IC Insights报告显示，到2022年CIS（CMOS图像传感器）市场将出现13年来的首次下滑，预计销售额将下降至186亿美元。2009年以来，CIS乘着手机从后置单摄像头迈向双摄、多摄的东风，缔造了连续十二年增长的不败纪录。今年以来，全球手机出货量持续低迷，市调机构对CIS也不再维持从前的乐观预期，13年来首次给出下滑判断。但是，国际国内CIS厂商并没有放慢产品迭代的脚步，并加速向车载、医疗市场延伸，VR/AR、元宇宙等新兴市场也成为头部厂商的布局方向。

最大增长动力转弱

2001年，诺基亚发布了其第一款搭载内置摄像头的手机Nokia 7650，出乎消费者意料的是，在这个内存4MB、显示像素仅有176x208的手机上，配置了一枚30万像素的摄像头。在手机以通信功能为主偶尔能玩几个像素游戏的时代，这款手机引燃了国内外消费者对于手机拍照功能的关注和期待。此后，拍照逐渐成为手机的标配，百万像素、双摄时代、多摄时代接踵而至，如今1亿像素的主摄配置也逐步成为旗舰机型的日常。

作为将光信号转换为电信号的主流装置之一，CIS腾飞的十二年，就是手机从单摄向多摄发展的“黄金时代”。更多的摄像头与更高的像素要求，直接拉动了CIS出货量和利润表现。此外，5G等新兴技术的到来和新型应用的不断涌现，也推动CIS走上了“康庄大道“。

群智咨询（Sigmaintell）创新事业部资深分析师徐晶晶为记者列举了CIS增长的多方面原因。一是技术进步，5G普及提升了用户对于视频拍照的功能需求，以及CIS技术突破性发展促使智能手机、安防、车载等应用拥有持续升级动力；二是产业链竞争激烈，产品不断迭代更新以保持竞争力；三是功能应用多元化，短视频、VLOG等风靡网络的拍摄形式，促使拍摄需求的进一步提升，进而推动CIS需求增长。

在国内市场，安防产业的发展也为CIS注入了强劲的增长动力。麦姆斯咨询创始人兼CEO王懿向《中国电子报》记者指出，2010年以来，我国高度重视城市化和城镇治理问题，推出了平安城市、智慧城市等系列项目，大规模安防监控基础设施的建设给我国CIS行业带来了强劲增长。

虽然CIS正在向手机以外的更多市场发展，但智能手机依然是CIS最大的销售来源，对于CIS的出货有着关键影响。Canalys数据显示，全球手机出货量从2021年第四季度起出连续下滑了三个季度，虽然2022年第三季度环比有所上升，但和去年同期相比仍有9%的下滑。此外，2020年下半年露出苗头的全球性芯片短缺导致产能需求提前释放，也对CIS的出货表现造成影响。群智咨询数据统计，2022年全球手机图像传感器出货量约为47.1亿颗，同比下滑约12.2%。

“今年以来，新冠肺炎疫情反复及地缘摩擦导致消费动力不足，智能终端需求下滑。2020年以来芯片供不应求引发的恐慌情绪致使产能需求提前释放，2022年供应链库存水位高涨，导致2022年CIS出货下滑。”徐晶晶向记者表示。

向高成长性市场渗透

CIS的增长逻辑是影像技术在更多领域的应用和用户对影像体验的更高追求。在手机、安防之后，汽车无疑是对视觉技术需求最大的应用领域之一。

智能化趋势下，单车摄像头已多达十几个。思特威（上海）电子科技股份有限公司技术副总裁胡文阁指出，CIS在智能车载方面的应用主要分三个方向，一是车载影像类应用，为驾乘人员提供辅助参考，需具备夜视全彩和低功耗。二是车载感知ADAS，需要有效识别交通信号，特别是LED交通灯和指示牌等动态刷新的内容，具备出色的HDR性能和夜视全彩功能。三是舱内应用，包括驾驶员监测、乘员监测、行车记录仪等，可以识别驾乘人员的身份，实现座椅、温度控制、音响的自适应调整。

在智能驾驶技术的驱动下，汽车对CIS的像素要求也迅速攀升。王懿表示，随着高级辅助驾驶及自动驾驶应用的CIS对感知图像性能、图像识别的要求不断提升，汽车CIS的分辨率也像手机CIS一样，经历向更高像素的产品发展的过程。例如ADAS前视摄像头要求探测更远距离的汽车和行人，并提供更加精细的感知能力，以供算法平台识别处理。数据显示，以往的200万像素及以下CIS最远探测距离是120m，远不够高速行驶时准确识别远处物体。整个行业正在积极开发和部署800万像素的汽车CIS，将最远探测距离提升到250m。

同时，CIS凭借高速度、高分辨率、低功耗、小型体积、高性价比等优势，逐步成为内窥镜的图像采集核心部件。韦尔股份在2022年上半年财务报告中指出，微创诊断和治疗过程需求推动了内窥镜成像解决方案的医疗市场迅速增长。技术发展逐渐推动行业从棒形透镜、纤维内窥镜和电荷耦合装置图像传感器转向使用基于CMOS的尖端芯片图像传感器。中商产业研究院数据显示，全球医用内窥镜市场规模由2016年178亿美元增至2020年203亿美元，预计2022年将增至227亿美元。

另一个值得关注的新兴领域是AR/VR及元宇宙。王懿表示，MR/AR/VR设备是元宇宙的重要基础设施，有望成为“元宇宙”的入口，也将成为CIS市场未来的驱动力。Omdia预计，随着VR设备追踪方案从outside-in 走向inside-out，VR将依靠自带的摄像头和传感器完成空间定位和人机交互。由于元宇宙对交互质量的高要求，未来消费级VR头显设备将至少配备6个不同种类的摄像头，包括2个定位摄像头、2个眼球追踪摄像头、1个ToF摄像头和1个RGB摄像头，分别用来完成inside-out 追踪设备自身定位、眼球追踪、手势追踪，以及能够通过头盔看到真实世界的透视功能。如果VR手柄采用视觉定位方案，摄像头的数量还会更多。Omdia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。

新的驱动力是硅含量

智能手机市场下降了 10%，但事实证明 CIS 的销售额相对具有弹性，而内存等其他半导体产品则下降了 12%。主要原因是技术上的，因为我们目前正在经历 90nm 到 40nm 节点晶圆的供应有限，CIS 的主要节点和支持逻辑晶圆。这些传统节点的价格大幅上涨，因此我们观察到 CIS 的平均售价 (ASP) 继续保持高位。

同时，我们注意到产品组合转向更高分辨率和更大的光学格式；这意味着每个芯片更多的硅和更高的平均售价。在这方面，大型智能手机 OEM 有不同的做法；Apple和小米倾向于12Mp到48Mp的大像素分辨率，这似乎是超高端青睐的方式，而三星、Oppo和vivo则将分辨率提高到64Mp甚至108Mp的小像素，这似乎是中端偏爱的方法。因此，市场受过相对良好的教育并理解好图片的含义，正如我们与 DXOMARK 一起发布的“超高端旗舰智能手机图像性能：2021 年终端用户视角”中所述。

今年，索尼和 OmniVision 都展示了三层堆栈的产品。这有两个技术原因。首先，“像素内连接”允许从上晶圆层移除一些晶体管并将它们移动到第二晶圆层。这提高了每个像素中感测硅的体积。该技术有助于优化信噪比 (SNR)，这是提高图像质量的关键因素。第二个原因是三重堆叠可实现高性能传感。微型 AR/VR 相机等新用途必须超越当前的滚动快门 (RS) 方法，并使用全局快门 (GS)、飞行时间 (ToF) 甚至基于事件 (EB)相机。所有这些都需要比 RS 方法更多的每个像素晶体管，因此，第二个 CIS 层在超紧凑型传感相机的驱动中非常受欢迎。这些三层图像传感器的市场份额将会增长，这将再次增加每台相机不断增加的硅含量。这一趋势为 CIS 的持续改进和市场增长开辟了道路。

谁能接替CIS？

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 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。

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)。

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。

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。

文章来源： 半导体芯闻，半导体产业纵横，中国电子报