CMOS工作原理、技术发展、分类及发展情况如何？

图像传感器是摄像头模组核心元器件，索尼引领早期技术变革。

CMOS 是摄像头模组核心元器件，对摄像头的光线感知和图像质量起到关键影响。CMOS （互补金属氧化物半导体）图像传感器是一种光学传感器，作为摄像头模组的核心元器 件，其对摄像头的光线感知和图像质量起到了关键影响。CMOS 图像传感器首先通过感 光单元阵列将所获取对象景物的亮度和色彩等信息由光信号转换为电信号；再将电信号 按照顺序读出并通过 ADC 数模转换模块转换为数字信号；最后将数字信号进行预处理， 并通过传输接口将图像信息传送给平台接收。

CMOS 相比于 CCD 具有高速、低功耗、集成性，逐步占据市场主流。图像传感器可以 分为 CCD 和 CMOS 两种，早期以 CCD 为主，后续 CMOS 图像传感器通过技术革新修 复了其噪点多、感光度低的缺陷，逐步占领市场。这两者的主要区别在于，CCD 图像传 感器只有一个放大器，需要将光线转换为电荷后逐一传输像素，利用传感器触头的放大 器进行信号转换；CMOS 的每个光电二极管都有放大器，可以即时放大电流并转换为信 号并进行一次性传输。因此，CMOS 图像传感器相比 CCD 图像传感器，具有高速、低功 耗以及可将模拟电路和数字电路集成在同一个芯片上的系统集成适应性，目前在智能手 机、数码相机等领域占据主流。

CMOS 近年的技术发展路径为“前照式—>背照式—>堆栈式”，索尼引领技术变革。索 尼自 2000 年起发布了一些 CMOS 图像传感器，但早期图像较暗而且容易产生噪点，主 要与其基本结构有关，在 CMOS 图像传感器中，将光转换为电信号的受光元件（光电二 极管）被配置在传输信号的金属配线层的下方。在这种结构的情况下，入射光会被配线 层遮挡，有损感光度。 背照式 CMOS 图像传感器：索尼 2002 年启动研发项目，2009 年成功量产实现全球 性的突破，成功推出高亮度低噪点高画质的背照式 CMOS 图像传感器，并率先应用 于数码相机上。 堆栈式 CMOS 图像传感器：索尼想将其高清 CMOS 搭载于手机上，但仍需实现小 型化、更高性能、更低成本等要求。索尼通过纵向堆叠缩小芯片面积，从而降低成 本；此外电路部分可以独立于像素部分进行微细化设计，可实现大规模信号处理的 电路，且实现高画质和高性能、功耗低。2008 年 5 月堆栈式 CIS 研发项目正式启动， 2012 年研发成功并出货。

根据快门曝光方式不同，CMOS 图像传感器又可分为卷帘快门和全局快门两类。（1）卷 帘快门通过控制光敏原逐行或逐列进行曝光，扫描完成所有像素单元的曝光。卷帘快门 在感光度以及低噪声成像上较全局快门有一定的优势，但需要一定的曝光时间，因此在 近距离拍摄或被摄对象移动速度较快时易出现因晃动或被拍摄物体快速移动导致的图像 模糊、斜坡图形（畸变）、尾影等有损拍摄质量的情况，适用于远距离拍摄静止或移动速 度较慢的对象。（2）全局快门可使全部光敏元件在同一时间接收光照，是高速摄影等应 用场景下的最佳快门方式，但其相比于卷帘快门读出噪声较高，适用于需要实时地进行 精准的影响捕捉以及识别的应用场景。

各下游市场逐步复苏，全球 CMOS 出货量及市场规模有望增长。2022-2023 年智能手机 等消费产品销量大幅放缓，2023 年开始手机和安防库存已回归至低位水平。预计随着汽 车和安防需求的强劲增长以及手机市场的温和复苏，全球 CMOS 图像传感器出货量将持 续增加，有望从 2023 年的 61.51 亿颗增长至 2029 年的 72 亿颗，2023-2029 CAGR 为 2.66%；同时出货量的提升有望带动市场规模从 19 亿美元提升至 29.6 亿美元，2023- 2029CAGR 为 7.67%。

智能手机为 CMOS 下游主要应用端，汽车安防等领域快速增长。据 Yole 数据，2022 年 CMOS 行业市场规模达到 213 亿美元，其中手机 CMOS 市场占 134.52 亿美元，占比超 63%；另外几大应用领域分别为汽车、计算机及安防，CMOS 市场规模合计占比约 25%。 从增长情况来看，2022-2028 年 CMOS 图像传感器市场规模复合增速超 5%的下游包括汽 车、医疗、安防、工业、国防及航空，其中安防领域增速最快，2022-2028CAGR 达 17.58%。

从各下游对 CMOS 传感器的性能要求来看，智能手机和机器视觉对其性能要求最高。不 同应用领域对 CMOS 的需求各不相同，其中高端手机主摄的像素达 4000 万-1 亿像素， 副摄也能够达到 1600-3200 万像素，是目前对像素要求最高的应用领域。机器视觉领域 虽像素要求与手机有一定差距，但其使用场景较多，比如高速应用场景对快门速度要求 很高，需要图像传感器具有很高的帧率以避免高速场景下的误判导致事故发生。而对于 如扫地机器人中用于测距的 CMOS 图像传感器而言，由于有 3D 成像的需求，所以其对 HDR、感光度等特殊参数有一定的要求。