CMOS圖像感測器將占成圖像感測器市場主導地位

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            在過去十年裏，CMOS圖像感測器技術經過連續改進和不斷提高，已經使其從主要服務於低端市場轉移到一些要求最苛刻的高性能應用。伴隨著這種趨勢，CMOS圖像感測器已經開始主導圖像感測器市場，並為原始設備製造商（OEM）實現差異化提供了很多機會。

　　市場分析公司TSR估算，CMOS圖像感測器已經在高端數字單反（DSLR）和無反光鏡數碼相機領域佔據90％以上的市場份額。同樣，視頻共用網站YouTube在2011年發佈的數據表明，通過基於CMOS圖像感測器的移動設備佔據了絕大多數的視頻上傳，尤其是高清（HD）視頻。如果從整個行業中各個細分市場的出貨量總數方面考慮，CMOS無疑已經是成像的技術贏家。

　　相對於傳統的電荷耦合器件（CCD）圖像感測器，CMOS圖像感測器有如下幾個明顯的優勢，包括可製造性、低功耗、易於集成、低成本，以及最近出現的高品質圖像品質。總而言之，這些內在優勢已促使OEM開發更具有競爭力、能更好地服務最終用戶的成像系統。

　　本文將討論CMOS圖像感測器技術的發展趨勢和在四個市場領域的創新，包括移動電話、汽車、監控以及數碼相機（DSC）。在每一個市場領域，這些CMOS技術進步已達到或超過了該領域的市場要求，CMOS的優勢已使OEM能夠改進成型的相機產品。


　　CMOS圖像感測器驅動移動設備市場增長和產品差異化
　　在移動領域，CMOS圖像感測器已經從低端手機市場走向完全的市場支配地位。CMOS圖像感測器現在已經是所有具備相機功能的移動設備的當然之選，例如，智能手機和平板電腦。這些移動設備正變得無處不在，也代表了移動設備市場最重要的增長領域。

　　全球首要的市場分析公司IDC預計，全球智能手機市場出貨量在2011年增長約49.2％，達到約4.52億部。IDC還預測，全球智能手機市場出貨量將在2015年達到9.257億部。與上述分析類似，Infinite Research的研究報告顯示，平板電腦的銷售量將以56％或更高的複合年增長率增長，根據目前的估計，出貨量將從去年的約1610萬部增長到2015年的1.47億部以上。

　　既然市場有如此大的增長潛力，人們可能會認為OEM一定有很多機會來差異化他們的產品，從而提高他們的利潤。但有趣的是，事實可能並非如此。移動設備領域兩個發展趨勢可能使該市場出現更大程度的同質化。

　　首先，許多新開發的智能手機和平板電腦將使用穀歌的Android操作系統。優秀的Android操作系統在大多數情況下都是免費的，這去掉了與開發智能手機和平板電腦相關的很大一部分負擔。因此，那些以前由於軟體開發障礙而被拒之門外的OEM將能夠和世界上幾乎所有的其他移動設備製造商在市場上同台競爭。總體上說，雖然這對於新興市場和相對較小的OEM有好處，使他們更具競爭力，但也意味著消費者開始認為來自一個廠家基於Android的平板電腦或智能手機與來自其他廠家的產品沒有多大區別。

　　其次，正像Arete Research分析師Richard Kramer預測，低成本的智能手機將具有更高的增長速度。這些物料成本約為150美元或更少的手機可能會進一步加劇移動產品的同質化。

　　那些希望獲得在市場上獲得競爭優勢，並希望使自己產品區分於競爭對手的手機OEM要實現這樣的目標，不能從操作系統或者成本的角度來達到。OEM應力求為消費者提供差異化的特性和功能，如高性能500萬像素到800萬像素的攝像頭，或者能夠以相對較高的幀率捕獲高清視頻的能力。

　　對於移動設備OEM來說，已經成為移動設備首選並且是最佳選擇的CMOS圖像感測器可能是獲得更高利潤和贏利的關鍵。

　　有明顯的例證表明，智能手機的相機對於消費者非常重要，相機性能對消費者最終從哪個商家購買產品可能有很強的影響力。例如，在2010年7月，Pew Research的一份研究報告顯示，76％的受訪成年人使用手機的相機。相比之下，72％的受訪者發送短信，38％的受訪者用手機訪問互聯網。同一項調查發現，34％的人使用他們的手機錄製視頻。最近，2011年3月的一個GSMArena Camera Phone（照相手機）使用報告顯示，98％的受訪手機用戶都以一定的頻率使用他們的照相手機。

　　在這個細分市場，照相機及其所引發的各種應用，如視頻通話或實景增強（augmented reality）等等，可能會成為區分於其他不具特色Android手機的一個關鍵不同點和對照。
　　在500萬像素到800萬像素範圍內CMOS圖像感測器技術的進步，將更有助於這種差異化。從圖1的例子可以看出，Aptina公司採用A-PIX技術，以提高量子效率，並降低在CMOS圖像感測器上產生的串擾。這種像素技術採用如導光體、深光電二極體和65nm工藝等先進技術，來改善像素性能以及整體圖像品質。通過使用經過驗證的半導體製造工藝技術，具備A- Pix技術的CMOS圖像感測器能夠提供在性能和成本等方面的優勢，使它們成為智能手機和平板電腦應用的絕佳選擇。


　　CMOS圖像感測器驅動先進的汽車應用方案
　　隨著汽車成像系統變得更加複雜、要求更苛刻，CMOS圖像感測器也在不斷發展和改善，從而有效地滿足新時代汽車智能解決方案的要求。 CMOS技術的改進得益於在過去十年中產業在新技術方面數十億美元的研發投資。由此帶來的技術進步可使汽車OEM廠商差異化他們的產品，並提供先進的和所需要的功能。更重要的是，這些技術進步也幫助汽車系統OEM製造出操作簡單、且更安全的汽車，滿足消費者和政府機構的需求。一個典型的例子是美國政府提出的新要求，該要求將導致強制安裝後視系統，也就是通常所說的備份（backup）攝像系統。

　　顯然，CMOS圖像感測器是這種汽車子系統的重要組成部分，一個備份相機等看似簡單的應用，卻對工作溫度範圍、感測器的動態範圍、光譜範圍、甚至功耗等都有相當嚴格的要求。至少在某些情況下，CMOS圖像感測器是唯一能滿足所有規格要求的成像解決方案，而通過 CCD根本無法實現。

　　其他重要的先進駕駛員輔助解決方案（ADAS）包括：結合使用CMOS成像器、測距技術和其他車載感測器的車道偏離警告系統，可以幫助司機行駛在自己的車道內；結合CMOS圖像感測器、超聲波感測器和線驅（drive-by-wire）功能實現的駐車距離控制系統甚至自動平行停車系統；依靠CMOS圖像感測器實現的標誌識別系統，可用來幫助司機避免事故的發生；自適應巡航控制
（adaptive cruise control）系統，可以通過使用CMOS感測器和測距儀來防止在高速公路上發生意外事故。上述提到的例子只是數十個已經生產或者正在開發的汽車成像應用中的一些而已。


　　這些各式各樣的汽車安全性和方便駕駛系統可分為場景觀察和場景處理應用。
　　場景觀察應用是把視覺資訊傳達給司機。上述提到的備份攝像系統是一個典型的例證。在這些應用中，對圖像感測器的關鍵要求包括高工作溫度、卓越的低光照性能、寬動態範圍（WDR）和低功耗等等。當然，在達到這些性能的同時，也必須同時符合汽車品質標準，並在高批量下實現更低的單位成本。

　　舉例來說，Aptina公司的MT9V128和MT9V129是專為汽車場景觀察應用而設計的VGA系統級晶片（SOC）解決方案。同樣，Aptina公司為下一代場景觀察攝像頭提供先進的百萬像素級（MT9M024）解決方案。

　　場景處理汽車應用往往需要CMOS圖像感測器提供資訊，結合其他系統的輸入資訊，來做出警告駕駛員、甚至調整汽車的路徑或速度等具體決定。車道偏離預警系統是場景處理系統的一個很好例證。

　　對於場景觀察和場景處理應用，CMOS圖像感測器技術由於其在大多數環境下都擁有優越性能，正在取代CCD感測器，而成為高批量成像解決方案的理想選擇。IMS預測，汽車應用的CMOS圖像感測器出貨量將從2009年的約900萬件，增長到2017年的約5000萬件。考慮到汽車產品的長生命週期，CMOS圖像感測器在汽車市場將註定有一個史無前例的高速增長，這對於汽車OEM是好消息，可使產品在性能和成本等方面進一步改善。


　　IP相機監控系統需要CMOS成像器
　　監控行業正在經歷一個重要的轉型期，主要是從基於CCD的閉路電視（CCTV）模擬系統轉向更為先進的數字互聯網協議（IP）監控解決方案。

　　在監控市場，趨勢也類似於本文討論的其他領域，CMOS圖像感測器的卓越技術正在提供許多新特性和新功能，這些特性和功能也給監控系統的OEM提供了關鍵的差異點（differentiators）。

　　用CMOS圖像感測器實現的IP監控系統更為經濟，也更容易安裝。例如，一些具有市場前瞻性的監視系統OEM正在啟動一個全新、批量潛力巨大、客戶自己完成(DIY)的監控細分市場，家庭和小型辦公室DIY監控系統的費用可能低至100美元，並可能觸發比CCD閉路電視系統曾經期望的更大的監控市場。

　　與閉路電視系統相比，IP攝像系統具有多種優勢。它無須考慮幾十年前建立的National Television System Committee (NTSC)和Phase Alternating Line (PAL)解析度標準等障礙限制。 IP攝像系統也是增加百萬像素圖像感測器應用的一個機遇。此外，許多當今的IP攝像頭系統都採用寬動態技術，使相機可放在幾乎任何地方，因為它解決了在非常灰暗和非常明亮的環境中都可以捕獲清晰圖像的挑戰。而不具備寬動態技術的IP攝像系統則有圖像曝光不足或曝光過度的風險，這些都是圖像監控市場不可接受的。

　　許多IP攝像頭解決方案還可提供嵌入式的視頻處理，分析即時視頻流，以便及時發現或跟蹤人或事件。此前，這種功能需要一些伺服器和相當大的處理能力。數字信號處理器（DSP）、現場可編程門陣列（FPGA）技術，以及較輕的啟發式視頻處理演算法（lighter heuristic-based video processing algorithms）的改進，使得人們有可能在實際相機上進行大部分圖像分析。這種分析可能包括背景建模（background modeling）、前景提取（foreground extraction）、二進位大對象（BLOB）監測、甚至光流分析等等。所有這些不同的組件和功能可集成到攝像系統，而無須增加很多成本。

　　IP攝像系統中使用的圖像感測器必須提供相對較高的解析度，或者720P或者1080P，同時也需要達到比較快的幀率，譬如每秒60幀（fps）。雖然標準的視頻幀率只有每秒30幀，但每秒60幀的速率為相機製造商提供了高靈活性，以適應快門在場景中捕獲快速移動物體需要的寬度。此外，如博彩等娛樂場所要求高幀率視頻監控，以便捕獲違法定罪所需的證據。

　　在所有照明條件下高品質地捕獲每秒60幀高清視頻很具有挑戰性。百萬像素的感測器雖然可以提供寬動態範圍或者卓越的低光照敏感度，但通常不能同時達到上述兩個目標。幸運的是，這種情況正在改變。用Aptina公司DR-PIX技術和多重曝光寬動態範圍成像技術設計實現的高清百萬像素感測器可以同時實現上述兩個指標。

　　Aptina的DR-Pix技術允許可編程轉換增益調整，使全域所有像素與場景整體亮度水準相匹配。這項技術，再配合以真正的相關雙採樣（correlated double sampling），使高清成像器達到低於2E–RMS的讀出雜訊和超過60％的量子效率（QE）。


　　CMOS圖像感測器在數碼相機（DSC）市場蠶食CCD份額
　　與其他應用領域一樣，在數碼相機市場，CMOS圖像感測器也在從低端產品向高端產品遷移。同時，OEM發現，CMOS成像器提供的勝過CCD的技術優勢，往往會轉變成為市場中的競爭優勢。具體說來，當代CMOS感測器產生的圖像品質已經達到甚至超過CCD，而在DSC市場，圖像品質是一個關鍵的產品區分因素。

　　這裏舉一個例子，Aptina公司的1400萬像素，1.4μm，1/2.3英寸MT9F002感測器集成到一個領先品牌的數碼相機，另一個領先品牌的數碼相機則配備一個1400萬像素，1/2.3英寸CCD器件，它們具有相同的陣列和像素大小。通過分析關鍵的性能標準，無論在低還是在高ISO條件下，1400萬像素CMOS感測器明顯優於對應的CCD器件。

　　除了能夠捕獲更好的照片以外，一些新的CMOS圖像感測器能夠實現200MP/s的輸出率，這恰恰是每秒60幀全高清視頻所需的速度。正在開發的下一代感測器採用高速並行讀出架構，預計輸出率可超過500MP/s。在更快的讀出速度下，CMOS感測器便可以同時捕獲高清晰度靜態圖片和高品質全高清視頻，而無須設計師在靜態圖片和全高清視頻性能之間妥協。CMOS感測器為靜止圖片和視頻同時提供優化的性能，使OEM廠商可能開發全新和具有差異性的DSC產品。


　結論
　　在各個市場領域，CMOS圖像感測器技術已經在不斷改進和演變，它們遠遠超出了滿足細分市場具體要求的目標。在每一種應用中，CMOS技術不僅具有更高的成像性能，也使OEM廠商能夠開發全新功能，實現產品在市場中的差異化。隨著CMOS圖像感測器獲取更多的成像市場份額，CMOS技術一定會有更大的發展動力和更多創新，以順應成像市場未來的發展趨勢和要求。