电子行业：摄像头芯片，CMOS图像传感器（CIS）行业报告

www.swsc.com.cn 摄像头芯片 CMOS图像传感器（CIS）行业报告 西南证券研究发展中心 电子行业研究团队 陈杭（S1250519060004） 2019年8月 CMOS图像传感器技术简介 CMOS图像传感器的应用 CMOS图像传感器的竞争格局 图像传感器的历史沿革 韦尔股份（豪威科技）分析 1 图像传感器的历史沿革  1873 年，科学家约瑟·美(Joseph May)及伟洛比·史密夫(WilloughbySmith)就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，由此，电子影像发展开始，随着技术演进，图像传感器性能逐步提升。 光学倍增管（PMT） 光电及双极二极管阵列 CCD图像传感器 CMOS图像传感器 1950s 1960s 1970s 1980s 1990s 2000s 2010s  20 世纪50 年代——光学倍增管(Photo Multiplier Tube，简称PMT)出现。  1965年-1970年，IBM、Fairchild等企业开发光电以及双极二极管阵列。  1970年，CCD图像传感器在Bell实验室发明，依靠其高量子效率、高灵敏度、低暗电流、高一致性、低噪音等性能，成为图像传感器市场的主导。  90年代末，步入CMOS时代。 数据来源：西南证券整理 2 图像传感器的历史沿革——PMT  光电倍增管（简称光电倍增管或PMT），真空光电管的一种。工作原理是：由光电效应引起 ，在PMT入射窗处撞击光电阴极的光子产生电子，然后由高压场加速，并在二次加工过程中在倍增电极链中倍增发射。  光电倍增管是一种极其灵敏的光检测器，可探测电磁波谱紫外，可见和近红外范围内光源，提供与光强度成比例的电流输出，广泛应用于验血，医学成像，电影胶片扫描（电视电影），雷达干扰和高端图像扫描仪鼓扫描仪中。 数据来源：SENSE官网，西南证券整理 3  数字成像始于1969年，由Willard Boyle和George E. Smith于AT＆T贝尔实验室发明  最初致力于内存→“充电'气泡'设备”，可以被用作移位寄存器和区域成像设备  CCD是电子设备， CCD在硅芯片（IC）中进行光信号与电信号之间的转换，从而实现数字化，并存储为计算机上的图像文件。  2009年， Willard Boyle和George E. Smith获得诺贝尔物理学奖 CWillard Boyle和George E. Smith 柯达第一款数码相机 图像传感器的历史沿革——CCD 数据来源：Prof. Youngcheol Chae，西南证券整理 4  1997年，卡西尼国际空间站使用CCD相机（广角和窄角）  美国宇航局局长丹尼尔戈尔丁称赞CCD相机“更快，更好，更便宜”；声称在未来的航天器上减少质量，功率，成本，都需要小型化相机。而电子集成便是小型化的良好途径，而基于MOS的图像传感器便拥有无源像素和有源像素（3T）的配置。 国际空间站使用CCD相机 数据来源：Prof. Youngcheol Chae，西南证券整理 5 Siimpel AF相机模型 2007年  CMOS图像传感器使得“芯片相机”成为可能，相机小型化趋势明显  2007年，Siimpel AF相机模型的出现标志着相机小型化重大突破  芯片相机的崛起为多个领域（车载，军工航天、医疗、工业制造、移动 摄影、安防）等领域的技术创新提供了新机遇 “芯片相机”上的带有有缘像素转换器的CMOS有效像素传感器 JPL团队主要成员合影 图像传感器的历史沿革——CMOS图像传感器 数据来源：Prof. Youngcheol Chae，西南证券整理 6  1995年2月，Photobit公司成立，将CMOS图像传感器技术实现商业化。  1995-2001年间，Photobit 增长到约135人，主要包括：私营企业自筹资金的定制设计合同、SBIR计划的重要支持（NASA / DoD）、战略业务合作伙伴的投资，这期间共提交了100多项新专利申请。  CMOS图像传感器经商业化后，发展迅猛，应用前景广阔，逐步取代CCD成为新潮流。 1995年的Photobit团队 2000年的Photobit团队 多项专利产品 CMOS图像传感器走向商业化 数据来源：Prof. Youngcheol Chae，西南证券整理 7  2001年11月 ，Photobit被美光科技公司收购并获得许可回归加州理工学院。与此同时，到2001年，已有数十家竞争对手崭露头角，例如Toshiba，ST Micro，Omnivision，CMOS图像传感器业务部分归功于早期的努力促进技术成果转化。后来，索尼和三星分别成为了现在全球市场排名第一，第二。后来，Micron剥离了Aptina，Aptina被ON Semi收购，目前排名第4。CMOS传感器逐渐成为摄影领域主流，并广泛应用于多种场合。 医疗领域 内窥镜摄像头 Awaiba~2012 移动端-手机\相机摄影 车载端-车载摄像头 安防领域-监控 航天/军工领域 工业生产-工业相机视觉传感技术 CMOS图像传感器的广泛应用 数据来源：Prof. Youngcheol Chae，西南证券整理 8 CMOS图像传感器发展历程  70年代：Fairchild  80年代：Hitachi  80年代初期： Sony  1971年：发明FDA & CDS 技术 FDA & CDS 技术被发明CMOS图像传感器成为主流1971年1970年-1980年80年代初期2005年1998年1993年仙童半导体索尼(SONY)在消费市场上实现重大突破N H K/O lym pus, 放大M O S 成像仪(A M I)，随后称之为CM O S图像传感器单芯片相机JPL, CMOS有源像素传感器 80年中叶：在消费市场上实现重大突破；  1990年：NHK/Olympus, 放大MOS成像仪(AMI)，即CIS  1993年：JPL, CMOS有源像素传感器，  1998年：单芯片相机，2005年后：CMOS图像传感器成为主流。 数据来源：西南证券整理 9 图像传感器的历史沿革 CMOS图像传感器的应用 CMOS图像传感器的竞争格局 CMOS图像传感器技术简介 韦尔股份（豪威科技）分析 10 模拟电路 部分 数字电路 部分 CMOS图像传感器  CMOS图像传感器（CIS）是模拟电路和数字电路的集成。主要由四个组件构成：微透镜、 彩色滤光片（CF）、光电二极管（PD）、像素设计。 CIS结构 CIS成像原理  微透镜：具有球形表面和网状透镜；光通过微透镜时，CIS的非活性部分负责将光收集起来并将其聚焦到彩色滤光片。  彩色滤光片（CF）：拆分反射光中的红、绿、蓝（RGB）成分，并通过感光元件形成拜尔阵列滤镜。  光电二极管（PD）：作为光电转换器件，捕捉光并转换成电流；一般采用PIN二极管或PN结器件制成。  像素设计：通过CIS上装配的有源像素传感器(APS)实现。APS常由3至6个晶体管构成，可从大型电容阵列中获得或缓冲像素，并在像素内部将光电流转换成电压，具有较完美的灵敏度水平和的噪声指标。