CIS工作原理、結構、曝光方式、應用場景、市場規模及格局分析

預計2025年全球銷售額330億美元，汽車電子或為增長最快領域。

1.CIS（CMOS圖像傳感器）：攝像頭模組的核心元器件

CIS（CMOS Image Sensor，CMOS圖像傳感器）是一種光學傳感器，能夠將接收到的光信號轉換為電信號，并將電信號轉換成數字信號。一個典型的攝像頭模組主要由鏡頭組、圖像傳感器和PCB板等器件構成。作為當前圖像傳感器的主要種類，CIS在攝像頭中起到“光-電-數字信號”轉換的橋梁作用，是攝像頭模組的核心元器件。CIS集成度較高，通常由像素陣列（光電二極管）、行/列驅動器、時序控制邏輯、AD轉換器、數據總線輸出接口、控制接口等幾部分組成。與CCD圖像傳感器相比，CIS具有成本低、能耗低、數據處理速度快等優點，更適合應用于手機攝像、智能車載、安防監控等領域。

CIS的工作原理可分為“光-電轉換”、“電-數字轉換”和“數字信號預處理”三個部分。 Ø 光-電轉換：外界光通過微透鏡照射到像素陣列上發生光電效應，在像素單元內產生相應的電荷，形成以電壓值表示的模擬電信號。Ø 電-數字轉換：邏輯單元根據需要選擇相應的像素單元，并將單元內的模擬電信號傳輸到對應的模擬信號處理單元以及AD轉換器轉換成數字圖像信號。Ø 數字信號預處理：數字放大器等部件會將數字圖像信號進行一系列預處理，并通過傳輸接口將圖像信息傳送給平臺接收。

2.CIS結構：前照式（FSI）、背照式（BSI）、堆棧式（Stacked）

CIS根據感光元件安裝位置，主要可分為前照式結構（FSI）、背照式結構（BSI） 和堆棧式結構（Stacked）。

前照式結構（FSI）：采用自上而下的五層結構，分別是透鏡層、濾光片層、線 路層、感光元件層和基板層。當光從正面入射，采用FSI結構的CMOS圖像傳感器需 要光線經過線路層的開口，方可到達感光元件層然后進行光電轉換。FSI的主要優 點是其工藝條件相對較易實現、制造成本相對較低，但若要實現優良的性能則需要 較高的設計能力。

背照式結構（BSI）：將感光元件層的位置更換至線路層上方，感光層僅保留感 光元件的部分邏輯電路。采用背照式結構，光線可以從背面入射直接到達感光元件 層，電路布線阻擋和反射等因素帶來的光線損耗大幅減少。與FSI相比，BSI的感光 效果顯著提升，但設計和工藝難度均較大且成本較高。

堆棧式結構（Stacked）：在BSI的基礎上，上層僅保留感光元件而將感光元件 周圍的邏輯電路移至感光元件下層，再將兩層芯片疊在一起，芯片的整體面積被極 大地縮減，同時可有效抑制電路噪聲從而獲取更優質的感光效果。

采用堆棧式結構的CMOS圖像傳感器可在同尺寸規格下將像素層在感知單元中的面積占 比從傳統方案中的近60%提升到近90%，圖像質量大大優化。同理，為達到同樣圖像質 量，堆棧式CMOS圖像傳感器相較于其他類別CMOS圖像傳感器所需要的芯片物理尺寸則 可大幅下降。

3.CIS曝光方式：卷簾快門（RS）、全局快門（GS）

根據快門曝光方式不同，CIS可分為卷簾快門（Rolling Shutter，RS）和全局快門（Global Shutter，GS）兩大類。 l 卷簾快門（RS）：通過控制光敏元逐行或逐列進行曝光，掃 描完成所有像素單元的曝光。卷簾快門在感光度以及低噪聲 成像上較全局快門有一定的優勢，但需要一定的曝光時間， 更適用于遠距離拍攝靜止或移動速度較慢的對象。 l 全局快門（GS）：可使全部光敏元像素點在同一時間接收光 照。在此過程中，快門的收集電路切斷器會在曝光結束時啟 動以中止曝光過程，曝光在一幀圖像讀出后才會重啟。全局 快門是高速攝影等應用場景下的最佳快門方式，但其相比于 卷簾快門讀出噪聲較高。

4.CIS應用場景：智能手機、安防監控、汽車電子、機器視覺

智能手機：CIS全球最大的應用市場；要求CIS在保持良好攝影效果的同時縮小芯片尺寸和降低能耗，對CIS的設計和制造技術有較高要求。汽車電子：近年來已經大規模地被安裝在智能車載行車記錄、前視及倒車影像、360°環視影像、防碰撞系統之內；要求CIS在穩定性和壽命上通過車規級標準，且要保證高感光能力、高動態范圍、LED閃爍抑制等功能。安防監控：CIS市場增長較快的新興行業領域之一；對于CMOS圖像傳感器在低照度光線環境成像、高動態范圍HDR、高清/超高清成像、智能識別等成像性能方面提出了更高的要求。 機器視覺：包括傳統工業領域與新興視覺領域，近年來高速增長的新興視覺領域對CIS在高清、高幀率和無畸變性能上提出了較高要求。

5.CIS市場規模：預計到2025年達330億美元

預計2021-2025年全球CIS銷售額CAGR達11.9%，汽車電子成為增長最快領域。近年來隨著背照式和堆棧式技術的不斷推進，CIS從智能手機市場逐漸向汽車電子、安防監控和機器視覺等諸多細分市場覆蓋。據Frost&Sullivan數據，全球CMOS圖像傳感器銷售額從2016年的94.1億美元快速增長至2020年的179.1億美元，CAGR為17.5%。預計全球CIS銷售額在2021-2025年間將保持11.9%的年復合增長率，2025年全球銷售額預計可達330.0億美元。同時，Forst&Sullivan預測到2025年，汽車電子和安防監控將成為增長最快的兩大領域，相較2020年市場份額預計分別上升4.8pct和1.2pct。

6.CIS競爭格局：2023年前五名市場份額合計86%，索尼占45%

據Yole Intelligence數據，2021-2023年占據全球CIS市場銷售份額前五名的企業為索尼 （2023年占45%）、三星電子（19%）、豪威科技（11%）、安森美（6%）、意法半導體（5%）： l 索尼：成立于1946年5月，主要從事用于消費、專業和工業市場以及游戲機和軟件的各種電子設備、儀 器和設備的開發、設計、制造和銷售，旗下的CIS業務部門是索尼盈利的業績支柱之一。憑借橫跨消費 電子、安防、工業等領域完善的產品線，索尼多年來位居市場第一，并在高階CIS市場保持較為顯著的 技術優勢。

三星電子：成立于1969年1月，是一家主要從事電子產品的生產和銷售業務的韓國公司，下設消費電子、 信息技術與移動通信、器件解決方案三個部門，其CIS主要應用于消費電子、安防等領域，并憑借自有 品牌智能手機、平板電腦和其他消費電子設備的市場知名度，占據了較高的市場地位。 l 豪威科技：1995年成立于美國硅谷，是一家領先的數字圖像處理方案提供商，其CameraChip和 AmeraCubeChip系列CIS芯片廣泛應用于消費級和工業級應用，在醫療影像市場、物聯網市場和特種應用 市場等諸多新興領域也表現出快速發展的態勢。豪威科技曾于納斯達克證券交易所上市，后于2016年被 中國財團收購并完成私有化，并于2019年7月由韋爾股份收購。

安森美：1999年成立于美國，是一家應用于高能效電子產品的高性能硅方案供應商。產品部門包括先進 方案部（ASG）、智能感知部（ISG）及電源方案部（PSG），囊括了電源和信號管理、邏輯、離散及定 制器件等產品，廣泛應用于消費電子、汽車、醫療、軍事等領域，提供獨特且具有性價比的產品。 l 意法半導體：成立于1987年，由意大利的SGS微電子公司和法國Thomson半導體公司合并而成，是世界第 一大專用模擬芯片和電源轉換芯片制造商，是半導體產品線最廣的廠商之一，廣泛應用于分立器件、手 機相機模塊、微機電系統（MEMS）、車用集成電路等多領域。