文章 |半导体行业视角 自 1989 年首次提出以来，CMOS 图像传感器 (CIS) 经历了强劲的增长。
从销售额来看，CIS占光电器件市场收入的40%以上。
不过，研究机构ICInsights近期发布预测称，2022年CIS可能出现下滑，全球出货量预计将下降11%至61亿台，销量将下降7%。
那么，CIS市场是集成电路周期的衰退还是技术迭代节点的到来？如果有一种技术可以取代 CIS 在图像传感器中的地位，它会是什么？ 2022年是CIS的转折点吗？我们先来回答第一个问题。
2022年会成为CIS芯片消亡的转折点吗？答案是否定的。
尽管今年CIS市场将出现下滑，但ICinsights预计明年CIS市场将温和复苏，全球市场收入预计将增长4%至193亿美元，然后在2024年增长13%，达到217亿美元的新高。
CIS市场下滑的主要原因是消费电子产品的低迷。
索尼执行副总裁兼首席财务官大岛佑一表示，如果2022年下半年高端智能手机销量低于最初预期，索尼将推迟扩张计划。
手机是CIS最大的应用市场。
过去一段时间，智能手机摄像头数量的增加成为CIS芯片增长的驱动力。
Counterpoint Research表示，平均每部智能手机将配备4颗CIS芯片。
尽管全球手机出货量下降，但单部手机搭载摄像头数量的增加，让手机CIS市场保持了一定程度的增长。
疫情初期，在家办公、在线学习的需求迎来了CIS市场的新一轮增长。
独联体市场2020年增长4%，2021年增长5%。
但疫情带来的增长已经饱和，全球通胀导致消费者信心下降。
消费电子市场寒冬已至，CIS市场最大增长动力发生变化。
谁是CIS市场新的增长动力？业界普遍将汽车赛道视为CIS新的增长点。
随着汽车智能化水平的提高，汽车CIS芯片市场快速增长。
随着高级别智能驾驶的普及，车载摄像头的数量不断增加。
随着智能驾驶从L1升级到L2/L3，摄像头数量从一开始的5个左右增加到8~15个；同时，车载CIS的像素也逐渐升级，从VGA→1M→2M→8M，单摄像头的价值逐渐提高，体积和价格的增加将带来汽车CIS市场规模。
目前，每辆车可能需要2个以上CIS，预计到2025年将增加到10个以上，2030年将增加到13至19个。
除了汽车赛道之外，基于虚拟宇宙概念的VR/AR设备也可能成为CIS芯片的增长动力。
为了帮助用户通过虚拟形象实现社交需求，VR需要捕捉从四肢到面部的细节动作。
未来，消费级VR头显可能会配备6种以上的摄像头，包括定位摄像头、眼动追踪摄像头、ToF摄像头和RGB摄像头，用于完成由内向外追踪设备本身的定位、眼动追踪，和手势跟踪分别。
，并实现透视等功能。
据Omdia预测，用于VR头显的CIS全球出货量将以年均41%的速度增长，2026年将突破2亿台。
新的应用场景意味着CIS需要应用新技术。
2021年，索尼采用Stacked技术，将原本在一个基板上的光电二极管和像素晶体管分离到不同的基板上，从而使光电二极管的表面积增加一倍，并可以接收更多的光线。
同时，索尼采用了新的连接结构，将耐热性从传统的400℃提高到1000℃。
不过，本次更新仍然基于 CMOS 图像传感器。
那么是否有革命性的图像传感器来取代CIS呢？谁可以取代CIS？在讨论下一代图像传感器之前，我们首先了解一下上一代的CIS传感器。
CIS的出现淘汰了CCD传感器，它是一种“电荷耦合器件”。
CCD 和 CMOS 图像传感器都通过使用数千或数百万个称为光斑的光捕获阱捕获光子，将光转换为电子。
拍摄图像时，感光点会暴露出来以收集光子并将其存储为电信号。
当 CCD 将光转换为电子时，电荷通过芯片传输并在阵列的一个角落读取，模数转换器将每个光点的电荷转换为数字值。
CIS 将感光像素的电荷转换为像素位置处的电压。
然后，信号按行和列多路复用至多个片上数模转换器。
由于每个光点都可以单独读取，因此 CIS 比 CCD 更灵活。
CCD 将光生电荷从一个像素移动到另一个像素，并在输出节点将其转换为电压。
CMOS 成像器将每个像素内的电荷转换为电压。
当需要高质量图像时，CCD 图像传感器一直是传统选择。
大多数医疗和科学应用中的相机都基于 CCD 技术。
但其缺点也非常明显：读取时间较长、功耗较高。
目前CCD主要应用于工业自动化和机器视觉领域。
但随着CIS分辨率的提高，CCD的应用场景正逐渐被CIS取代。
目前被认为可能成为下一代主流图像传感器的主要产品有两种：QIS和QDIS。
QIS：量子图像传感器 ERIC R. FOSSUM 和 KAITLIN ANAGNOST 提出了量子图像传感器（Quanta 图像传感器，QIS）。
在 QIS 中，每个“图像像素”被分为一组称为点的较小像素。
每个点都足够敏感，可以进行光子计数。
光电子被一一计数，并根据组合的空间和时间光子计数数据计算图像。
量子图像传感在每个像素元件中实现极小的输出电容，从而大大放大每个光子产生的电信号。
由于这种极高的信号放大率，量子图像传感器的相对噪声比 CMOS 传感器降低了 5 至 10 倍，从而能够在室温下实现精确的单光子检测和光子数分辨率。
QIS的基本成像原理由滤色器阵列、光子泊松分布、读取噪声和模数转换器（ADC）组成。
在这些器件中，信号光电荷以模拟形式集成到传感器中，并在读出期间数字化为 8-14 位分辨率。
在 QIS 中，信号在片上或片外进行数字集成，并且从时空室计算图像像素以形成点值。
虽然它一次成像一个光子（或者有时在多位 QIS 中成像更多），但使用 QIS 固有的过度曝光宽容度和多重高速曝光技术仍然可以实现高动态范围 (>120 dB)。
真实 QIS 图像与模拟 CIS 图像的比较。
即使不考虑暗电流较低的优势，QIS 在光子匮乏的情况下也比 CIS 表现更好。
在超低光应用中，例如生命科学或天文学中的科学成像，或在低光航空航天以及国防和安全应用中，光子计数成像至关重要。
低功耗 QIS 设备还将在弱光物联网中得到应用，特别是在云端完成计算图像形成的情况。
Gigajot Technology 正在探索其他潜在应用，包括量子密码学和电影摄影。
QIS可以通过CMOS技术来生产，因此在成本方面没有太大问题。
不过，QIS如果应用到消费领域，还存在一些问题，比如彩色成像能力和闪光摄影等。
QDIS 量子点图像传感器：量子点（QD）也称为纳米级半导体晶体，是具有独特光学和电子特性（例如明亮而强烈的荧光）的纳米颗粒。
由于大多数传统有机标记染料不提供近红外（> 650 nm）发射可能性，因此具有可调光学特性的量子点引起了相当大的关注。
它们具有良好的化学稳定性和光稳定性、高量子产率和尺寸可调的发光特性。
不同类型的量子点可以用相同的光波长激发，并且可以同时检测它们的窄发射带以进行多种测定。
比利时研究机构 IMEC 和相机制造商 SWIR Vision Systems 发表了一篇关于量子点在红外成像中的应用的论文。
韩国中央大学 Sung Kyu Park 教授领导的研究人员表示，他们已经开发出一种采用量子点技术的新型传感器。
该传感器使用垂直堆叠的量子点，每个量子点对特定频率的光敏感。
当光穿过不同调谐点的层时，只有与特定频率的点发生反应的光才会被触发，这就是传感器如何知道要记录该信息的颜色。
研究人员表示，与传统图像传感器相比，该像素结构每个像素使用的面积要少得多，这意味着与当前 CMOS 技术相比，可以在空间中放置更多像素。
可见光量子点图像传感器（右）比传统 CMOS 技术（左）具有多项优势，包括相对较薄、消除了阻碍光子接收的反射，以及减少了对错误光电二极管接收到的光子进行过滤而导致的错误。
在传统光电探测器中，缺陷很少且间隔很远，因此效率超过 50%。
对于基于 QD 的光电探测器，这个数字通常小于 20%。
尽管量子点本身吸收光的能力比硅更好，但基于量子点的光电探测器的整体效率仍然无法与之竞争。
2017年，苹果收购了号称取代CMOS的量子胶片相机制造商InVisage Technology，试图开发自己的相机模组。
虽然收购价格并未披露，但获得的融资总额超过1亿美元，打破了当时的行业纪录。
但被苹果收购后，该公司似乎消失了。
业界认为，“苹果决定停止开发量子点图像传感器，因为其成本太高，不适合大规模生产”。
InVisage 的首席执行官于 2017 年 7 月至 2019 年 1 月期间在苹果公司工作了一段时间，负责“特殊项目”。
“合并整合后”，他也离开了苹果。
2021年，意法半导体在IEDM会议上宣布了其自主研发的量子点短波红外（SWIR）图像传感器。
意法半导体表示，该传感器的成本可能会降至1美元左右，这可能成为量子点图像传感器商业化的机会。
结论：加入CIS需要多长时间？五年内，手机中可能会出现新的图像传感器，使用户能够在弱光下拍摄更好的照片和视频，改进面部识别技术，并以 CIS 无法做到的方式将红外光电检测融入我们的日常生活。
生活。
然而，这并不意味着CIS时代的结束。