量成像解决方案的理想选择。IMS预测,汽车应用的CMOS图像传感器出货量将从2009年的约900万件,增长到2017年的约5000万件。考虑到汽车产品的长生命周期,CMOS图像传感器在汽车市场将注定有一个史无前例的高速增长,这对于汽车OEM是好消息,可使产品在性能和成本等方面进一步改善。


IP相机监控系统需要CMOS成像器
监控行业正在经历一个重要的转型期,主要是从基于CCD的闭路电视(CCTV)模拟系统转向更为先进的数字互联网协议(IP)监控解决方案。


在监控市场,趋势也类似于本文讨论的其他领域,CMOS图像传感器的卓越技术正在提供许多新特性和新功能,这些特性和功能也给监控系统的OEM提供了关键的差异点(differentiators)。


用CMOS图像传感器实现的IP监控系统更为经济,也更容易安装。例如,一些具有市场前瞻性的监视系统OEM正在启动一个全新、批量潜力巨大、客户自己完成(DIY)的监控细分市场,家庭和小型办公室DIY监控系统的费用可能低至100美元,并可能触发比CCD闭路电视系统曾经期望的更大的监控市场。


与闭路电视系统相比,IP摄像系统具有多种优势。它无须考虑几十年前建立的National Television System Committee (NTSC)和Phase Alternating Line (PAL)分辨率标准等障碍限制。 IP摄像系统也是增加百万像素图像传感器应用的一个机遇。此外,许多当今的IP摄像头系统都采用宽动态技术,使相机可放在几乎任何地方,因为它解决了在非常灰暗和非常明亮的环境中都可以捕获清晰图像的挑战。而不具备宽动态技术的IP摄像系统则有图像曝光不足或曝光过度的风险,这些都是图像监控市场不可接受的。


许多IP摄像头解决方案还可提供嵌入式的视频处理,分析实时视频流,以便及时发现或跟踪人或事件。此前,这种功能需要一些服务器和相当大的处理能力。数字信号处理器DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)技术,以及较轻的启发式视频处理算法(lighter heuristic-based video processing algorithms)的改进,使得人们有可能在实际相机上进行大部分图像分析。这种分析可能包括背景建模(background modeling)、前景提取(foreground extraction)、二进制大对象(BLOB)监测、甚至光流分析等等。所有这些不同的组件和功能可集成到摄像系统,而无须增加很多成本。


IP摄像系统中使用的图像传感器必须提供相对较高的分辨率,或者720P或者1080P,同时也需要达到比较快的帧率,譬如每秒60帧(fps)。虽然标准的视频帧率只有每秒30帧,但每秒60帧的速率为相机制造商提供了高灵活性,以适应快门在场景中捕获快速移动物体需要的宽度。此外,如博彩等娱乐场所要求高帧率视频监控,以便捕获违法定罪所需的证据。


在所有照明条件下高品质地捕获每秒60帧高清视频很具有挑战性。百万像素的传感器虽然可以提供宽动态范围或者卓越的低光照敏感度,但通常不能同时达到上述两个目标。幸运的是,这种情况正在改变。用Aptina公司DR-PIX技术和多重曝光宽动态范围成像技术设计实现的高清百万像素传感器可以同时实现上述两个指标。


Aptina的DR-Pix技术允许可编程转换增益调整,使全域所有像素与场景整体亮度水平相匹配。这项技术,再配合以真正的相关双采样(correlated double sampling),使高清成像器达到低于2E–RMS的读出噪声和超过60%的量子效率(QE)。

CMOS图像传感器在数码相机(DSC)市场蚕食CCD份额
与其他应用领域一样,在数码相机市场,CMOS图像传感器也在从低端产品向高端产品迁移。同时,OEM发现,CMOS成像器提供的胜过CCD的技术优势,往往会转变成为市场中的竞争优势。具体说来,当代CMOS传感器产生的图像质量已经达到甚至超过CCD,而在DSC市场,图像质量是一个关键的产品区分因素。


这里举一个例子,Aptina公司的1400万像素,1.4μm,1/2.3英寸MT9F002传感器集成到一个领先品牌的数码相机,另一个领先品牌的数码相机则配备一个1400万像素,1/2.3英寸CCD器件,它们具有相同的阵列和像素大小。通过分析关键的性能标准,无论在低还是在高ISO条件下,1400万像素CMOS传感器明显优于对应的CCD器件。


图2和图3显示在ISO 100条件下两个传感器之间的性能比较。在该最小ISO(最小增益)条件下,CMOS传感器的图像亮度信号噪声比(SNR)显示有1.5dB增加,产生更低噪声。

图2  ISO 100下,Aptina公司的1400万像素CMOS图像传感器(MT9F002)与对应CCD方案的图像比较

图3 ISO 100下图片细节放大后的比较


图4和图5表明,在ISO范围的另外一个极端(ISO 1600),CMOS图像传感器也优于CCD器件。


从图4可以看出,在高ISO条件下,CMOS传感器亮度信噪比有超过2dB的增加(大于 30%)。通过放大图像的不同区域(见图5),CMOS图像传感器不仅与CCD器件旗鼓相当,而且在一些条件下得到的图片质量更高。

图4 ISO 1600下,Aptina公司的1400万像素传感器(MT9F002)与对应CCD方案的图像比较

图5 ISO 1600下,放大不同区域的图像比较


除了能够捕获更好的照片以外,一些新的CMOS图像传感器能够实现200MP/s的输出率,这恰恰是每秒60帧全高清视频所需的速度。正在开发的下一代传感器采用高速并行读出架构,预计输出率可超过500MP/s。在更快的读出速度下,CMOS传感器便可以同时捕获高清晰度静态图片和高品质全高清视频,而无须设计师在静态图片和全高清视频性能之间妥协。CMOS传感器为静止图片和视频同时提供优化的性能,使OEM厂商可能开发全新和具有差异性的DSC产品。

结论
在各个市场领域,CMOS图像传感器技术已经在不断改进和演变,它们远远超出了满足细分市场具体要求的目标。在每一种应用中,CMOS技术不仅具有更高的成像性能,也使OEM厂商能够开发全新功能,实现产品在市场中的差异化。随着CMOS图像传感器获取更多的成像市场份额,CMOS技术一定会有更大的发展动力和更多创新,以顺应成像市场未来的发展趋势和要求。
 

关键字:图像传感器  主导  多种  应用

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/1020/article_8654.html
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