圖像傳感器市場分析以及原理和應(yīng)用

隨著國家不斷推進(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需求和應(yīng)用場景至關(guān)重要。

市場分析

圖1  CMOS傳感器市場規(guī)模預(yù)測和品牌占比

（來源于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)測到年復(fù)合增長率CAGR在8-11.8%之間，屬于穩(wěn)步增長趨勢，主要是消費(fèi)電子、安防、電動汽車、醫(yī)療等行業(yè)帶來的需求增長，目前SONY占據(jù)近40%市場份額，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)部信號框圖

參照圖2信號鏈路，光子透過濾色片，進(jìn)入CMOS 光電二極管PD轉(zhuǎn)化成電子，并捕獲到勢阱里（potential well）完成積累。勢阱里的電子被浮動擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD轉(zhuǎn)移并儲存到CFD電容里，其中量子效率QE用來衡量光子變電子的轉(zhuǎn)換程度，在電容釋放電荷的過程中，這個(gè)CFD電容完成電荷到電壓的轉(zhuǎn)換，使用源極跟隨器對阻抗進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)提高驅(qū)動能力，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。在經(jīng)過數(shù)字放大器進(jìn)行放大，可對每個(gè)像素點(diǎn)間光強(qiáng)度差距進(jìn)行區(qū)分，使得CMOS在光信號比較弱的時(shí)候也可以分辨出來，獲得清晰的圖像信號。        

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)，高級輔助駕駛系統(tǒng)ADAS。隨著汽車ADAS技術(shù)發(fā)展，智能等級從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計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理再顯示出來。因此電路里暗噪聲、高動態(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（5MP, 拍出畫面對應(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分貝的動態(tài)范圍和優(yōu)秀的弱光條件，確保保持高動態(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)器視覺識別準(zhǔn)確度。

圖像傳感器在工業(yè)成像的應(yīng)用

在工業(yè)自動化方面需要使用快速相機(jī)來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，不同的檢測應(yīng)用對圖像的分辨率、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)或慢速移動的物體成像。但在快速移動物體時(shí)會產(chǎn)生空間失真變形，無法正確還原運(yùn)動物體形狀，無法對圖像進(jìn)行有效AI識別。

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

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)用于無人機(jī)攝像，AR/VR 3D縱深環(huán)境檢測，醫(yī)療上的胃鏡圖像成型等。

結(jié)語

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