常用传感器芯片 中国工程师最喜欢的10大CMOS图像传感器芯片
中国工程师最喜欢的10大CMOS图像传感器芯片
据Yole统计,2020年全球CMOS图像传感器(CIS)市场规模为207亿美元,出货量为70.08亿颗。跟其它半导体器件一样,CIS也因为疫情和生产周期长,以及各种市场因素,而导致采购和供应链紧张。Yole预计2021年将趋于平稳,销售额相比2020年略有增长(3.2%),将达到214亿美元,出货量将达到74.53亿颗。这一预测已经将CIS市场的关键因素考虑进去了,包括华为的CIS库存降低、芯片短缺的不确定性,以及疫情后的消费者花费等。
若将CIS出货量按应用市场细分,今年手机市场占比约为78.3%,计算机占12.9%,安防占4.3%,汽车占2.3%,消费电子占1.7%。预计到2026年,CIS整体增长率约为7.5%,其中手机市场低于整体增长,而汽车和安防市场增长都超过10%,消费电子和医疗市场增长最快,超过20%。
从CIS供应商来看,在2020年207亿美元的销售额中,索尼占据40%,其次是三星占22%,第三是豪威占12%,第四是ST占6%,第五格科微占4%,第六安森美占4%,SK海力士占2%,思特威占1%。三家国产CIS厂商的营收占比合计为17%。
虽然索尼仍然是CIS龙头老大,但其市场份额却在降低,华为手机下滑和其它CIS厂商的竞争是主要因素。第二位的三星因为有从设计、制造到终端设备的垂直整合优势,而在手机CIS市场赢得更多份额,其最新CIS传感器也因为与小米手机合作而有显著增长。
台积电是CIS的主要代工厂,在晶圆产能紧张的情况下索尼可以保证足够产能供应,但像安森美等CIS厂商可能无法获得足够的产能。安森美虽然没有出现严重短缺,但应该可以在汽车和物流摄像头市场表现更好。豪威和思特威等中国厂商早就开始分散晶圆代工,反而没有受到太大影响。格科微还开始启动自己的晶圆生产线,以保证供应链的安全。
长期来看,CIS将会跟半导体整体市场保持基本一致的增长。Yole预测,未来5年的增长率约为5.4%,到2026年市场规模将达到284亿美元。今年相对平稳,但2022年将会有9%的增长。虽然手机市场增长不明显,但汽车、安防和工业医疗等市场都有超过10% 的增长。
为了让工程师朋友对全球和中国CMOS图像传感器市场及产品有更为完整的了解,ASPENCORE旗下《电子工程专辑》分析师团队分别从5大国际CIS厂商的产品系列中挑选5款CIS芯片,又从5家国产CIS厂商产品系列中挑选5款有代表性的CIS芯片。欢迎大家通过微信投票评选出“中国工程师最喜欢的10大CMOS图像传感器芯片”。
Top 5国际CMOS图像传感器
索尼智能视觉传感器IMX 500/501
IMX 500/501是索尼发布的两款具备AI处理功能的智能视觉传感器,可在实现高速边缘AI处理的同时只提取必要数据,从而减少使用云端服务时的数据传输延迟,保证隐私安全,并降低功耗和通信成本。IMX 500是裸片,而501是封装产品,这种图像传感器拓宽了AI摄像头的研发空间,可广泛应用于零售和工业设备行业,并有助于构建与云端连接的优化系统。
该芯片采用背照式进光,有效像素约为1230万,可以捕捉广阔视角的图像信息。除了传统的图像传感器操作电路外,其逻辑芯片还配备了索尼的DSP(数字信号处理器),专门用于AI信号处理,并可存储AI模型。这种配置无需高性能处理器或外部存储,使其成为边缘AI系统的理想选择。
IMX 500/501性能参数列表如下:
该芯片采集的信号通过ISP(图像信号处理器)进行处理,并在逻辑芯片的处理层进行AI运算,将提取的信息作为元数据输出,可以减少需要处理的数据量。同时,不输出图像信息有助于降低安全风险和保证隐私安全。除了传统图像传感器捕捉的图像外,用户还可以根据自己的需要和用途选择数据输出格式,包括ISP格式输出图像(YUV/RGB)和ROI(感兴趣区域)特定区域提取图像。
当使用传统的图像传感器录制视频时,需要发送每一帧的视频数据进行AI处理,导致数据传输量大,难以实时呈现结果。这种传感器产品在逻辑芯片上进行ISP处理和高速AI运行(MobileNet V1*1 3.1毫秒处理),在一个视频帧内完成整个过程。这种设计可以在录制视频的同时保证高精度、实时的目标追踪。
三星GN2
三星ISOCELL GN2 CMOS传感器拥有5000万像素,单个像素面积为1.4μm,大小为1.12英寸。它支持智能 ISO Pro、Dual Pixel Pro(双像素增强)以及像素四合一(Tetracell)多项技术。如果用户需要1亿高像素输出,GN2还能通过智能算法,输出红色、绿色、蓝色像素三张不同的单帧图像,然后把它们合成为一张1亿像素照片。此外,GN2还支持Staggered HDR、8K视频、4K120P视频多项特性。
GN2传感器面积达到了1/1.12英寸,已经很接近1英寸大小,比索尼IMX 700(1/1.28英寸)还要大。它可支持像素四合一组成2.8um超大像素,从而吸收更多光线,拍摄出更明亮、更清晰的照片。
在对焦方面,ISOCELL GN2是三星首款支持Dual Pixel Pro(双像素增强)技术的传感器,每个像素可以分为左右两半,使用相位差自动对焦。双像素增强技术还可以跟四合一像素技术相结合,GN2也是首款同时支持2个技术的传感器,无论任何场景下都可以快速对焦。
SK海力士A4C传感器
SK海力士研发的A4C(All 4-Coupled)图像传感器在读取色彩信息的同时,可利用每个像素的视差,提高图像质量和自动对焦。A4C可以实现快速准确的对焦检测、高分辨率图像,适合多种应用场景。
A4C传感器的自动对焦功能基于这样一种机制:如果来自物体的不同光线汇聚至一个焦点,则物体处于对焦状态;如果来自物体的不同光线未能汇聚至一个点,则物体处于失焦状态。与现有的PDAF技术相比,A4C传感器能够计算每个像素的视差。换言之,A4C传感器具有很高的精度,在低于10 勒克斯(lux)的弱光环境下也可以确保10倍以上精度。与利用双眼视差的PDAF技术不同,A4C传感器利用的是微透镜下方位于上下左右四角的四个像素的视差。因此,A4C传感器拥有非常出色的对焦检测性能,能够准确检测水平或垂直方向的物体。
A4C传感器的输出图像能以每个微透镜下四个像素为一组的方式提高感光度,或通过将各个像素独立输出的方法来提高图像分辨率(例如,A4C可以输出5000万像素分辨率的图像或1250万像素微透镜分辨率的图像)。如果传感器将每个微透镜下四个像素作为一组生成输出图像,图像分辨率会降至单独使用每个像素时的图像分辨率的四分之一。但是,四个像素一组的方法可以将感光度提高四倍。因此,在夜间、弱光环境等光线不足的情况下,微透镜分辨率(Micro lens resolution)传感器的优势更为明显。
除了精准对焦检测和捕捉高分辨率图像外,A4C传感器的优势还包括它可以应用于一系列光场成像场景。光场成像是一种再现物体射线分布的技术,可以计算场景中的光线强度和光线源头的精确方向,并将这些信息用于背景虚化(Bokeh)、再对焦(Refocus)和多视角(Multi-view)等计算机视觉应用。
安森美AR0231AT
AR0231AT 是一款 1/2.7 英寸 CMOS 数字图像传感器,带有1928Hx1208V有效像素阵列。它具有LED 闪烁抑制 (LFM)功能,可消除交通标志和车辆 LED 照明中的高频 LED 闪烁,让交通标志读取算法能够在所有照明条件下运行。AR0231AT 使用最新的3.0微米背面照明 (BSI) 像素和安森美的DR-Pix技术,可提供双重转换增益,提高所有照明条件下的性能。它在线性、HDR 或 LFM 模式下捕捉图像,可提供模式之间的帧到帧上下文切换。AR0231AT 还包含了支持 ASIL B 的功能。
高动态范围:在1928×1208和30 fps时具有4曝光HDR,或在1928×1208和40 fps时3曝光HDR;
数据接口:4−lane MIPI CSI−2, Parallel, 或4−lane High Speed Pixel Interface (HiSPi) Serial Interface (SLVS and HiVCM);
具有灵活曝光比控制功能的高级HDR
可以选择自动或用户控制黑色控制
帧到帧切换,支持多功能系统
支持扩散频谱输入时钟
支持多相机同步
多CFA选项
AR0231AT适用于汽车和ADAS应用,比如1080p30视频终端、高动态范围成像仪,以及ADAS + Viewing Fusion等。
ST VG5761
这种车规级全局快门传感器分辨率为2.3Mp,3.2μm像素,采用IM2BGA封装,具有HDR和超低噪声功能,在近红外(NIR)场景中可以最小化交叉干扰。VG5761传感器适合高性能计算机视觉应用。
其功能特性如下:
获得AEC-Q100二级汽车认证;
高动态范围(高达98dB线性)和高密度电荷存储;
3.2 µm 像素 GS-HDR、单色、可见光和红外光谱
光学格式:75 fps 下1.6 MP (1464 x1104) ,1/3”光学格式和微镜头;60fps 下2.3 MP (1944 x1204) ,1/2.5 英寸光学格式带微镜头;
即使在近红外(完美的像素封装)下仍具有非常高的MTF;
带数字 CDS 的低噪声11位ADC;
从 RAW8 到 RAW16 分辨率的线性或压缩输出;
输出接口:Mipi CSI-2 (4 x 0.8 Gbps)、并行12位(100 MHz)、相机控制接口(CCI);
支持机器视觉应用;
像素内 HDR 和背景底色模式,具有灵活的频闪照明控制;
多达 4 个 LED 控制输出,与传感器集成周期同步;
4 帧上下文可编程序列;
主/从外部帧启动控制;
嵌入式 16 位视频处理管道,具有像素缺陷校正、高动态范围 (HDR) 合并与重影消除以及动态可编程压缩;
镜像/翻转/裁剪;
支持 2 和 4 二次采样;
支持按 2 和按 4 分箱;
集成双温度传感器;
工作结温为 -40 °C 至 125 °C;
采用符合汽车标准的 IM2BGA 塑料封装;
用于可见光和红外应用的大光谱镜片,带有双增透膜;
支持ASIL B,例如CPU 冗余、嵌入式完全自检、内存和寄存器 ECC、安全管理器和电压监控;
单色微透镜(针对 20 °C 和 0 °C 优化的最大 CRA)
Top 5国产CMOS图像传感器
豪威OV60A
作为全球首款0.61微米像素高分辨率CMOS图像传感器,OV60A提供6000万像素分辨率,像素尺寸仅为0.61微米,在同类产品中是最小的。OV60A采用1/2.8英寸光学格式,长宽比配置为4:3或16:9。OV60A上的四合一彩色滤光片阵列使用近像素合并功能以四倍的灵敏度输出高达1500万像素的图像,为预览和原生4K视频提供相当于1.22微米的等效性能,并具有电子图像稳定(EIS)所需的额外像素。这款传感器还支持用于“常开”感测的低功耗模式,与手机的人工智能功能配合使用时,可以节省宝贵的电池寿命。
性能参数如下:
自动黑电平矫正(ABLC)
可编程控制用于帧率、镜像和反转、分箱、裁剪和视窗
支持动态DPC
输出格式支持:正常模式10位RGB RAW、ULP模式8位RGB RAW
支持水平和垂直二次采样
支持环境光感应(ALS)模式
支持超低功耗(ULP)模式
多达4路MIPI D-PHY TX接口,速度高达3.0 Gbps/路
2/3三重C-PHY接口,速度高达3.0 Gbps/trio
标准串行SCCB接口
HDR支持:交错HDR 2/3曝光时间
为了提高分辨率,同时降低像素尺寸和光学格式,OV60A采用豪威科技的PureCel®Plus-S晶片堆叠技术。与上一代0.7微米像素相比,新的0.61微米像素面积减少了24%,但是量子效率(QE)更高,串扰和角响应更好。OV60A能够以60帧/秒的速度输出具有EIS分辨率的1500万像素或4K/2K视频,并支持交错式HDR定时,以实现高动态范围视频。“常开”的低功率模式包括用于唤醒的环境光感测模式以及低功率流模式。这款传感器还支持双I/O电压轨(1.8V和1.2V)以及CPHY接口。
OV60A适用于智能手机、PC多媒体和视频会议等。
思特威SC132GS
SC132GS采用思特威SmartGS技术,具有130万BSI像素以及 2.7μm*2.7μm的光学尺寸,它拥有120fps高帧率,支持多种接口(MIPI/LVDS),采用COB/Fan-out封装形式,感光度可达7000mV/Lux·s。
出色的快门效率(>99.99%)
支持单帧HDR
近红外环境下拥有超高感度(QE@940nm>40%)
120fps 高帧率
基于BSI Stacked工艺的全局快门技术
SC132GS搭载了单帧HDR技术,并结合改进的PRNU性能和拐点偏差校准功能,确保图像传感器在复杂的应用(运动)与光照场景下对于图像信息的精准捕捉,并在同类已有产品中拥有最高的QE性能数据。通过多种领先的技术优势结合,SC132GS在缩小像素尺寸和降低功耗的同时大幅优化了快门效率及感光度,减少漏光和噪声,并解决了包括“果冻效应”在内的诸多机器视觉成像问题。
SC132GS可为智能终端及时提供无形变、无伪影的高清可识别影像,为系统进行精确判断提供坚实的基础,目前在已应用于消费级人脸识别、无人机避障识别、智能翻译笔以及扫地机器人等智能终端。
格科微GC2053
格科微安防和车载高清感光芯片GC2053是一颗感光区为1/2.9英寸的全高清规格CMOS图像传感器,单个像素达到2.8*2.8微米,可通过DVP或MIPI接口实现30帧每秒的稳定输出。
其实安防和车载等领域的摄像头应用与手机端有很大的区别。很多监控摄像头会安装在室外的环境,汽车也会长期遭受烈日暴晒。因此,图像传感器的工作温度经常会超过60℃,甚至更高。此外,监控和汽车运行的场景很多时候都发生在夜晚,那就对图像传感器在暗态下的性能表现也提出了很高的要求。如何去控制或解决在以上应用环境中产生的噪声、黑点、感光以及稳定性方面的问题,改善传感器成像质量,提升消费者使用体验,成为一款安防或车载产品能否成功的关键点。
从2018年开始,格科微对非手机领域产品的战略投入持续加大,配备独立的研发团队,应用其先进的像素工艺和电路设计工艺成功开发了一系列高性能产品。在高温场景下,格科微产品通过降低Si界面缺陷, 抑制热电子的捕获与释放, 从而达到降低暗电流与热噪的效果(暗电流降低15%, 热噪降低10%)。在低照环境下,GC2053产品采用暗信号读出增强技术,可以保证光生电子的全部读出, 从而降低黑点与暗信号非均匀度(DSNU)。实测表明,DSNU 降低了20%。
长光辰芯GMAX32152
长春长光辰芯光电技术有限公司最新推出的GMAX32152是一款1.52亿像素分辨率、全局快门CMOS芯片。GMAX32152是该公司GMAX系列像素分辨率最高的一款产品,也是目前市场上已知的分辨率最高的全局快门CMOS芯片。
GMAX32152与长光辰芯已经发布的GMAX32103(103 MP)采用相同的像素平台,其满阱容量可以达到9.3ke-,噪声水平为4e-,使得其动态范围可达67.3dB。该芯片采用38对sub-LVDS进行数据输出,单通道速率为960 MHz,总数据率高达36.48Gbps ,采用12bit ADC,最高帧频达16帧/秒,同时支持通道合并功能可灵活适配在多种工业相机接口。
GMAX32152采用183针µPGA陶瓷封装,外形尺寸为68.2mm x 52mm,其封装背部留有较大空白空间,以方便相机进行散热设计。
锐芯微BG0808
锐芯微BG0808 是一款1/2.7英寸、2M BSI超低照度图像传感器,有效像素为1928H x 1088V。它采用3uBSI像素,拥有极佳的感光灵敏度和信噪比,同时还支持2帧Stagger HDR曝光方式。它可实现高动态范围,最高支持60fps高帧率,同时支持单帧和多帧的曝光触发;MIPI/DVP图像输出接口经过特别的优化,芯片面积和功耗大大提升了费效比;高温度工作范围,完美适应苛刻的工作环境。
其功能特性如下:
3um*3um 高灵敏度BSI pixel
单帧和多帧的触发曝光操作
支持最多2-lane MIPI接口
自动黑电平矫正
最高60fps@full frame
ADC量化精度最高12bits
BG0808适用于高端监控、行车记录仪和网络摄像机等。
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传感器技术大爆发:被列为十大科技之首,重要性堪比芯片
未来中国最需要发展的科技是什么?
是芯片还是5G技术?
它们可能都有,但是这些重要的技术都离不开一件不起眼的设备:传感器。
传感器有多重要?
日本在上世纪就将它列为十大科技之首,他们的工商界给出评价:谁支配了传感器,谁就能支配了新时代。
中国、美国、德国等世界将传感器列为未来重大科技项目,拼命想要在传感器上实现技术突破,足以说明它的重要性。
很多人可能很好奇传感器到底是什么,为什么一件普通人都很陌生的设备,会被全世界大国如此重视呢。
今天我们简单科普一下传感器技术,以及它是如何改变世界的。【文字版:传感器有多重要】
传感器是何方神圣?
为了方便理解,我先科普一下传感器的概念。
简单来说传感器可以从它的字面意义来理解,就是一种感应和转化的设备,它能检测到温度、声音、光线等信息,然后将它们转化为机器上面的电流、电压(等电信号)等,有了它,人类生产出来的机器才能实现智能化。
我们举个例子:手机有很多功能,它可以拍照、打电话、玩游戏,对吧?
那这些功能是怎么实现呢?其实就是传感器检测到手机外面的一些信息,然后把它们转化成电流,这样我们人类才能操控手机。
比如说拍照的时候,就是镜头捕捉到物体的光线,然后把它传到图像传感器上,传感器检测到对应的光线,然后将它转化成电信号,再经过处理和显示,这就变成我们手机上看到的照片。
所以图像传感器就相当于手机的眼睛,是拍摄的核心部件。
手机上还有不同的传感器,它们可以把声音、压力等信息转化成电信号,就实现了通话、指纹解锁等功能,如果说芯片是手机的大脑,那么传感器和网络就是手机的五官和神经,一个用来转化成电信号,一个用来传输信息。
如果说没有传感器,现在的智能手机连大哥大都不是。
所以,传感器和计算机、通信技术成为现代信息技术的三大基础,而且传感器在未来的地位会逐渐超过其他两个,被专家认为是物联网的核心技术,将改变现在和未来的世界。
这句话是不是夸张呢?它又是如何改变世界的?
中国古代的传感器
这,还要从中国古代说起,大家都知道中国很早就发明了指南针,那时候还叫做司南,它其实就是一种传感器,指针可以感应地球的磁场,然后指明方向,指南针后来传入欧洲,并且促成了欧洲大海航时代,加快了整个世界的融合。
说它改变世界进程,其实并不为过吧?
类似指南针的传感器还有地动仪、日冕仪、温度计等,这些发明也都在某种程度上改变人类的生活,也就是说传感器从很早之前,就是已经在影响世界了。
但这个还不能说明传感器的重要性,因为当时并没有传感器的概念,而是作为整体呈现给大家。
传感器真正独立存在,并且展现出它的作用还要从20世纪中期开始算,而且每一次技术更新迭代,传感器作用就变得越来越重要。
传感器技术迭代
第一代传感器是:结构传感器,诞生于20世纪50年代,是第一次工业批量生产的传感器,比较典型的代表是:电阻式传感器,它90%都用称重上面,大概长这样:。
像体重计就是称重的一种,我们人站上去的时候,指针会发现变化或者显示一个体重。
它的原理也很简单,这中间是金属材料做的,可以导电,我们人站上去,这个金属就会发生形状变化,形状变化又会引起电阻和电流的变化,这样指针或者数字就会发生变化。
基本每个宝宝刚出生都需要先称量体重,可以说是人类第一个接触的电子产品就是这个了,说它影响我们每个人,没毛病吧?
当然这个时期的传感器比较粗糙的,作用也有限,后来有些头脑比较聪明的人就想:这些金属能不能换成其他的东西,比如说对光比较敏感的材料,是不是可以把转化成做成电信号?
答案是当然可以了,我们上面说的图像传感器的核心元件就是光敏传感器,于是在上世纪70年代的时候,物理传感器就诞生了。
那么既然物理传感器可以把碰不到、摸不着的光转化成电信号,那么有温度的热量可以转化成电信号吗?如果热量也可以,那么声音、磁场等其他物理特性可以转化成电信号吗?
答案也是可以的,所以传感器的材料从金属发展到半导体、电介质 、磁性材料等等各种固体材料,,它的结构很简单,主要是敏感元件和转换元件,顾名思义,敏感元件就是用来感应(检测)外界的信息,转化就是将感应到的信息转化成电信号。
第二代传感器就比第一代丰富得多,不仅种类多,而且功能也越来越多,像我们生活中常见的开关,以前只有手动的,现在有声音感应的、感光的,还有触屏的,用的都是不同的传感器,还有军事领域的雷达也是,有红外线传感器、毫米波雷达,红外线雷达等等,也是不同的传感器。
这些传感器又做成了各种各样的检测设备,传感器也开始进入人类各个领域,这个时候产业界已经认为没有传感器检测各种信息,,那么现代科学技术,就不能得到发展。
但是这还没完,人类对科技的追求是无止境的,各种设备的功能不断增加,对传感器的需求也越来越多,一个设备里面可能要求有多种功能,这个时候可能一台设备就需要安装多种传感器。
比较典型的就是屏幕,以前屏幕只要可以触摸或者滑动就可以操控手机等设备,现在屏幕还需要指纹解锁等功能。
但是呢,要满足这么多功能,就遇到了一个致命的问题:体积太小的设备安装不了很多传感器。
为了解决这个问题,人们就想了个办法,能不能把多种传感器重组下来,集成到同一个传感器里面?于是集成传感器就诞生了,人们把很多个传感器组合在一起或者把传感器和其他元件组合在一起。
比较常见的手机指纹传感器,它是由光、压力、温度等等多种传感器集成的。
但是这依旧没完,后来人们就思考,既然传感器可以和传感器组合,那么传感器能不能和其他高科技结合一下,让传感器性能变得更加优秀一点?
答案也是可以的,于是集成传感器芯片也出现了,它将传感器与小型的芯片等元件组合在一起,这样传感器不仅能感应和转化信号,而且还能处理信号,性能得到提升,这就是第三代智能传感器的前身。
可以说集成传感器的出现,把传感器推向了新的高度。
这个时候的传感器到底有多重要,普通人很难看懂,但是举个例子大家就知道了。
一台手机至少有十几个传感器,一辆高档轿车有200多个传感器、一辆飞机有1000多个传感器、而我们常见的高铁的传感器竟然可以达到5000多个。
传感器隐藏在每一个设备里面,没有它,不管是高铁还是飞机,甚至宇宙空间站都得歇菜,
美国著名杂志《福布斯》做过评选,他们列出改变世界和人们生活的10大科技产品,而传感器列排在首位。
这才有了开头的日本商业界那句话:谁支配了传感器、谁就支配了新时代。
但是你以为传感器的辉煌就到此为止了吗?那你就太小看它了。
传感器的逆袭从未停止,集成传感器是硬件性能的巅峰,但是有些专家还不满足,就在思考既然传感器能集成硬件,那么能不能将软件技术也组合进来?进一步提升再次传感器的性能?
答案依旧是可以,这就是第三代传感器:智能传感器,它集合了软硬件的优势,将传感器的性能再提升一个档次。
如果说互联网时代,传感器与芯片的地位并驾齐驱,那么在物联网时代,专家将传感器的地位再次提高,排在芯片的前面。
2018年美国麻省理工大学在评选全球突破性技术时,将“智慧传感城市” 列为十大最具代表性的技术之一,
说起“智慧城市”,你知道未来十年,它将消耗多少个传感器吗?答案是:400亿个,是不是超出大家的想象?
其实传感城市还不是传感器的终极应用,万物互联才是,专家一致将智能传感器看做互联的基石,
想要互联就需要网络的世界与现实世界实现连接,而传感器就是连接的桥梁,这也是我们普通人的一个机会,谁支配了传感器,谁就支配了未来。
好了,我是熊猫,我们下期见。
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