图像传感器技术的专利状况分析——图像传感器技术的宏观定量分析

杨隆鑫，左恬源，侯冠华

（国家知识产权局专利局 专利审查协作北京中心，北京 100190）

责任编辑:许 盈

图像传感器或称感光器件，是组成数字摄像头的重要组成部分。如今，随着数码技术、半导体技术以及网络通信技术的迅猛发展，在广播电视系统领域以及民用领域，数码相机、数码摄像机、数码监控摄像头已被广泛使用。以民用数码相机为例，在短短不到10年的时间里，感光器件就由几十万像素发展到千万级像素，并以意想不到的速度代替传统相机。这种情况在发达的欧美国家如此，在处于发展中国家的中国也是如此。在巨大市场需求的刺激下，数码相机和数码摄像机的关键零部件——图像传感器自然成为当前以及未来业界所关注的对象。

1 图像传感器技术介绍

图像传感器属于光电产业里的光电元件类，是一种将光学图像转换成电子信号的设备，它被广泛地应用在数码摄像机、数码相机以及其他电子光学设备之中。早期的图像传感器采用模拟信号，如摄像管（Video Camera Tube）。如今，图像传感器主要分为电子耦合元件（Charge-Coupled Device，CCD）图像传感器[1]和互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)图像传感器[2]两种。这两种类型的图像传感器都能够实现对图像的采集以及光电信号转换的功能。目前绝大多数数码摄像机和数码相机均采用了CCD或CMOS图像传感器[3]。

CCD图像传感器是一个基于模拟信号的电子感光设备，其表面在光的照射下，将有信号电荷产生。电荷信号可以被转换成电压，并按指定的时序将图像信息输出。数字图像处理电路可以将这种信号进一步转换成数字信号，以便得到数字影像。

而CMOS图像传感器是一类利用CMOS半导体的有源像素传感器。每个光电传感器附近都有相应的电路直接将光的能量转换成电压信号。与CCD不同的是，它并不涉及信号电荷。在外围电路上可能也需要模拟—数字转换器将它的输出信号转换成数字信号[4]。

2 图像传感器技术的专利分析

2.1 样本构成

本文的专利数据库主要采用中国专利文摘数据库CPRS-ABS，该数据库收录了1985年至今中国所有的专利文摘信息，数据覆盖全面，数据项丰富。主要采用关键词及分类号对图像传感器相关的技术进行检索。需要说明的是，由于部分专利申请在提交申请后需满18个月才会被公开，因而截至目前，2011年的很多专利申请并未被公开，所以，本文提到的关于2011年的申请量是小于实际申请量的。

2.2 图像传感器技术专利申请情况的总体分析

采用上述检索结果中进行阅读筛选后，共获得与图像传感器直接相关的已公开的专利申请1426件，其中关于感光耦合元件图像传感器CCD的专利申请有936件，关于互补式金属氧化物半导体图像传感器CMOS的专利申请有490件。本文主要针对上述专利申请进行统计分析。

在这1426件关于图像传感器的专利申请中，发明专利申请共有1401件，实用新型专利申请共有25件。图1示出了上述两种不同专利类型申请的分布示意图。从图1中可以看出，在图像传感器技术领域，绝大部分专利体现在技术水平以及创新水平更高的发明专利申请上。在这些极少量的实用新型专利申请中，几乎都来自国内申请人（包括大陆地区和台湾地区）。这有可能一方面是因为国内在该技术领域创新水平还有待提升，另一方面是一部分国内申请人急于获得专利授权，以至于以实用新型而不是发明的方式获得专利保护，这样的做法虽然以较小的经济成本和时间成本获得了专利，但专利的保护期限也因此缩短，由专利权的稳定性带来的风险也更大。

图2显示了1997年以来以图像传感器技术为主题的专利申请量的趋势变化。可以看出，图像传感器技术的专利申请在2001年开始呈上升态势，自2004年开始，专利申请量的增长极为迅速。其实，从2002年至2007年全球图像传感器的市场规模也一直呈现出迅速增长的趋势。其中，2005年图像传感器的全球市场规模高达2004年的2倍左右。

市场的需求刺激了技术研发的投入和专利保护的跑马圈地。近10年来，照相手机在总体手机市场中所占比例不断攀升，在2005年达45%，在2006年已经过一半，得益于照相手机的全面普及，还有数码相机需求的飙涨，在这种形势下，各大厂商纷纷增加产量，而2007年却迎来了市场的寒冬。2007年，CCD图像传感器和CMOS图像传感器销售下降7%，主要由于上半年照相手机库存清理，市场需求增长放缓，以及工业和办公设备应用中的销售疲软。CMOS图像传感器销售下滑12%，CCD图像传感器增长为零。与此同时，专利申请量在2007年同比大幅减少。

到2008年下半年，由于欧美等多个国家出现了严重的次贷金融危机，全球需求出现严重萎缩，同年专利申请量达到近几年的谷底。但到了2009年，世界各国政府纷纷出台各种经济提振政策，全球经济开始出现复苏。图像传感器作为图像信息的重要采集器件，未来在生活、军事、科学研究等各个领域有着广阔的应用空间，因此，近年来专利申请量随着经济的回暖逐渐进入增长通道。

在图2中，2011年所呈现的专利申请量相比2010年有所下降，因该数据是不完全统计的结果，考虑到2011年度的宏观经济和行业经济趋势，该年度的实际专利申请量应该还是较为可观的。

在中国关于图像传感器技术的专利申请中，申请人来自日本、韩国、美国的专利申请占据了绝大部分。图3所示为图像传感器专利申请人的国别比例。

日本作为消费电子产业大国，在半导体等技术领域有着雄厚的实力，也是数码相机、数码摄像机等电子产品的消费和生产大国，在图像传感器领域有着非常突出的技术优势。韩国近年来非常重视消费电子产业，其在图像传感器技术上取得了很迅猛的发展。美国作为最早发明图像传感器的国家，其在该领域的研究起步早，相关产业发展成熟。

反观中国，虽然近年来在国家和地方政府的创新扶持和专利资助政策的积极影响下，原创于中国大陆地区申请人的专利申请有了较大幅度的增长，但是由于我国的半导体产业基础比较薄弱，加之大量的核心专利技术都掌握在国外申请人手中，我国企业或科研单位在图像传感器方面做出创新的难度仍然较大。

3 图像传感器技术领域主要专利申请人分析

3.1 中国作为目标市场的专利竞争情况分析

通过对各申请人在中国专利申请量排名的统计和梳理，发现在图像传感器领域中国的竞争力非常薄弱。在图4中可以看出，专利申请量位列前11名的企业均来自日本和韩国，其中，索尼、松下、东芝、佳能、滨松光子学株式会社、夏普、三洋为日本企业，其他3家为来自韩国的企业。很明显，日本企业在图像传感器的技术储备和创新能力方面是非常突出的，并且在这些日系企业中，索尼公司的优势表现得尤为明显。索尼公司是世界上民用/专用视听产品的先导之一，掌握着CCD图像传感器的诸多关键技术，目前该公司的CCD和CMOS产品在全球范围内占据了1/3以上的整体份额，销售量位居世界第1，在中国专利申请量上也是遥遥领先于松下、东芝、东部电子等公司。韩国在近年来半导体产业上发展迅猛，东部电子、东部亚南半导体等企业在晶圆代工方面已具规模，并在图像传感器技术方面也取得了显著的进步。

这些日韩系企业均把中国作为非常重要的市场，密切加紧在中国的专利布局。这些企业必将成为中国企业在图像传感器技术领域难以回避的竞争对手，国内企业带来很大的竞争压力。不过从另一个角度来看，这些企业也同样可视为中国企业的技术引进对象。

3.2 中国国内申请人分析

图5对国内主要申请人的专利申请量进行了统计。可以看出，相比之下中芯国际在图像传感器技术上有着较显著的领先优势。

该公司也是中国内地规模最大、技术相对先进的集成电路芯片制造企业，世界产量排名领先的晶片代工企业。格科微电子、上海宏力半导体、北京思比科微电子也显示了较强的研发实力。其中，上海宏力半导体在2011年之前鲜有专利申请，该公司绝大部分专利申请都集中在2011年，这导致在排名上很快后来者居上，位列国内申请人第3名。在国内申请人提交的专利申请中还呈现出一个特点，就是绝大部分专利申请都集中在CMOS方面。与CCD相比，CMOS是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随半导体技术的提升而进步。中国的晶圆代工厂的CMOS生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。这可能是CMOS深受国内申请人青睐的一个原因。

4 小结

通过以上的专利分析，国内企业无论是在技术和产业上都与国外企业存在非常大的差距，这些来自发达国家尤其日韩美的企业优势非常明显。我国要在诸多强手中走出一条自主创新的发展之路，难度非同一般。不过韩国的异军突起也为我国图像传感器的技术发展提供了一个成功的示范。

[1]寇玉民，盛宏，金祎，等.CCD图像传感器发展与应用[J].电视技术，2008，32（4）：38-39.

[2]柳笛，黎福海，荣宏，等.CMOS图像传感器优势和最新产品[J].电视技术，2007，31（11）：29-30.

[3]朴慧京.简介常用摄像器件[J].家电检修技术，2008（5）：44.

[4]李然.广播级摄像机CMOS与CCD的应用[J].影视制作，2010（8）：38-41.