圖像傳感器市場(chǎng)分析以及原理和應(yīng)用

隨著國(guó)家不斷推進(jìn)新基建（5G基站、特高壓、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、軌道交通、大數(shù)據(jù)中心、新能源汽車和充電樁、人工智能），為經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新動(dòng)力，其中圖像傳感器是新基建設(shè)備和工業(yè)環(huán)境的各種狀態(tài)信息獲取的重要載體，了解目前圖像傳感器的市場(chǎng)需求和應(yīng)用場(chǎng)景至關(guān)重要。

市場(chǎng)分析

圖1  CMOS傳感器市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)和品牌占比

（來(lái)源于bilibili網(wǎng)站 作者Neon 致遠(yuǎn)《智能駕駛系列二：CMOS圖像傳感器》）

從圖1可以看出，2021-2026的預(yù)測(cè)到年復(fù)合增長(zhǎng)率CAGR在8-11.8%之間，屬于穩(wěn)步增長(zhǎng)趨勢(shì)，主要是消費(fèi)電子、安防、電動(dòng)汽車、醫(yī)療等行業(yè)帶來(lái)的需求增長(zhǎng)，目前SONY占據(jù)近40%市場(chǎng)份額，三星是25%，豪威是13%，Onsemi是4.5%。

CMOS圖像傳感器（CIS）原理

圖2 CMOS圖像傳感器內(nèi)部信號(hào)框圖

參照?qǐng)D2信號(hào)鏈路，光子透過(guò)濾色片，進(jìn)入CMOS 光電二極管PD轉(zhuǎn)化成電子，并捕獲到勢(shì)阱里（potential well）完成積累。勢(shì)阱里的電子被浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD轉(zhuǎn)移并儲(chǔ)存到CFD電容里，其中量子效率QE用來(lái)衡量光子變電子的轉(zhuǎn)換程度，在電容釋放電荷的過(guò)程中，這個(gè)CFD電容完成電荷到電壓的轉(zhuǎn)換，使用源極跟隨器對(duì)阻抗進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)提高驅(qū)動(dòng)能力，然后使用可編程增益放大器PGA（增益相當(dāng)于相機(jī)拍照ISO參數(shù)設(shè)置）對(duì)輸入的電壓進(jìn)行放大，然后使用ADC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)成成數(shù)字信號(hào)。在經(jīng)過(guò)數(shù)字放大器進(jìn)行放大，可對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)間光強(qiáng)度差距進(jìn)行區(qū)分，使得CMOS在光信號(hào)比較弱的時(shí)候也可以分辨出來(lái)，獲得清晰的圖像信號(hào)。        

圖像傳感器在汽車方面的應(yīng)用

車載領(lǐng)域COMS圖像傳感器應(yīng)用包括前視后視攝像，360環(huán)視系統(tǒng)，座艙監(jiān)控系統(tǒng)，高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)ADAS。隨著汽車ADAS技術(shù)發(fā)展，智能等級(jí)從L2逐漸發(fā)展到L4/L5，需要更多的車載攝像頭。如下圖3和圖4列舉不同智能等級(jí)所需的攝像頭的數(shù)量和汽車上攝像頭位置分布情況。

圖3 不同智能等級(jí)下攝像頭需求數(shù)量

圖4 攝像頭在汽車位置分布

車載攝像頭采集到的圖像信息需要通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理再顯示出來(lái)。因此電路里暗噪聲、高動(dòng)態(tài)范圍、HDR、LED閃爍抑制等參數(shù)為關(guān)注重點(diǎn)，其中CMOS傳感器響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍要求120-140db，部分高端車型要求攝像頭像素達(dá)500萬(wàn)（5MP, 拍出畫(huà)面對(duì)應(yīng)分辨率是2592×1944）。

ON AR0233AT 圖像傳感器為各種各樣的汽車應(yīng)用提供出色的靈敏度，擁有2048x1280，1080p分辨率，60幀輸出，提供大于140分貝的動(dòng)態(tài)范圍和優(yōu)秀的弱光條件，確保保持高動(dòng)態(tài)范圍輸出。另外，為限制 LED 照明和交流電源閃爍的出現(xiàn)，采用LED 閃爍緩解(LFM) 技術(shù)，有利于攝像頭的機(jī)器視覺(jué)識(shí)別準(zhǔn)確度。

圖像傳感器在工業(yè)成像的應(yīng)用

在工業(yè)自動(dòng)化方面需要使用快速相機(jī)來(lái)判斷物品位置和外觀形狀，以便及時(shí)通知機(jī)械手臂在哪尋找抓取物品，或者用于做計(jì)件檢驗(yàn)方面，能夠快速計(jì)算出物品數(shù)量。

相機(jī)系統(tǒng)做出快速精準(zhǔn)決策需要高速清晰的圖像成形，不同的檢測(cè)應(yīng)用對(duì)圖像的分辨率、清晰度、噪聲、幀率等都有不同的要求。

圖5 工業(yè)相機(jī)應(yīng)用示意圖

其中全局快門是實(shí)現(xiàn)高速視覺(jué)成像的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的卷簾快門圖像傳感器使用逐行曝光方式，只是適用于靜態(tài)或慢速移動(dòng)的物體成像。但在快速移動(dòng)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生空間失真變形，無(wú)法正確還原運(yùn)動(dòng)物體形狀，無(wú)法對(duì)圖像進(jìn)行有效AI識(shí)別。

全局快門圖像傳感器通過(guò)完全同時(shí)同步曝光捕獲所有像素，可以檢測(cè)快速移動(dòng)物體，特別是高速裝配線上，有利于高速成像和AI識(shí)別物品外觀形狀，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷次品等功能。

除以上提及的汽車和工業(yè)相機(jī)應(yīng)用之外，圖像傳感器還可以應(yīng)用于無(wú)人機(jī)攝像，AR/VR 3D縱深環(huán)境檢測(cè)，醫(yī)療上的胃鏡圖像成型等。

結(jié)語(yǔ)

可以預(yù)見(jiàn)，配合高性能邊緣運(yùn)算，未來(lái)會(huì)涌現(xiàn)有更多不同的功能且高可靠性和高性能的應(yīng)用方案。