中國半導體產業研究公司芯謀研究(ICwise)日前發表《2018上半年中國積體電路設計產業研究報告》顯示,憑藉CMOS影像感測器業務大紅大紫的供應商豪威科技(OmniVision)取代了比特大陸(Bitmain),一躍成為中國第二大晶片設計公司。

豪威科技曾是那斯達克(NASDAG)的上市企業。2016年,中國財團耗資19億美元,將其私有化,並成立了北京豪威科技全資子公司,主要從事設計、開發和銷售高性能、高整合度和高成本效益的半導體影像感測器設備。最近,中國上市公司韋爾科技(Wilseni)對其發起了收購邀約,主要看中其於影像感測器方面的影響力。

最近兩年來,由於車載應用、機器視覺、人臉識別與安全監控的快速發展,以及越來越強大的手機拍照功能,全球CMOS影像感測器銷售額屢創新高。以安全領域為例,2017年全球安全領域CMOS出貨量達到1.84億,年複合成長率(CAGR)達到11.95%。

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重新定義近紅外線產業新標準

對高解析度、超低光線條件下的影像品質以及近紅外線(NIR)性能的不懈追求,正成為當前安全市場的三大趨勢。一方面,解析度正從主流的1,080P逐步向4K2K發展,人臉辨識、物體辨識等智慧視訊需求開始興起,H.265編碼技術逐漸得到普及;另一方面,包括超低光彩色、超低光不開補光燈、SNR1 < 0.2Lux在內的超低光線條件下的影像品質要求不斷提升,使得近紅外應用在安全、人臉辨識、生物特徵辨識、駕駛員監控、AR/VR等產業成為廣泛需求,具體要求包括降低紅外燈的功耗、提高監測物體距離、SNR1940 <35nW/cm2等。

因此,在提升近紅外靈敏度成為市場熱點的同時,如何降低近紅外燈功耗,延長電池壽命;延長探測距離,保持功耗不變;以及消除850nm紅曝現象,又成為技術的難點。例如,就目前而言,850nm光照度是室外監控攝影機的理想之選,但850nm產生的紅曝現象明顯,容易暴露攝影機的位置,對視覺產生傷害,靈敏度也不及940nm。而940nm則因為近紅外光不會被人眼察覺,適合夜晚室內黑暗環境,正成為傳統影像感測器產品未來升級的方向。

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夜鷹Nyxel技術是豪威科技為突破紅外靈敏度所推出的一把利器。據豪威科技市場部副總裁陳家旺介紹,首先,透過增加矽基層厚度,在吸收更多光子的同時大幅增加光電轉換效率;其次,為避免光子在傳播過程中形成串擾,研發人員將畫素置於畫素間具有屏障的溝槽中;最後,增加一層曲面薄膜,使得光子在被吸收後能夠以不同角度行駛更長的距離,增加光電轉換效率,從而形成更明亮的影像。

實驗結果顯示,相較於傳統近紅外感測器,使用夜鷹Nyxel技術的產品在850nm波長處的量子效率(QE)從原來20%提到60%,增加3倍;940nm波長處的QE從8%提到40%,增加5倍。靈敏度的提升,意味著豪威影像感測器能夠在相同的近紅外光量下成像更清晰,可以檢測到更遠的成像區域,意味著減少了對LED補光燈的需求,從而降低了總體功耗和成本。

20181029_Ominivision_NT61P3 夜鷹Nyxel技術——紅外線靈敏度突破

此前,CMOS影像感測器產業一直採用可見光亮度標準,即單位面積光通量(Lux)來度量,然而隨著近紅外光成為主流,如何衡量相關產品的性能,產業卻並無參考指數。對此,豪威科技提出了一種新的指標NIR SNR1對其進行量化,該指標融合了QE、畫素尺寸和讀取雜訊等因素,在850nm和940nm兩個不可見光波長領域定義了新的標準,即採用單位面積輻射通量(nW/cm2</>)來度量。

20181029_Ominivision_NT61P4 Omnivision定義近紅外線SNR1標準

按照這個指標,在30nW/cm2左右的參數範圍將被視為優秀的產品,這使得在紅外產品有了參考指標,客戶可以用這個標準測量相關產品以區分性能。未來,940nm紅外光還將會向更加穩定高效的940nm VCSEL紅外光源前進。

按照上述指標,豪威科技最新推出的安全專用影像感測器晶片OS02C10的SNR1850nm值為23nW/ cm2、SNR1940nm 值為 31nW/cm2,意味著在同樣環境和同樣影像探測範圍內,採用該感測器設計的安全監控攝影機可在完全黑暗的條件下正常工作,且近紅外照明功耗比其它競爭產品要低2倍至4倍。

OS02C10採用超低雜訊設計,SNR1照度達到0.16 lux的同時,可產生高解析度1,080p影像。OmniVision的專利雙重轉換增益技術使該款感測器實現了業界最佳超低光成像性能,而三次曝光交錯式寬動態可將運動偽像減小到最低,並將高動態範圍達到120dB。此外,在安全系統轉換為更高品質顯示器情況下,這些技術可輕鬆將其解析度提高至2K至4K。

安全影像感測器全面進入「背照式」時代

除了OS02C10,OmniVision還在中國安博會上推出兩款基於OmniBSI畫素技術的最新2微米影像感測器系列產品OS02F10和OS04B10。這兩款感測器採用業內最具性價比的背面照度(Back Side Illumination)解決方案,並專為入門級物聯網、工業、商業及住宅領域的安全監控攝影機提供高清晰影像品質。

陳家旺告訴記者,以前,入門級物聯網的安全監控攝影機只採用前照式影像感測器,沒有充分發揮這些攝影機的性能。而在採用最新的OS02F10和OS04B10影像感測器後,即使是住宅用安全監控攝影機也不用再擔心因為想要實現性價比而犧牲性能。這一切均得益於緊湊型的 OmniBSI 畫素架構成功減少了畫素串擾問題,影像品質也因此更出色。

OS02F10和OS04B10影像感測器均具有出色低光靈敏度,感測器的9度主光線角度(CRA)能夠讓安裝有廣角鏡頭的薄模組實現精準、無聲的監視效果。

其中,OS02F10為200萬畫素(MP)感測器,支援1,080p(1,920 x 1,080)解析度的視訊、30f/s訊框率,且功耗小於120mW。該超緊湊型感測器採用獨特的1/4吋光學格式及4.9 x 3.0毫米晶片級封裝(CSP),其高量子效率(QE)減少了對IR照明的要求,可實現低功耗,攝影機電池的使用壽命更長。

而OS04B10應用於需監控範圍更廣的區域。具有360萬畫素解析度,支援2K(2560 x 1440)解析度的視訊串流,畫面更新率為每秒30格,功耗低於140mW。該款感測器的特點為其獨特的1/3吋光學格式及6.3x3.7毫米晶片級封裝(CSP)技術。