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ca88百亿美金掀起CMOS传感器争夺战

发布日期:2021-10-14 10:57

  图像传感器是当今应用最普遍、重要性最高的传感器之一。其主要采用感光单元阵列和辅助控制电路获取对象景物的亮度和色彩信号,并通过复杂的信号处理和图像处理技术输出数字化的图像信息。图像传感器中的感光单元一般采用感光二极管(photodiode)实现光电信号的转换。感光二极管在接受光线照射之后能够产生电流信号,电流的强度与光照的强度成正比例关系。

  图像传感器主要分为CCD图像传感器和CMOS图像传感器两大类。CCD和CMOS都是利用感光二极管进行光电转换,将图像转换为数字信号,但二者在感光二极管的周边信号处理电路和感光单元产生的电信号的处理方式不同。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物场效应管)技术作为后起之秀,从90年代开始被重视并获得大量研发资源,逐步赶超CCD(Charge-Coupled Device,电荷耦合器件),当前已经在图像传感器市场占据绝对的主导地位。

  CMOS传感器实际上是一个高度集成的图像系统。当外界光线照射到CMOS传感器上的时候:(1)传感器拥有的像素阵列会发生光电效应;(2)光电效应使得像素阵列上的每个像素单元产生对应外界色彩和亮度的电荷信号;(3)信号会被模数转换电路转换成数字图像信号;(4)数字信号经过集成于同一芯片上的ISP处理后输出。简单来说,CMOS传感器就像一组太阳能电池矩阵,每个像素就是矩阵中的一个电池,每个电池按照前方的亮度和色彩排布进行充电,之后统计每个电池的电量,就能得出对应的亮度和色彩,从而还原出现实的景象。

  CMOS图像传感器近年来增长迅速,已接近全面替代CCD传感器。据IC Insights统计,2017年CMOS传感器销售额占整个图像传感器销售额比例为89%(这一数字在2007年仅为54%),出货量占图像传感器总出货量的81%。

  我们认为CMOS传感器凭借优异的性价比,将继续保持绝对的优势地位,ca88并继续挤压CCD的市场空间。1)CMOS图像传感器芯片采用了适合大规模生产的标准流程工艺,批量生产时,单位成本远低于CCD;2)CMOS传感器将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块基板上,缩小了体积的同时还保持着低功耗和低发热,非常适合移动设备和各类小型化设备;3)相比之下,CCD传感器成本上不具有优势,且体积大,发热大,功耗高,基本无法适用于现今多数电子产品上。

  CMOS传感器今年销售额有望达到137亿美金,同时其出货量将继续保持10%以上年均增速。得益于车载应用、机器视觉、人脸识别与安防监控的快速发展,以及多摄像头手机广泛普及,CMOS图像传感器市场规模不断扩大。根据IC Insights统计,2017年全球CMOS图像传感器销售额为125亿美元,同比增长19%;预计2018年将达到137亿美元,同比增长10%。预计2017-2022年出货量CAGR达11.7%,销售额的CAGR为8.8%。至2022年,CMOS传感器的全球销售额将达到190亿美金。

  手机是CMOS传感器的最大应用市场,汽车、安防等新应用领域高速成长。2017年手机用CMOS传感器市场规模占整体应用市场的62%,达77.5亿美元,预估2022年手机CMOS传感器的市场营收规模将可达86亿美元。而在未来几年,汽车、安防监控、医疗、玩具/电玩与工业等将成为带动CMOS传感器高速发展的主要动力。

  1)安防监控领域:安防监控离不开视觉信息的获取,必须依赖图像传感器,随着整个安防监控行业规模的不断扩大,预估到2020年该领域CMOS图像传感器的市场规模将达到9.12亿美元,占到行业市场份额的6%。

  2)汽车电子领域:是图像传感器增长最快的细分市场,近年来CMOS图像传感器已经安装在汽车倒车影像、防碰撞系统之内,而由于未来的新车将标配ADAS(高级驾驶辅助系统),以及自动驾驶技术的发展,汽车厂商将会为自家车辆产品导入更多摄像头来获取外界信息。而每增加一个摄像头,就需要增加一块CMOS传感器,所以车载应用将是CMOS图像传感器各主要应用市场中增速最快的方向。根据YOLE的最新预测,车载图像传感器市场空间将从2016年的22亿美金增长至2022年的77亿美金,是车用传感器(包括各类雷达、压力传感器、惯性传感器等)中增长最快、占比最高的细分产品。同时,汽车市场也将成为仅次于手机的第二大CMOS传感器应用领域。

  3)医疗/科研领域:以往医疗和科研领域主要使用CCD传感器,随着技术的进步,现今医疗和科研领域则在谋求使用成本更低效果更好的CMOS传感器来替代大部分老旧产品,这一应用领域预计有34%年复合增长率,2020年销售额8.67亿美元。

  4)工业系统领域:随着机器视觉的发展,越来越多的工业生产线会引入图像传感器来提高生产效率和质量,预计该领域年复合增长率18%,2020年销售额8.97亿美元。

  在CMOS传感器的应用场景不断丰富、终端对性能的需求不断加码的背景下,CMOS传感器正在加速技术迭代,各大厂商频频发布新的“黑科技”。以成像质量(尤其是弱光环境)、成像速度这两大基本需求为例,业内已提出了丰富的解决方案:

  1)弱光环境下的成像能力对手机、相机和行业应用图像传感器来说都是一个很重要的能力,尤其是需要全天候运作的安防与车载图像传感器。业界通用的解决方法就是提升传感器面积和进光量,加大单位像素面积。除了这种通法之外,还有使用BSI-CMOS(背照式CMOS图像传感器)和近红外光技术两种方法。

  2)高速传感器能更好的拍摄移动中的物体,提供多帧降噪、慢动作视频拍摄和减少画面失真等功能,对手机拍照、交通监控和汽车自动驾驶领域有重要意义。当相机、被摄对象之间存在高速相对位移时(如拍摄高尔夫球挥杆动作、在行驶的车辆上拍摄路边的灯杆等),画面会出现直线发生弯曲、图像边缘模糊、部分画面曝光错误等问题,这就是果冻效应。而果冻效应的根源就是感光元件无法做到快速采集全部像素,因此,高速传感器应运而生。

  针对果冻效应,目前业界给出两种解决方案:一种是面对手机等消费类电子领域推出的配备DRAM的三层堆栈式图像传感器,通过在传感器上集成的DRAM直接储存数据来完成高速摄影和拍照。另一种是面对行业应用推出的全局快门传感器,相比逐行曝光的传统滚动快门传感器,全局快门能整个传感器同时曝光来撷取不失真的运动物体图像,这对机器视觉和安防领域有重大意义。

  除了对成像质量和成像速度的要求外,还有在医疗领域需要的小型化(豪威的医用内窥镜CMOS传感器仅0.5mm见方);在汽车领域需要的高可靠性高灵敏度;物联网领域大范围应用所需要的低成本等。在技术演进和需求升级的共同推动下,CMOS传感器快速演进。

  CMOS传感器属于典型的可以进行大规模批量生产的半导体产业,规模效应明显,需要较大的前期投入才能产出结果,这也导致了这一行业强者恒强。目前CMOS传感器厂商有数十家,但是据YOLE的统计,在2016年行业前三的厂商索尼、三星、豪威的市场占有率之和达到了72%,市场集中度高。

  索尼稳坐CMOS传感器市场头把交椅,三星和豪威紧随其后。据YOLE统计,行业龙头索尼在2016年占据了42%的市场份额,产品涵盖各个消费类电子到各类行业应用领域,主攻高端市场,技术实力最强。其次是三星,主攻消费类电子市场,多是自产自销,在技术上紧追索尼,已经可以提供与索尼同级别的CMOS产品,但三星的CMOS 在行业应用领域相对较少。第三位豪威科技,在行业应用上有很深的积累,尤其是在车载CMOS领域,市场占有率高过索尼。

  在下游各领域的旗舰和主流产品中,绝大部分采用了三巨头的CMOS传感器方案。可以看到,近期市场热门的几款手机都是采用索尼、三星与OV的CMOS传感器,这三家厂商把持着大部分消费类电子领域CMOS传感器的市场份额。而在汽车和安防等行业应用领域一般都是选用安森美,OV与索尼三家的产品,三星的CMOS一般只见于自家的终端产品上。

  除了占据主流市场的三巨头外,还有定位于特高端、低端市场的两类玩家。但在市场规模以及下游客户群方面,都无法和主流市场相媲美。

  隶属于索尼半导体部门的CMOS传感器业务,已经成为索尼最赚钱的支柱业务之一。早在在CMOS图像传感器大面积应用之前,索尼的CCD图像传感器凭借灵敏度、信噪比等优势,在监控、交通等领域得到广泛应用。随着CMOS图像传感器逐渐成为主流,索尼依靠在CCD时代积累下来的雄厚技术实力,继续领跑。其2016年CMOS传感器销售额达48.58亿美元,占整个半导体部门营收的70%。而在2017财年(2017年4月1日到2018年3月31日)财报中,半导体业务拜CMOS热销所赐,销售额达到了8500亿日元(折合约77.9亿美元),同比增长达10%;营业利润高达1640亿日元(折合15亿美元),创历史新高。

  经过多年发展,索尼在技术上已然领跑业界,产品性能优异,新技术层出不穷,迭代迅速,其他对手短时间内难以撼动其领先地位。在消费类电子领域,索尼最具代表性的技术是堆栈式传感器技术。堆栈式传感器一经推出就受到了移动设备厂商的追捧,索尼也在此基础上进一步研发了带DRAM的三层堆栈式传感器。

  在行业应用上,索尼有STARVIS和Pregius两个主打技术。其中STARVIS主要用于安防领域,是将背照式CMOS的感光度进一步进行增强的技术,不仅增强了可见光的感光度,还提高了监控摄像机利用频度较高的近红外光等宽广波长范围的光的利用效率。而Pregius是索尼对自家全域快门技术(Global shutter)的称呼,其原理是在像素下部增加存储单元,在曝光时所有像素同时曝光并将信息保存到对应的存储单元之中,以避免果冻效应。该技术主要用于工业机器视觉领域。

  在产品上,索尼已经建立了业界最完善的CMOS产品线,涵盖各个领域,把持住中高端领域的市场份额。在消费类电子领域,无论手机还是相机,索尼CMOS已经成了各大厂商最常见的选择和高端产品的标配,例如2017年下半年发布的IMX400系列CMOS,一经推出就受到了各大厂商的追捧,今年年初因拍照能力出众而大放异彩的华为P20 PRO,也采用了索尼最新的IMX600传感器。而在多数行业领域,尤其是在安防和工业视觉这类细分领域上,索尼也属于领导者,只有在部分高端领域仍不及TeledyneDalsa、安森美和e2v这些老牌工业级图像传感器供应商。

  三星的消费类CMOS传感器一直紧追索尼不放,并逐步缩小技术上的差距。如今,索尼面向手机的新CMOS一推出,三星就能紧随其后发布性能表现类似的产品,例如索尼发布三层堆栈CMOS传感器IMX400后不久,三星就推出了对标的产品S5K2L3,并混用在自家的S和Note系列旗舰产品上,性能表现优异。近几年来三星对自家旗舰机主摄像头CMOS都采用混合供货的原则,不同地区不同版本手机分别采用索尼IMX系列和三星ISOCELL传感器。

  2013年,三星推出了ISOCELL技术,使得其CMOS传感器性能有了质的提升。事实上,在Galaxy S5之前,三星传感器基本上只会出现在入门级别千元机;其后三星在Galaxy S5搭载了使用ISOCELL技术的CMOS,其表现得到了市场认可,又恰逢索尼的CMOS出现缺货潮,已有知名度的三星CMOS传感器借此推广,国内的华为、魅族、小米、OPPO等厂商部分机型也开始尝试使用。从此三星CMOS打开了通往中高端市场的大门。

  而在行业应用领域,三星相比竞争对手较为落后。在车载CMOS领域,三星的份额几乎为0,在安防领域等其余行业应用领域,三星的CMOS基本处于自产自销的状态。但是三星CMOS业务背靠的是整个三星集团,在各个产品条线上应用潜力很大。凭借三星集团雄厚的财力和资源扶持,未来三星的CMOS传感器业务有望积累更强的竞争力。

  总体来说,国内的CMOS传感器厂商在规模和技术上与国外厂商还存在一定的差距,产品主要用于中低端消费类电子领域。但是,一些国内领先的CMOS传感器厂商如思比科、格科微等,依托自主核心技术,正逐步扩大份额、向中高端市场渗透。

  思比科微电子技术股份有限公司成立于2004年,是专门从事CMOS图像传感器研发和销售的Fabless厂商。公司基于自主核心技术“超级像素信号处理技术(SuperPix)”和“超级图像处理技术(Superlmage)”开发了大量国内性能领先的CMOS图像处理器。主打低像素CMOS产品,主要产品涵盖了30万像素、130万像素、200万像素和500万像素范围,价格均比较便宜,在中低端市场认可度较高,被广泛用于手机摄像头、平板电脑摄像头和电脑摄像头上。

  已经在中低端领域站稳脚跟的思比科,正谋求向中高端领域进发。2015年后,公司开发了800万像素和1200万像素芯片产品,并成功投放市场,取得了不错的反响,其CMOS产品也打进了一些热门手机的供应链,如360推出的N7手机。

  除上述应用领域之外,思比科在指纹识别、虹膜识别、医疗影像、测绘等高附加值特种传感器芯片方面的研发取得了一些创新成果:

  (1)与合作伙伴合作,思比科研制成功了高精度光学式指纹识别传感器芯片和超薄型光学式指纹识别模组。该技术可提供更高的分辨率和活体特征,大幅度提高指纹识别的安全性。

  (2)虹膜识别图像传感器芯片被合作伙伴用于虹膜识别手机、虹膜识别平板电脑和智能门锁等新产品之中。

  (3)医疗内窥镜CMOS图像传感器芯片应用于心血管微创手术和胃镜内窥镜等医疗设备。

  公司于2015年在新三板挂牌,也是韦尔股份正在推动的资产重组的标的公司之一。公司2016年和2017年营业收入分别为4.61亿元和4.62亿元,净利润分别为292万元和-1488万元。利润降低主要原因是手机市场增长放缓,对中低端CMOS产品的需求减弱,且中低端市场竞争激烈,导致产品售价与毛利率下滑,进而影响了利润。

  格科微成立于2003年,主要从事CMOS图像传感器、LCD驱动芯片、高端嵌入式多媒体SOC芯片及应用系统的设计开发和销售。在成立初期,格科微从电脑摄像头用的CMOS起步,07年起进军到手机领域,借助着中国手机快速成长的一波浪潮,迅速占领了中低端市场。2014年,格科微CMOS图像传感器芯片的出货量超过9.4亿颗,LCD驱动芯片的出货量超过1亿颗,全年销售总额突破3.5亿美金,在国内CMOS图像传感器芯片的出货量排名第一,全球市场出货量排名第二。但在此之后格科微进军高端市场不利,中低端市场面临思比科等的强力冲击。

  国内其他主要CMOS厂商包括比亚迪微电子、长光辰芯、锐芯微等,具体情况见下表:

  豪威科技(Omnivision,简称OV)于1995年于美国加利福尼亚成立,是一家领先的数字图像处理方案提供商。其CameraChip和AmeraCubeChip系列CMOS图像传感芯片广泛应用于消费级和工业级应用。美国豪威于2000年在纳斯达克上市,中国财团于2016年完成对美国豪威的私有化交易,并计划登陆A股。2018年5月,韦尔股份披露公告,重启了对豪威的收购。

  豪威在CMOS传感器市场占有率约12%,与第二梯队拉开了差距。豪威2015、2016年CMOS传感器销售额分别达到12.5亿美元、14.4亿美元(据YOLE统计数据),市占率分别为12.2%和12.4%。这一规模仅次于索尼和三星,是排名第四位的安森美的2倍。

  公司下游应用领域主要涉及智能手机、车载摄像头、医疗摄像头、监控设备、无人机、VR/AR摄像头等方面。根据BDO编写的CCD/CMOS图像传感器市场分析析报告,豪威在安防领域的市占率达56%,在汽车领域的市占率有29%。除此之外,豪威在医疗影像市场、物联网市场和特种应用市场等诸多新兴领域也表现出快速发展的态势。

  豪威作为CMOS领域深耕已久的厂商,具备业内领先的技术实力。截至2018年5月底,豪威拥有4060项专利技术;2017年研发投入超过10亿元,占营业收入10%以上;在全球多地设立了分支机构和研发中心,具有和索尼等一较高下的实力。

  美国豪威拥有近红外(NIR)技术夜鹰Nyxel、高动态范围图像(HDR)等具有核心竞争力的技术。如下表所示,借助这些核心技术,豪威同主要竞争对手相比,在以下领域具有较为显著的竞争优势:1)适用于汽车市场的高端宽动态范围图像传感器;2)适用于监视器市场的超低功耗解决方案;3)适用于监视器市场的近红外和低光传感器;4)适用于医疗市场设备的超小型传感器;5)适用于 AR/VR等新兴市场的全局快门传感器。

  豪威领先的技术水平源自其强大的核心专业人才资源。截至2018年5月31日,豪威拥有870人的研发团队(占员工总数的57%);大量核心研发骨干具有十年以上的行业经验,而豪威的核心管理团队同样经历丰富且人事稳定,为公司服务长达数十年,熟悉公司业务和管理。这样一个良性的人事环境已经成为公司持续竞争力的主要来源。而豪威在美国的总部位于全球科创中心硅谷,便于其洞悉未来数年的业界走向、进行了大量前瞻性的研发。

  豪威近三年营业收入持续上行。公司2017年营业收入达到90.5亿人民币,2018年1-5月达到35.3亿人民币。与此同时,公司净利润(扣除私有化费用后)显著上升,这是由于公司推出的高像素中高端传感器产品持续受到市场欢迎;同时多摄像头智能手机的流行也对公司利润有着积极影响。

  豪威营业收入主要来自手机、安防和汽车行业。2018年1-5月,来自这三个行业的营收占比分别为60.73%、15.96%、13.41%,合计超过90%,其中手机占比最高,但近年来有略微下降的趋势,汽车等其他领域的收入比重上升。

  CMOS传感器是豪威主要收入来源,其占主营业务比重连续三年超过94%,且毛利率稳中有升,从2016年的16.54%增长到2018年1-5月的24.83%。主要用于支持CMOS传感器的ASIC芯片毛利率较高,且有明显的上升趋势。此外,硅基液晶投影显示芯片(LCOS)毛利率降幅明显,主要原因为产品结构调整,新产品仍处于磨合阶段;微型影像模组封装(Camera Cube Chip)毛利率均为负数,主要是由于设备折旧成本高。这两类产品在公司业务中占比极小,不会对公司盈利造成明显影响。

  在2011年之前,豪威是CMOS传感器市场的老大,但此后遭遇竞争对手夹击。索尼在2010年的市场份额还仅为7%左右,但由于豪威在2011年丢掉苹果手机订单,同时大量高端旗舰手机转投索尼的怀抱,从2011年后索尼传感器就一路高歌猛进,市场份额不断提升,甚至在2014年开始出现了供不应求的情况。三星成功利用这一机遇打进了供求关系相对紧张的1300万像素传感器市场,得以被大量手机品牌厂商采用,一举超过了豪威成为了市场第二。在低端市场,豪威也面临中韩厂商的冲击。好在豪威依然凭借出色的技术维持住了市场份额,并逐渐与市场的第二梯队拉开了差距。

  2014年8月,中国财团对豪威发起了收购要约,豪威于2015年4月同意被中国财团以约19亿美元的现金价格收购,该笔收购于2016年2月完成

  1)豪威在中高端手机市场还有可观的占有量,今年在手机市场有明显突破。事实上,在手机前置摄像头领域,豪威仍然具备很强的竞争力,包括高端机在内的大量产品的前置摄像头都使用了豪威的产品,业界甚至形成了“前置豪威+后置索尼”的潜在共识。同时,随着基于红外光技术和结构光技术的新型人脸识别的走红,豪威的IR(红外)CMOS也受到了市场的欢迎,最新的小米8/8SE上就搭载了豪威的OV7251传感器来捕捉红外光照射下的人脸信息,小米8探索版的结构光人脸识别也采用了豪威的OV9282传感器。

  2018年,来豪威的CMOS被更多的国产手机采用,尤其在后置摄像头的副摄像头上,豪威成绩斐然。华为的旗舰产品P系列和Mate系列副摄像头均为豪威的CMOS产品,主打性价比的荣耀在几款热门爆款机型上更是有全部摄像头芯片都使用豪威的批次。

  2)豪威成为一家中国公司后,更好地与中国本土及亚洲客户对接。豪威的主要客户大量集中在亚洲,特别是在中国,豪威与中国主要手机厂商OPPO、华为、小米和VIVO都保持了良好的合作关系。成为中国公司后,豪威将可以更好地贴近客户,为客户尤其是行业客户提供独特的本土化定制产品,缩短供应链,与产业链上下游形成更好地互动,更好的维持和提升市场份额。

  3)豪威的CMOS传感器在行业应用方面,尤其是高速发展的车载领域优势较大。如今CMOS传感器已经被广泛用在智能手机中,未来随着物联网、汽车和工业领域对高精度影像传感的需求将不断提升,CMOS图像传感器产业的拓展空间巨大,作为三巨头之一的豪威的未来业绩仍然有可观的提升空间。

  在高速增长的车载CMOS传感器领域,豪威耕耘近10年,市场份额排在第二,仅次于安森美,且业务增速飞快。豪威科技的主要客户涵盖宝马、奔驰、奥迪、特斯拉等一线大厂,还有国内的长安、吉利和BYD等知名汽车厂商,目前豪威在欧洲汽车品牌中的占有率已经是第一。年出货量达到3500万到4000万颗。除了车载CMOS之外,豪威还提供多路摄像、360环视、畸变矫正等车用平台解决方案,具备完整的产品线。而车载电子这一行业的准入壁垒非常高,单是芯片的验证周期就长达3年以上,使得后来者很难进入,所以已经在车载CMOS领域颇具规模的豪威具有很大的优势。如今豪威在挪威和日本皆有专攻相应地区汽车市场的车载CMOS研发团队,也开始在中国大陆招募和组建新的车载CMOS研发团队,目前已经有很多国产SUV的360°环视系统使用了豪威的产品。

  4)除CMOS传感器外,豪威涉足多项芯片细分市场,同样有较好的发展。豪威在ASIC研发和设计方面有一定的积累,发布了汽车电子配套芯片、传感器桥接器和物联网芯片等ASIC产品,能很好地与自身的CMOS传感器业务形成互补,提供配套传感器产品与服务。同时,豪威还具有新型反射式microLCD投影技术LCOS,和新型封装技术CameraCubeChip,未来皆有望在市场上大展身手。

  LCOS是AR/VR/MR眼镜图像系统的关键技术。LCOS技术是一种微型投影技术,ca88,只需要使用微小的体积就可以投射出画面,非常适合用于AR等对体积有严格要求的智能眼镜设备,且技术相对成熟,已经被微软Hololens,Magic Leap等主流AR产品采用。未来随着AR/VR/MR技术的成熟和设备价格的下降,这类产品有望走入千家万户,成为下一个时代的“智能手机”,而豪威正握着其中关键的显示技术。

  CameraCubeChip是一种专为CMOS而生的CSP(芯片级封装)技术。豪威通过研发这一CSP技术,不单单使得自身能提供远小于竞争对手的相机模组解决方案,更积累了大量封装领域的经验,使得自身有能力去培养下游封装厂,提高了产业链上的话语权。

  借助韦尔股份补齐短板,强化产业链上下游协同。豪威不同于索尼和三星,它没有自己的代工厂,也没有背后的商业帝国。所以豪威此前常常会遇到产能不足和代工厂技术泄密的困扰。豪威若与韦尔股份强强联手,有望借助与中国资本市场深度对接的优势,更好的在技术革新、建立合作关系及资金筹集这三个方面下功夫,建立产能稳定的代工封测体系,对接国内大量客户资源,以迎接CMOS传感器领域巨大的发展机遇,开启发展新纪元。

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