文|半导体产业纵横

自从1989年被首次提出，CMOS图像传感器（CIS）经历了强劲增长。就销量而言，CIS占光电器件市场的收入超过 40%。不过，近日研究机构ICInsights发布预测称CIS在2022年可能出现下滑，预计全球出货量下降11%到61亿颗，销售额下降7%。那么，CIS市场的下滑处于集成电路周期还是技术迭代节点到来了呢？如果存在一种技术要接替CIS在图像传感器中的地位，这种技术又会是什么呢？

2022是CIS的转折点吗？

先来回答第一个问题，2022年会成为CIS芯片转向消亡的转折点吗？

答案是否定的。虽然今年CIS市场会下行，但ICinsights预测明年CIS市场将温和复苏，全球市场收入预计增长 4% 至 193 亿美元，然后在 2024 年增长 13% 达到 217 亿美元的新高。

CIS市场的下滑的主要原因是消费电子的低迷。索尼执行副总裁兼首席财务官 Yuichi Oshima 表示，如果 2022 年下半年高端智能手机的销量低于最初的预期，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，但单个手机配备的摄像头数量的提升让手机CIS市场仍能保持一定程度的增长。

疫情暴发初期，居家办公、线上学习的需求让CIS市场迎来新一轮的增长。在2020年CIS市场增长4%，2021年增长了5%。但疫情带来的增量已经饱和，而全球性的通货膨胀导致了消费者信心下降，消费电子市场的寒冬来了，CIS市场最大的增长动力变了。

谁是CIS市场新的成长动力？

行业普遍将汽车赛道视作CIS新的增长动力。随着汽车智能化的提高，车载CIS芯片市场快速增长。随着高级别智能驾驶的渗透，汽车摄像头数量的增加。随着智能驾驶由L1 升级至L2/L3 级，摄像头颗数从最初的5 颗左右增加至8~15 颗；同时车载CIS 也逐步像素升级，从VGA→1M→2M→8M，单颗摄像头价值量逐步提升，量价提升带来车载CIS 市场规模的提升。当前每辆车可能需要2颗以上CIS，预计到2025年增加到10颗以上，2030年更增加到13~19颗。

除了汽车赛道，基于元宇宙概念的VR/AR设备也可能成为CIS芯片的增长动力。为了帮助用户实现使用虚拟形象进行社交的需求，VR需要捕捉从肢体到面部等细节部位的动作。未来消费级VR头显设备可能会配备超过6个种类的摄像头，其中包括定位摄像头、眼球追踪摄像头、ToF摄像头和RGB摄像头，分别用来完成inside-out tracking设备自身的定位，眼球追踪，手势追踪，以及实现see through等功能。根据Omdia的预测，全球VR头显所用CIS出货量将以41%的年均增长率增长，2026年将超过2亿颗。

新的应用场景意味着CIS需要应用新的技术。2021年，索尼通过Stacked技术将原本在一片衬底上的光电二极管和像素晶体管分离到不同衬底上，这样光电二极管表面积能够翻倍，能够接收到更多光线。同时索尼使用新的连接结构，让耐热性从传统400℃提升到1000℃。不过这种更新，仍然是以CMOS图像传感器为基础，那么是否存在革命性的图像传感器去替代CIS呢？

谁能接替CIS？

在讨论下一代图像传感器之前，不妨先去了解CIS上一代的传感器。

CIS的登场淘汰了CCD传感器，CCD 传感器是一种“电荷耦合器件”。CCD和CMOS图像传感器都通过使用数千个或数百万个称为光点的光捕获井捕获光子来将光转换为电子。拍摄图像时，感光点会被揭开以收集光子并将它们存储为电信号。在 CCD 将光转换为电子，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则将光敏像素的电荷转换为像素位置的电压。然后，信号按行和列多路复用到多个片上数模转换器。因为每个光点都可以单独读取所以CIS相对于CCD更加灵活。

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 成像器将电荷转换为每个像素内的电压。

CCD 图像传感器一直是需要高质量图像的传统选择。医疗和科学应用中的大多数相机都基于 CCD 技术。但它的缺点也十分明显：读取时间更长，功耗更高。目前CCD主要应用于工业自动化和机器视觉。但随着CIS分辨率的提高，CCD的应用场景正逐渐被CIS替代。

目前被看作可能下一代主流图像传感器的产品主要有两种：QIS和QDIS。

QIS：量子图像传感器

ERIC R. FOSSUM 和 KAITLIN ANAGNOST提出了一种量子图像传感器（Quanta image sensor,QIS）。在 QIS 中，每个“图像像素”都被划分为一组称为小点的较小像素最小单元称为映像点（jots)，每个jot对光子计数都足够敏感。光电子被逐个计数，并根据组合的空间和时间光子计数数据计算图像。

量子图像传感利在每个像素元件中实现了极小的输出电容，从而极大地放大了每个光子产生的电信号。由于这种极高的信号放大率，与CMOS传感器相比，量子图像传感器的相对噪声降低了5到10倍，从而在室温条件下实现了准确的单光子探测和光子数分辨。

QIS的基本成像原理由彩色滤波器阵列、光子帕松（Poisson）分布、读取杂讯和类比数位转换器（ADC）组成。

在这些设备中，信号光电荷以模拟形式集成在传感器中，并在读出时数字化为 8-14 位分辨率。在QIS 之中，信号在芯片上或芯片外进行数字集成，并且图像像素由时空小室计算形成 jot 值。虽然它一次成像一个光子（或有时在多位 QIS 中更多），但使用 QIS 的固有过度曝光宽容度和多种高速曝光技术仍然可以实现高动态范围 (>120 dB)。

真实 QIS 图像和模拟 CIS 图像之间的比较。即使不考虑较低暗电流的优势，QIS 在光子饥饿状态下的性能也比 CIS 好得多。

在超低光应用中，例如生命科学或天文学中的科学成像，或在低光航空航天和国防和安全应用中，光子计数成像至关重要。低功耗 QIS 设备也将在微光物联网领域得以应用，尤其是在云中完成计算图像形成的情况下。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技术生产，因此在成本方面也问题不大。但如果应用于消费领域QIS仍存在一些问题，如彩色成像能力、闪光摄影。

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的纳米颗粒，例如明亮和强烈的荧光。由于大多数常规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广泛关注。它们具有良好的化学和光稳定性、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，并且可以同时检测到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 发表了关于在红外成像中使用量子点的论文。韩国中央大学的 Sung Kyu Park 教授领导的研究人员表示他们已经开发出一种利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，每个量子点都对特定的光频率敏感。当光穿过不同调谐的点层时，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记录该信息的颜色的方式。

研究人员表示，与传统图像传感器相比，像素结构每个像素使用的面积要小得多，这意味着与当前的 CMOS 技术相比，可以将更多的像素放置在空间中。

用于可见光的量子点图像传感器（右）与传统 CMOS 技术（左）相比具有多个优势，包括其相对薄、消除了阻碍接收光子的反射以及减少了过滤由错误的光电二极管接收到的光子引起的错误。

在传统的光电探测器中，缺陷很少而且相差甚远，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%。尽管量子点本身在吸收光方面优于硅，但基于量子点的光电探测器的整体效率仍无法与之竞争。

2017年的时候，苹果收购了号称替代CMOS的量子薄膜摄像头厂商InVisage Technology，试图开发自己的相机模块。虽然收购价没有被披露，但是获得的融资总规模超亿美金，破了当时的行业历史记录。但这家公司被苹果收购后似乎就销声匿迹了。业界认为“苹果决定停止开发量子点图像传感器，因为它对于大规模生产来说太贵了。”InVisage的CEO在2017年7月到2019年1月之间在苹果公司从事了一段时间“特殊项目的并购整合”后，也离开了苹果。

2021年，意法半导体在IEDM会议上宣布了自研的量子点短波红外（SWIR）图像传感器。意法半导体称，该传感器的成本可能会降至1美元左右，或许这能成为量子点图像传感器商用的机会。

结语

属于CIS的时间还有多久？

五年内，手机中很可能会安装新的图像传感器，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。不过，这不意味CIS的时代的结束。