工業圖像傳感器：CMOS圖像傳感器各細分領域市場分析

　　IC Insights報告顯示，2019年CMOS圖像傳感器的銷售額將增長9%，達到155億美元，出貨量將增長11%，達61億顆，兩項數值均創紀錄。未來全球CMOS圖像傳感器市場將持續創新高，IC Insights預估，2020年銷售額將再增長4%，達到161億美元；2022年圖像傳感器市場將成長至190億美元，將較2018年預估值大增近4成。
　　CMOS圖像傳感器這個大蛋糕，人人都想搶食。縱觀全球圖像傳感器市場，其應用正從移動設備逐漸拓展為更多領域。目前手機攝像頭是CMOS圖像傳感器的最大終端市場，但未來五年，包括汽車電子、醫療、安防、工業、物聯網等領域將實現爆發。
　　手機：國產CMOS圖像傳感器爆發，國內外差距正不斷縮小
　　長期以來，CMOS市場被索尼、三星等日韓廠商主導。據IHS Markit的數據，在CMOS圖像傳感器領域，索尼以49.2%的市占率居于榜首，三星與豪威市占率分別為19.8%與11.2%，前六大廠商占據90.8%的市場份額，市場高度集中。而隨著國內的CIS玩家格科微、思特威和思比科等的入局和發展，或將打破國外高度壟斷的壁壘。
　　國內外CIS產業差距在過去的十年內不斷縮小，以往在制造質量、產品成像性能及供貨方面的差距，因近年來供應鏈共享，大型公司垂直市場的整合以及中國本土市場發展等因素的推動，正在逐步消失。
　　值得一提的是，在特定領域，國產廠商的出貨量甚至已經趕超國際廠商。宏觀上看，手機攝像頭領域國際廠商依舊處于引領地位，但微觀來看，除蘋果及三星的手機攝像頭外，中國手機品牌市場（包括多攝像頭系統），本土企業的滲透率已經很高，由此趨勢看來，國產CMOS產品與國際廠商產品比肩的時代或許已經不遠。
　　另外，在當前國產進口替代需求、國家政策以及創新應用三大成長動力的帶動下，中國半導體產業技術水平的提升將成為勢不可擋的趨勢。
　　盡管如此，面對幾個強勁的“老玩家”，國產CIS廠商要做的還有很多。對于圖像傳感器領域，我們在發展技術水平的基礎上，還需要緊跟時代潮流，另辟應用領域的“蹊徑”。當前，圖像傳感器的應用正從移動設備逐漸向更多領域發展，而這些新興領域是眾廠商的必爭之地，也是中國圖像傳感器市場的發展機遇。
　　未來，在手機領域，CIS技術將向尺寸越大方向發展。CIS尺寸對照相素質的影響至關重要，CIS尺寸越大，對進入攝像頭的光線信息捕捉的越多，對相片的還原效果就越好。手機CIS廠商都在盡可能的擴大CIS的感光面積以獲得更好的成像質量。
　　安防：2020年的需求量將達9.12億美元，復合增長率36%
　　無論是家用還是在外部場景中運用到的安防、監控以及AI領域用到攝像頭會不斷增加，因為我們看到現在所有數據都會通過互聯網上傳到云端處理。這一點對于其他國家地區可能暫時無法預估，但對于國內來說的確是未來的一個發展趨勢。
　　據IC Insights報告顯示，預計2020年CMOS圖像傳感器的銷售額將再增長4%，將達到161億美元。其中全球安防監控領域CMOS傳感器在2020年的需求量有望達到9.12億美元，復合增長率為36%。
　　在這樣的市場需求背景下，國內CMOS圖像傳感器產業也催生出越來越多優秀的廠商。
　　另外，在安防領域，CIS技術將發展走向以下四種趨勢：
　　超低照度和超高紅外感應：在安防監控的領域，普遍需求更低的低照和超高的紅外感應的性能來做到現場監控及錄像回放時來實現更清晰的辨識人物和物體。
　　高信噪比：信噪比越高，傳輸圖像信號質量越高。
　　高動態范圍：高動態范圍是指在非常強烈的對比下讓攝像機看到影像。當強光源照射及陰影、逆光等同時存在時，明亮區域曝光過度呈白色，黑暗區域呈黑色，嚴重影響圖像質量。
　　高幀率：更高的幀率能有效的解決快速移動的物體攝像機拍攝時所引起的拖影現象，通常應用在道路監控等領域。
　　汽車電子：汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢
　　車載領域的CIS應用包括：后視攝像(RVC)，全方位視圖系統(SVS)，攝像機監控系統(CMS)，FV/MV，DMS/IMS系統 。
　　汽車圖像傳感器全球銷量呈逐年增長趨勢。 后視攝像(RVC)是銷量主力軍，呈穩定增長趨勢，2016年全球銷量為5100萬臺，2018年為6000萬臺，2019年預計達到6500萬臺。 FV/MV全球銷量增長迅速，2016年為1000萬臺，2018年為3000萬臺，此后，預計FV/MV將依舊保持迅速增長趨勢，預計2019年銷量可達4000萬臺，2021可達7500萬臺，直逼RVC全球銷量。
　　汽車圖像傳感器全球市場
　　質量方面，車載CIS需要比工業級別要求更高的車載安全級別，尤其是對與前置ADAS的鏡頭安全等級要求更高。
　　1）溫度要求：車載攝像頭溫度范圍在-40度-80度。
　　2）防磁抗震：汽車啟動時會產生極高的電磁脈沖，車載攝像頭必須具備極高的防磁抗震的可靠性。
　　3）較長的壽命：車載攝像頭的壽命至少要在8-10年以上才能滿足要求。
　　功能方面，車載攝像頭要在復雜的運動路況環境下都都能保證采集到穩定的數據。
　　1）高動態：在較暗環境以及明暗差異較大下仍能實現識別，要求攝像頭CMOS具有高動態的特性。
　　2）中低像素：為降低芯片處理的負擔，攝像頭的像素并不需要非常高。200以下像素已經能滿足要求。
　　3）可視角度：對于環視和后視，一般采用135度以上的廣角鏡頭，前置攝像頭對視距要求更大，一般采用155度的范圍
　　工業：全局快門技術已成為基本要求
　　在工業應用中，CMOS圖像傳感器非常重要的應用之一便是自動光學檢測（AOI，Automated Optical Inspection）。在顯示面板檢測、PCB（印制板）檢測等諸多應用中，人工檢測已無法勝任，只有依靠自動光學。而隨著面板尺寸和分辨率、PCB電路復雜度等的提升，檢測用CMOS圖像傳感器的像素要求也在不斷提升。
　　以顯示面板檢測為例，配套的AOI用CMOS圖像傳感器像素正在不斷提升——從早先的5 MP到12 MP，再到2018年主流的20 MP，以及今年開始廣泛使用的50 MP像素。
　　由于CMOS圖像傳感器逐行掃描式的成像原理，當成像物體高速運動時，便會產生“果凍效應”，導致成像變形。而在高速運動的生產線上，“果凍效應”嚴重影響了CMOS圖像傳感器的應用。
　　因此，業界推出了“全局快門”（Global Shutter）的概念。通過整片CMOS圖像傳感器整體曝光，可以實現高速物體成像無變形的效果，這對于目前炙手可熱的機器視覺與圖像識別算法的實現而言至關重要。
　　為了能夠捕捉移動物體的清晰圖像，全局快門技術已成為機器視覺市場的基本要求，其效率高低是關鍵的性能指標之一。
　　2018年Sony發布了全球首款全局快門背照式傳感器。在此之前，市場上的所有背照式傳感器均為卷簾快門，因而會在拍攝高速運動的物體時產生“果凍效應”造成物體嚴重變形，但擁有全局快門的傳感器則能夠通過讓傳感器上的單個像素點在同一時間捕捉到光線信號從而有效解決這一問題。
　　一般的CMOS感光器要實現全局快門必須在像素邊安插可以存儲電荷的繼電器，將電荷臨時存儲，統一進入另行的ADC中。存儲電荷的繼電器不能感光，將占用光電二極管的有效感光面積，而導致感光器的靈敏度大幅下降。
　　SONY發布的產品采用了堆棧式結構，其每個像素的ADC結構并非和像素區在同層，而是分開在上下層（不用擔心ADC占用感光區的有效面積），感光器的每個像素感光后，立即將同時曝光的模擬信號轉換成數字信息存儲在數字存儲器中，從而達到完全同步的曝光時間。 而同時其堆棧式的上下層結構也另邏輯數字處理電路完全不占用有效的感光面積。
　　另外，傳統CMOS圖像傳感器芯片的工作溫度范圍往往不能滿足工業應用的需求，這就要求CMOS圖像傳感器芯片設計者從設計、制造、封裝等多個層面出發，擴大工作溫度。
　　醫療：醫療成像設備市場將達350億美元
　　與其他具有更高產量和更高成本敏感性的市場相比，圖像傳感器在醫療影像市場應用有其鮮明的特點：其封裝步驟通常由設備制造商控制。
　　圖像傳感器技術正逐漸在行業中創造顛覆性力量，從2014年開始，市場發展迅速，行業競爭加劇：韓國和中國出現更多新參與者，成為現有大型企業的潛在障礙，行業完全整合的可能性降低。
　　圖像傳感器在醫療影像市場具有多元應用場景：X-ray、內窺鏡、分子成像、光學相干斷層掃描以及超聲成像 。
　　 醫療影像市場應用
　　醫療成像設備行業是一個巨大的350億美元的市場，2016年至2022年預計復合年增長率達5.5％。
　　2016年，醫療傳感器市場規模3.5億美元，預計2016年至2022年復合增長率8.3％，到2022年將達6億美元 。
　　根據應用技術不同，醫療圖像傳感器可分為CCD，CIS，a-Si FPD（非晶硅薄膜晶體管平面探測器），a-Se FPD（非晶硒薄膜晶體管平板探測器），SiPM（硅光電倍增管）、cMUT（電容微機械超聲換能器）和pMUT（壓電微機械超聲換能器） 。其中，CMOS傳感器憑借其在通過更小的像素尺寸獲得更高分辨率、降低噪聲水平和暗電流以及低成本方面的優越性在醫療影像領域得到越來越廣泛的應用，未來市場看漲。
　　目前，CMOS圖像傳感器主要應用于X-Ray以及內窺鏡領域。目前，X射線成像幾乎完全基于半導體技術。使用非晶硅（aSi）和CMOS的平板探測器占據了市場的最大份額，其次是硅光電二極管陣列探測器。預計銦鎵鋅氧化物（IGZO）平板將于2021年進入市場，直接與aSi和CMOS競爭，但CMOS仍然是主流應用。
　　2018年，以CMOS X-Ray成像設備市場收入2.45億美元，預計2024年將增長到5.1億美元，年復合增長率13%。
　　未來，CIS技術在醫療領域的發展趨勢如下：
　　（1）X光機市場上圖像傳感器將由非晶硅轉向CMOS
　　在醫療和生物用圖像傳感器市場上，X光機使用的大尺寸傳感器占了大部分份額，在該領域的收益中占到90％。
　　非晶硅技術適合以低輻射劑量進行大面積體表照射。但由于像素尺寸最小為100μm左右，因此分辨率不足以用于一些特殊的用途。另外，讀取速度也有限，因此處理性能達不到手術中的螢光透視等實時攝像要求的水平。
　　隨著CMOS處理器的成本不斷下降，使用CMOS處理器的超薄平板探測器開始搶占非晶硅平板探測器的份額。
　　（2）單一光子檢測掀起癌癥治療革命
　　由于照到CMOS傳感器上的單一光子能量已經能夠測量出來，現在完全可以處理光子所穿透的體組織的信息了。如果癌的實際尺寸和擴散程度能夠準確拍成圖像，這將掀起一場癌癥治療革命。
　　（3）3D成像對牙科有幫助
　　CMOS超薄面板還能以遠低于現有CT技術的輻射劑量實現 3D成像。這有助于檢查患者的牙齒咬合情況，還有助于簡化假牙的制作和安裝。
　　（4）內窺鏡將走向“chip-to-tip”
　　柔性內窺鏡的主要趨勢是“chip-to-tip”。就是將很小的傳感器芯片移到內窺鏡頂端以減小內窺鏡尺寸，為傳遞電信號用細線代替光纖，為簡化插入操作而提高柔軟度。另外，低成本CMOS傳感器還有望實現一次性內窺鏡。這是因為，存在購買新的內窺鏡比消毒成本更低以及消毒不到位等情況。通過更好的設計，像素的靈敏度和信噪比將得到改善。
　　物聯網：AI將是CMOS圖像傳感器最活躍的市場之一
　　眾所周知，未來將會是一個萬物互聯的時代，而實現萬物互聯則需要進行數據采集，在許多應用場景中，數據采集的工作都是通過攝像頭來完成。這也意味著，CMOS圖像傳感器市場需求增長的腳步還會持續加快。
　　其中，AI將是CMOS圖像傳感器最活躍的市場之一。攝像頭作為AI前端的數據采集設備，未來將會繼續保持快速增長，并持續向高端化方向發展。
　　誠然，未來隨著人工智能、IoT、ADAS等新技術應用的不斷成熟發展，新技術與新應用的落地也為CMOS圖像傳感器提供了巨大的潛在市場。例如，為了提升機器的感知力，未來圖像傳感器勢必往小型化、便捷化的方向繼續發展，搭載AI運算的智能機器人也將成為智能化發展的趨勢。在人臉識別、智能交互功能的帶動下，以智能識別支付系統、智能門禁系統、身份識別和遠程醫療分析等應用落地普及為支點，IoT產業將持續拉動CMOS圖像傳感器的市場需求體量。
　　值得一提的是，受到2020年初突然爆發的疫情影響，未來實時身份認證系統、遠程健康監控及遠程醫療電子設備的廣泛應用前景看好，并有望進一步落地普及，這或將帶來下一輪技術創新的熱潮。
　　結語：
　　圖像傳感器是當今應用最普遍、重要性最高的傳感器之一。手機是CMOS傳感器的最大應用市場，汽車、安防等新應用領域也正在高速成長。 隨著多攝像頭手機的普及以及自動駕駛技術的發展，相信CMOS傳感器的高速發展仍不會停止。

工業圖像傳感器：工業機器視覺：光源，鏡頭，圖像傳感器相機

工業機器視覺：光源，鏡頭，圖像傳感器相機
　　Edited by 4thInstitute
一、工業機器視覺系統
　　工業機器視覺系統可分為嵌入式系統與板卡式系統(PC-based)兩類。中國工業機器視覺系統中嵌入式機器視覺系統約占三分之二，PC-based機器視覺系統占比三分之一。
　　PC-based系統很容易與直接連接的相機或圖像采集板連接，并得到可配置的機器視覺應用軟件的支持。此外，個人電腦提供了豐富的自定義代碼開發選項，使用相應的編程語言，如VisualC/C++、Visual Basic和Java，以及圖形化編程環境。然而，開發往往是漫長而復雜的，所以通常適用于非標定制設備，并且需要高級機器視覺用戶和程序員來開發。
　　中國工業機器視覺系統由外資企業主導，主要有康耐視，基恩士，歐姆龍，西克和邦納，其中康耐視和基恩士兩家居于龍頭領先地位。本土企業非常分散，其中大恒，奧普特，凌華科技和凌云光子等位于前列。
　　工業機器視覺系統的上游為組成機器視覺系統的零部件，主要包括光源、鏡頭、工業相機、圖像采集卡和平臺軟件。在上游部件中工業相機的規模最大，平臺軟件的占比最小。上游部件中，平臺軟件與鏡頭的市場集中程度高，由外資主導；工業相機、光源、圖像采集卡的本土化程度高，競爭激烈。
二、工業機器視覺核心零部件廠商：
三、零部件簡介：
1）光源
　　打光是成功的機器視覺結果的一個關鍵。機器視覺系統通過分析物體的反射光來創建圖像，而不是通過分析物體本身。照明技術涉及光源及其相對于部件和相機的位置。特定的照明技術可以增強圖像，使其否定一些特征而增強其他特征，通過使一個零件的輪廓變得更清晰，從而使該零件變得更漂亮。
背光
　　對于只需要外部或邊緣測量的應用場景，背光增強了物體的輪廓。背光有助于檢測形狀，使尺寸測量更可靠。
軸向漫射光
　　軸向漫射照明將光線從側面（同軸）耦合到光路中。使用一面半透明的鏡子從側面照亮，將光線向下投射到零件上。該部件通過半透明的鏡子將光線反射到相機上，從而形成一個非常均勻的照明和均勻的圖像。
結構光
　　結構光是以已知角度向物體投射光型（平面、網格或更復雜的形狀）。它對于提供與對比度無關的表面檢查、獲取尺寸信息和計算體積非常有用。
暗場照明
　　定向照明更容易揭示表面缺陷，包括暗場和明場照明。暗場照明通常是低對比度應用的首選。在暗場照明中，鏡面反射光從相機反射出去，來自表面紋理和高程變化的漫射光反射到相機中。
亮場照明
　　亮場照明是高對比度應用的理想選擇。但是，高方向性光源（如高壓鈉和石英鹵素）可能會產生尖銳的陰影，并且通常不會在整個視野中提供一致的照明。因此，發光或反射表面上的熱點和鏡面反射可能需要更漫射的光源，以便在明亮區域提供均勻的照明。
漫射穹頂照明
　　漫射穹頂照明為感興趣的特征提供最均勻的照明，并且可以掩蓋不感興趣的不規則現象，可能會對場景產生混淆。
頻閃照明
　　頻閃照明在高速應用中用于凍結移動物體以供檢查。使用閃光燈也有助于防止模糊。
2）鏡頭
　　鏡頭捕捉圖像并將其傳遞給相機中的圖像傳感器。鏡頭的光學質量和價格各不相同，所使用的鏡頭決定了所捕獲圖像的質量和分辨率。大多數視覺系統相機提供兩種主要類型的鏡頭。
　　可換鏡頭和固定鏡頭。可更換的鏡頭通常是C-卡口或CS-卡口。鏡頭和鏡頭的正確組合將獲得最佳的圖像。作為獨立視覺系統的一部分，固定鏡頭通常使用自動對焦，它可以是一個機械調整的鏡頭，也可以是一個可以自動對準零件的液體鏡頭。自動對焦鏡頭在給定的距離上通常有一個固定的視場。
3）圖像傳感器-相機
　　照相機捕捉被檢查物體的正確照明圖像的能力不僅取決于鏡頭，而且還取決于照相機內的圖像傳感器。圖像傳感器通常使用電荷耦合器件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術，將光（光子）轉換成電信號（電子）。從本質上講，圖像傳感器的工作是捕捉光線并將其轉換為數字圖像，以平衡噪音、靈敏度和動態范圍。該圖像是一個像素的集合。弱光會產生黑暗的像素，而強光會產生較亮的像素。重要的是，要確保相機具有適合應用的傳感器分辨率。
　　分辨率越高，圖像的細節就越多，測量也就越準確。零件尺寸、檢查公差和其他參數將決定所需的分辨率。
　　2019年機器視覺相機市場份額：
　　CMOS圖像傳感器目前在工業視覺市場上占主導地位，擁有92%的市場銷售額，而CCD將繼續下降，并保持在醫療和國防等小眾、高端領域。
　　像素尺寸的縮小是帶來額外性能的基本趨勢；
　　圖像傳感器在邏輯IC上的堆疊進一步加速了圖像處理電路和像素的整合，導致新型芯片的出現；
　　集成，導致新類型的芯片出現：GS, 3D ToF...
　　人工智能將是集成的下一個層次
　　2019-2020年CMOS圖像傳感器技術的像素尺寸：
　　三維相機技術：性能、應用和工藝

工業圖像傳感器：工業用圖像傳感器的新動向

隨著視覺信息在工業應用中變得愈發重要，未來CMOS圖像傳感器將從工業應用中獲得巨大發展機遇。目前已有不少工業自動化應用中使用了CMOS圖像傳感器。然而隨著應用領域的擴大，CMOS圖像傳感器也面臨著諸多挑戰，解決這些挑戰正是未來CMOS傳感器發展的主要技術動向。
本文引用地址：
1 加快產品迭代滿足不斷提升的分辨率需求
在工業應用中，CMOS圖像傳感器非常重要的應用之一便是自動光學檢測（AOI，Automated Optical Inspection）。在顯示面板檢測、PCB（印制板）檢測等諸多應用中，人工檢測已無法勝任，只有依靠自動光學。而隨著面板尺寸和分辨率、PCB電路復雜度等的提升，檢測用CMOS圖像傳感器的像素要求也在不斷提升。
以顯示面板檢測為例，配套的AOI用CMOS圖像傳感器像素正在不斷提升——從早先的5 MP到12 MP，再到2018年主流的20 MP，以及今年開始廣泛使用的50 MP像素。
思特威目前正針對這一趨勢，設計開發分辨率更高的產品，以幫助工業用戶滿足其在AOI應用上的需求。
2 全局快門解決高速運動下的圖像變形問題
由于CMOS圖像傳感器逐行掃描式的成像原理，當成像物體高速運動時，便會產生“果凍效應”，導致成像變形。而在高速運動的生產線上，“果凍效應”嚴重影響了CMOS圖像傳感器的應用。
因此，業界推出了“全局快門”（Global Shutter）的概念。通過整片CMOS圖像傳感器整體曝光，可以實現高速物體成像無變形的效果，這對于目前炙手可熱的機器視覺與圖像識別算法的實現而言至關重要。
當然，全局快門只是一個技術點，目前思特威的SmartGS系列產品將BSI（Backside Illuminated，背照式）、單幀HDR等技術應用于全局快門CMOS圖像傳感器中，面向工業推出了多款具有競爭力產品，未來還將繼續研發及發布更高性能的產品。
3 獨特技術優勢應對復雜光照條件
在很多工業應用環境中，由于環境或其他因素的限制，往往存在十分復雜的光照條件，例如低光照、明暗對比極大等情況。這就要求所采用的CMOS圖像傳感器擁有非常優秀的低光照性能和高動態范圍（HDR）性能。
思特威在低光照、HDR等方面都擁有不俗的技術優勢，而通過將這些技術優勢應用于工業用CMOS圖像傳感器產品，思特威先后推出了具有高感度和HDR功能的CMOS傳感器產品SC2210、SC4210。這兩款產品主要針對復雜環境，能夠實現具備高適應性的成像性能。
4 創新工藝助芯片適應惡劣工作條件
提到工業應用，嚴苛的工作溫度是所有相關傳感器不可回避的問題之一。傳統CMOS圖像傳感器芯片的工作溫度范圍往往不能滿足工業應用的需求，這就要求CMOS圖像傳感器芯片設計者從設計、制造、封裝等多個層面出發，擴大工作溫度。
2019年7月，思特威發布了兩款全新工業級CMOS圖像傳感器——SC2310T與SC4210T。這兩款產品兼具思特威獨特的像素技術與業界領先的工作溫度范圍，能夠為惡劣工作環境中的應用提供超低光照條件下的極佳成像性能，以及高達100 dB的動態范圍。

工業圖像傳感器：這兩款全新工業級CMOS圖像傳感器，有哪些技術看點？

接觸器
近日，CMOS圖像傳感器供應商思特威科技（SmartSens）發布了兩款全新工業級CMOS圖像傳感器——SC2310T與SC4210T。據悉，這兩款產品兼具思特威科技獨特的像素技術與業界領先的工作溫度范圍，能夠為惡劣工作環境中的應用提供超低光照條件下的極佳成像性能，以及高達100db的動態范圍。
當前，隨著CMOS圖像傳感器應用場景的不斷擴大，CMOS圖像傳感器在部分場景中需要面對來自超低光照條件和極端工作溫度所帶來的挑戰。為了滿足市場的需要，思特威科技結合其獨特的像素技術，針對這些應用場景開發了SC2310T與SC4210T兩款產品，能夠在-40攝氏度至85攝氏度的工作溫度范圍內，為工業應用提供更低功耗條件下更高的低光照成像性能，SNR1s達到業內領先的0.21 lux。
此外，分辨率為200萬像素的SC2310T與400萬像素的SC4210T均采用了BSI背照式像素技術，支持高動態范圍（HDR）模式下60Hz的幀率，從而實現清晰準確的成像效果。
思特威科技首席市場官姚汝暉表示：“思特威科技成立9年來，我們開發了種類豐富的CMOS圖像傳感器產品，被廣泛應用于諸多場景，例如運動相機、無人機、掃地機器人、行車記錄儀、安防攝像頭以及智能家居等。而此次推出的SC2310T和SC4210T，則將我們產品的應用場景進一步拓展，幫助我們的客戶開發出諸多適應惡劣工作環境和超低光照條件的產品，以滿足市場日益增加的需求。”
目前，SC2310T與SC4210T樣片已經面世，預計將于2019年7月實現量產。