工业图像传感器：CMOS图像传感器各细分领域市场分析

　　IC Insights报告显示，2019年CMOS图像传感器的销售额将增长9%，达到155亿美元，出货量将增长11%，达61亿颗，两项数值均创纪录。未来全球CMOS图像传感器市场将持续创新高，IC Insights预估，2020年销售额将再增长4%，达到161亿美元；2022年图像传感器市场将成长至190亿美元，将较2018年预估值大增近4成。
　　CMOS图像传感器这个大蛋糕，人人都想抢食。纵观全球图像传感器市场，其应用正从移动设备逐渐拓展为更多领域。目前手机摄像头是CMOS图像传感器的最大终端市场，但未来五年，包括汽车电子、医疗、安防、工业、物联网等领域将实现爆发。
　　手机：国产CMOS图像传感器爆发，国内外差距正不断缩小
　　长期以来，CMOS市场被索尼、三星等日韩厂商主导。据IHS Markit的数据，在CMOS图像传感器领域，索尼以49.2%的市占率居于榜首，三星与豪威市占率分别为19.8%与11.2%，前六大厂商占据90.8%的市场份额，市场高度集中。而随着国内的CIS玩家格科微、思特威和思比科等的入局和发展，或将打破国外高度垄断的壁垒。
　　国内外CIS产业差距在过去的十年内不断缩小，以往在制造质量、产品成像性能及供货方面的差距，因近年来供应链共享，大型公司垂直市场的整合以及中国本土市场发展等因素的推动，正在逐步消失。
　　值得一提的是，在特定领域，国产厂商的出货量甚至已经赶超国际厂商。宏观上看，手机摄像头领域国际厂商依旧处于引领地位，但微观来看，除苹果及三星的手机摄像头外，中国手机品牌市场（包括多摄像头系统），本土企业的渗透率已经很高，由此趋势看来，国产CMOS产品与国际厂商产品比肩的时代或许已经不远。
　　另外，在当前国产进口替代需求、国家政策以及创新应用三大成长动力的带动下，中国半导体产业技术水平的提升将成为势不可挡的趋势。
　　尽管如此，面对几个强劲的“老玩家”，国产CIS厂商要做的还有很多。对于图像传感器领域，我们在发展技术水平的基础上，还需要紧跟时代潮流，另辟应用领域的“蹊径”。当前，图像传感器的应用正从移动设备逐渐向更多领域发展，而这些新兴领域是众厂商的必争之地，也是中国图像传感器市场的发展机遇。
　　未来，在手机领域，CIS技术将向尺寸越大方向发展。CIS尺寸对照相素质的影响至关重要，CIS尺寸越大，对进入摄像头的光线信息捕捉的越多，对相片的还原效果就越好。手机CIS厂商都在尽可能的扩大CIS的感光面积以获得更好的成像质量。
　　安防：2020年的需求量将达9.12亿美元，复合增长率36%
　　无论是家用还是在外部场景中运用到的安防、监控以及AI领域用到摄像头会不断增加，因为我们看到现在所有数据都会通过互联网上传到云端处理。这一点对于其他国家地区可能暂时无法预估，但对于国内来说的确是未来的一个发展趋势。
　　据IC Insights报告显示，预计2020年CMOS图像传感器的销售额将再增长4%，将达到161亿美元。其中全球安防监控领域CMOS传感器在2020年的需求量有望达到9.12亿美元，复合增长率为36%。
　　在这样的市场需求背景下，国内CMOS图像传感器产业也催生出越来越多优秀的厂商。
　　另外，在安防领域，CIS技术将发展走向以下四种趋势：
　　超低照度和超高红外感应：在安防监控的领域，普遍需求更低的低照和超高的红外感应的性能来做到现场监控及录像回放时来实现更清晰的辨识人物和物体。
　　高信噪比：信噪比越高，传输图像信号质量越高。
　　高动态范围：高动态范围是指在非常强烈的对比下让摄像机看到影像。当强光源照射及阴影、逆光等同时存在时，明亮区域曝光过度呈白色，黑暗区域呈黑色，严重影响图像质量。
　　高帧率：更高的帧率能有效的解决快速移动的物体摄像机拍摄时所引起的拖影现象，通常应用在道路监控等领域。
　　汽车电子：汽车图像传感器全球销量呈逐年增长趋势
　　车载领域的CIS应用包括：后视摄像(RVC)，全方位视图系统(SVS)，摄像机监控系统(CMS)，FV/MV，DMS/IMS系统 。
　　汽车图像传感器全球销量呈逐年增长趋势。 后视摄像(RVC)是销量主力军，呈稳定增长趋势，2016年全球销量为5100万台，2018年为6000万台，2019年预计达到6500万台。 FV/MV全球销量增长迅速，2016年为1000万台，2018年为3000万台，此后，预计FV/MV将依旧保持迅速增长趋势，预计2019年销量可达4000万台，2021可达7500万台，直逼RVC全球销量。
　　汽车图像传感器全球市场
　　质量方面，车载CIS需要比工业级别要求更高的车载安全级别，尤其是对与前置ADAS的镜头安全等级要求更高。
　　1）温度要求：车载摄像头温度范围在-40度-80度。
　　2）防磁抗震：汽车启动时会产生极高的电磁脉冲，车载摄像头必须具备极高的防磁抗震的可靠性。
　　3）较长的寿命：车载摄像头的寿命至少要在8-10年以上才能满足要求。
　　功能方面，车载摄像头要在复杂的运动路况环境下都都能保证采集到稳定的数据。
　　1）高动态：在较暗环境以及明暗差异较大下仍能实现识别，要求摄像头CMOS具有高动态的特性。
　　2）中低像素：为降低芯片处理的负担，摄像头的像素并不需要非常高。200以下像素已经能满足要求。
　　3）可视角度：对于环视和后视，一般采用135度以上的广角镜头，前置摄像头对视距要求更大，一般采用155度的范围
　　工业：全局快门技术已成为基本要求
　　在工业应用中，CMOS图像传感器非常重要的应用之一便是自动光学检测（AOI，Automated Optical Inspection）。在显示面板检测、PCB（印制板）检测等诸多应用中，人工检测已无法胜任，只有依靠自动光学。而随着面板尺寸和分辨率、PCB电路复杂度等的提升，检测用CMOS图像传感器的像素要求也在不断提升。
　　以显示面板检测为例，配套的AOI用CMOS图像传感器像素正在不断提升——从早先的5 MP到12 MP，再到2018年主流的20 MP，以及今年开始广泛使用的50 MP像素。
　　由于CMOS图像传感器逐行扫描式的成像原理，当成像物体高速运动时，便会产生“果冻效应”，导致成像变形。而在高速运动的生产线上，“果冻效应”严重影响了CMOS图像传感器的应用。
　　因此，业界推出了“全局快门”（Global Shutter）的概念。通过整片CMOS图像传感器整体曝光，可以实现高速物体成像无变形的效果，这对于目前炙手可热的机器视觉与图像识别算法的实现而言至关重要。
　　为了能够捕捉移动物体的清晰图像，全局快门技术已成为机器视觉市场的基本要求，其效率高低是关键的性能指标之一。
　　2018年Sony发布了全球首款全局快门背照式传感器。在此之前，市场上的所有背照式传感器均为卷帘快门，因而会在拍摄高速运动的物体时产生“果冻效应”造成物体严重变形，但拥有全局快门的传感器则能够通过让传感器上的单个像素点在同一时间捕捉到光线信号从而有效解决这一问题。
　　一般的CMOS感光器要实现全局快门必须在像素边安插可以存储电荷的继电器，将电荷临时存储，统一进入另行的ADC中。存储电荷的继电器不能感光，将占用光电二极管的有效感光面积，而导致感光器的灵敏度大幅下降。
　　SONY发布的产品采用了堆栈式结构，其每个像素的ADC结构并非和像素区在同层，而是分开在上下层（不用担心ADC占用感光区的有效面积），感光器的每个像素感光后，立即将同时曝光的模拟信号转换成数字信息存储在数字存储器中，从而达到完全同步的曝光时间。 而同时其堆栈式的上下层结构也另逻辑数字处理电路完全不占用有效的感光面积。
　　另外，传统CMOS图像传感器芯片的工作温度范围往往不能满足工业应用的需求，这就要求CMOS图像传感器芯片设计者从设计、制造、封装等多个层面出发，扩大工作温度。
　　医疗：医疗成像设备市场将达350亿美元
　　与其他具有更高产量和更高成本敏感性的市场相比，图像传感器在医疗影像市场应用有其鲜明的特点：其封装步骤通常由设备制造商控制。
　　图像传感器技术正逐渐在行业中创造颠覆性力量，从2014年开始，市场发展迅速，行业竞争加剧：韩国和中国出现更多新参与者，成为现有大型企业的潜在障碍，行业完全整合的可能性降低。
　　图像传感器在医疗影像市场具有多元应用场景：X-ray、内窥镜、分子成像、光学相干断层扫描以及超声成像 。
　　 医疗影像市场应用
　　医疗成像设备行业是一个巨大的350亿美元的市场，2016年至2022年预计复合年增长率达5.5％。
　　2016年，医疗传感器市场规模3.5亿美元，预计2016年至2022年复合增长率8.3％，到2022年将达6亿美元 。
　　根据应用技术不同，医疗图像传感器可分为CCD，CIS，a-Si FPD（非晶硅薄膜晶体管平面探测器），a-Se FPD（非晶硒薄膜晶体管平板探测器），SiPM（硅光电倍增管）、cMUT（电容微机械超声换能器）和pMUT（压电微机械超声换能器） 。其中，CMOS传感器凭借其在通过更小的像素尺寸获得更高分辨率、降低噪声水平和暗电流以及低成本方面的优越性在医疗影像领域得到越来越广泛的应用，未来市场看涨。
　　目前，CMOS图像传感器主要应用于X-Ray以及内窥镜领域。目前，X射线成像几乎完全基于半导体技术。使用非晶硅（aSi）和CMOS的平板探测器占据了市场的最大份额，其次是硅光电二极管阵列探测器。预计铟镓锌氧化物（IGZO）平板将于2021年进入市场，直接与aSi和CMOS竞争，但CMOS仍然是主流应用。
　　2018年，以CMOS X-Ray成像设备市场收入2.45亿美元，预计2024年将增长到5.1亿美元，年复合增长率13%。
　　未来，CIS技术在医疗领域的发展趋势如下：
　　（1）X光机市场上图像传感器将由非晶硅转向CMOS
　　在医疗和生物用图像传感器市场上，X光机使用的大尺寸传感器占了大部分份额，在该领域的收益中占到90％。
　　非晶硅技术适合以低辐射剂量进行大面积体表照射。但由于像素尺寸最小为100μm左右，因此分辨率不足以用于一些特殊的用途。另外，读取速度也有限，因此处理性能达不到手术中的萤光透视等实时摄像要求的水平。
　　随着CMOS处理器的成本不断下降，使用CMOS处理器的超薄平板探测器开始抢占非晶硅平板探测器的份额。
　　（2）单一光子检测掀起癌症治疗革命
　　由于照到CMOS传感器上的单一光子能量已经能够测量出来，现在完全可以处理光子所穿透的体组织的信息了。如果癌的实际尺寸和扩散程度能够准确拍成图像，这将掀起一场癌症治疗革命。
　　（3）3D成像对牙科有帮助
　　CMOS超薄面板还能以远低于现有CT技术的辐射剂量实现 3D成像。这有助于检查患者的牙齿咬合情况，还有助于简化假牙的制作和安装。
　　（4）内窥镜将走向“chip-to-tip”
　　柔性内窥镜的主要趋势是“chip-to-tip”。就是将很小的传感器芯片移到内窥镜顶端以减小内窥镜尺寸，为传递电信号用细线代替光纤，为简化插入操作而提高柔软度。另外，低成本CMOS传感器还有望实现一次性内窥镜。这是因为，存在购买新的内窥镜比消毒成本更低以及消毒不到位等情况。通过更好的设计，像素的灵敏度和信噪比将得到改善。
　　物联网：AI将是CMOS图像传感器最活跃的市场之一
　　众所周知，未来将会是一个万物互联的时代，而实现万物互联则需要进行数据采集，在许多应用场景中，数据采集的工作都是通过摄像头来完成。这也意味着，CMOS图像传感器市场需求增长的脚步还会持续加快。
　　其中，AI将是CMOS图像传感器最活跃的市场之一。摄像头作为AI前端的数据采集设备，未来将会继续保持快速增长，并持续向高端化方向发展。
　　诚然，未来随着人工智能、IoT、ADAS等新技术应用的不断成熟发展，新技术与新应用的落地也为CMOS图像传感器提供了巨大的潜在市场。例如，为了提升机器的感知力，未来图像传感器势必往小型化、便捷化的方向继续发展，搭载AI运算的智能机器人也将成为智能化发展的趋势。在人脸识别、智能交互功能的带动下，以智能识别支付系统、智能门禁系统、身份识别和远程医疗分析等应用落地普及为支点，IoT产业将持续拉动CMOS图像传感器的市场需求体量。
　　值得一提的是，受到2020年初突然爆发的疫情影响，未来实时身份认证系统、远程健康监控及远程医疗电子设备的广泛应用前景看好，并有望进一步落地普及，这或将带来下一轮技术创新的热潮。
　　结语：
　　图像传感器是当今应用最普遍、重要性最高的传感器之一。手机是CMOS传感器的最大应用市场，汽车、安防等新应用领域也正在高速成长。 随着多摄像头手机的普及以及自动驾驶技术的发展，相信CMOS传感器的高速发展仍不会停止。

工业图像传感器：工业机器视觉：光源，镜头，图像传感器相机

工业机器视觉：光源，镜头，图像传感器相机
　　Edited by 4thInstitute
一、工业机器视觉系统
　　工业机器视觉系统可分为嵌入式系统与板卡式系统(PC-based)两类。中国工业机器视觉系统中嵌入式机器视觉系统约占三分之二，PC-based机器视觉系统占比三分之一。
　　PC-based系统很容易与直接连接的相机或图像采集板连接，并得到可配置的机器视觉应用软件的支持。此外，个人电脑提供了丰富的自定义代码开发选项，使用相应的编程语言，如VisualC/C++、Visual Basic和Java，以及图形化编程环境。然而，开发往往是漫长而复杂的，所以通常适用于非标定制设备，并且需要高级机器视觉用户和程序员来开发。
　　中国工业机器视觉系统由外资企业主导，主要有康耐视，基恩士，欧姆龙，西克和邦纳，其中康耐视和基恩士两家居于龙头领先地位。本土企业非常分散，其中大恒，奥普特，凌华科技和凌云光子等位于前列。
　　工业机器视觉系统的上游为组成机器视觉系统的零部件，主要包括光源、镜头、工业相机、图像采集卡和平台软件。在上游部件中工业相机的规模最大，平台软件的占比最小。上游部件中，平台软件与镜头的市场集中程度高，由外资主导；工业相机、光源、图像采集卡的本土化程度高，竞争激烈。
二、工业机器视觉核心零部件厂商：
三、零部件简介：
1）光源
　　打光是成功的机器视觉结果的一个关键。机器视觉系统通过分析物体的反射光来创建图像，而不是通过分析物体本身。照明技术涉及光源及其相对于部件和相机的位置。特定的照明技术可以增强图像，使其否定一些特征而增强其他特征，通过使一个零件的轮廓变得更清晰，从而使该零件变得更漂亮。
背光
　　对于只需要外部或边缘测量的应用场景，背光增强了物体的轮廓。背光有助于检测形状，使尺寸测量更可靠。
轴向漫射光
　　轴向漫射照明将光线从侧面（同轴）耦合到光路中。使用一面半透明的镜子从侧面照亮，将光线向下投射到零件上。该部件通过半透明的镜子将光线反射到相机上，从而形成一个非常均匀的照明和均匀的图像。
结构光
　　结构光是以已知角度向物体投射光型（平面、网格或更复杂的形状）。它对于提供与对比度无关的表面检查、获取尺寸信息和计算体积非常有用。
暗场照明
　　定向照明更容易揭示表面缺陷，包括暗场和明场照明。暗场照明通常是低对比度应用的首选。在暗场照明中，镜面反射光从相机反射出去，来自表面纹理和高程变化的漫射光反射到相机中。
亮场照明
　　亮场照明是高对比度应用的理想选择。但是，高方向性光源（如高压钠和石英卤素）可能会产生尖锐的阴影，并且通常不会在整个视野中提供一致的照明。因此，发光或反射表面上的热点和镜面反射可能需要更漫射的光源，以便在明亮区域提供均匀的照明。
漫射穹顶照明
　　漫射穹顶照明为感兴趣的特征提供最均匀的照明，并且可以掩盖不感兴趣的不规则现象，可能会对场景产生混淆。
频闪照明
　　频闪照明在高速应用中用于冻结移动物体以供检查。使用闪光灯也有助于防止模糊。
2）镜头
　　镜头捕捉图像并将其传递给相机中的图像传感器。镜头的光学质量和价格各不相同，所使用的镜头决定了所捕获图像的质量和分辨率。大多数视觉系统相机提供两种主要类型的镜头。
　　可换镜头和固定镜头。可更换的镜头通常是C-卡口或CS-卡口。镜头和镜头的正确组合将获得最佳的图像。作为独立视觉系统的一部分，固定镜头通常使用自动对焦，它可以是一个机械调整的镜头，也可以是一个可以自动对准零件的液体镜头。自动对焦镜头在给定的距离上通常有一个固定的视场。
3）图像传感器-相机
　　照相机捕捉被检查物体的正确照明图像的能力不仅取决于镜头，而且还取决于照相机内的图像传感器。图像传感器通常使用电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）技术，将光（光子）转换成电信号（电子）。从本质上讲，图像传感器的工作是捕捉光线并将其转换为数字图像，以平衡噪音、灵敏度和动态范围。该图像是一个像素的集合。弱光会产生黑暗的像素，而强光会产生较亮的像素。重要的是，要确保相机具有适合应用的传感器分辨率。
　　分辨率越高，图像的细节就越多，测量也就越准确。零件尺寸、检查公差和其他参数将决定所需的分辨率。
　　2019年机器视觉相机市场份额：
　　CMOS图像传感器目前在工业视觉市场上占主导地位，拥有92%的市场销售额，而CCD将继续下降，并保持在医疗和国防等小众、高端领域。
　　像素尺寸的缩小是带来额外性能的基本趋势；
　　图像传感器在逻辑IC上的堆叠进一步加速了图像处理电路和像素的整合，导致新型芯片的出现；
　　集成，导致新类型的芯片出现：GS, 3D ToF...
　　人工智能将是集成的下一个层次
　　2019-2020年CMOS图像传感器技术的像素尺寸：
　　三维相机技术：性能、应用和工艺

工业图像传感器：工业用图像传感器的新动向

随着视觉信息在工业应用中变得愈发重要，未来CMOS图像传感器将从工业应用中获得巨大发展机遇。目前已有不少工业自动化应用中使用了CMOS图像传感器。然而随着应用领域的扩大，CMOS图像传感器也面临着诸多挑战，解决这些挑战正是未来CMOS传感器发展的主要技术动向。
本文引用地址：
1 加快产品迭代满足不断提升的分辨率需求
在工业应用中，CMOS图像传感器非常重要的应用之一便是自动光学检测（AOI，Automated Optical Inspection）。在显示面板检测、PCB（印制板）检测等诸多应用中，人工检测已无法胜任，只有依靠自动光学。而随着面板尺寸和分辨率、PCB电路复杂度等的提升，检测用CMOS图像传感器的像素要求也在不断提升。
以显示面板检测为例，配套的AOI用CMOS图像传感器像素正在不断提升——从早先的5 MP到12 MP，再到2018年主流的20 MP，以及今年开始广泛使用的50 MP像素。
思特威目前正针对这一趋势，设计开发分辨率更高的产品，以帮助工业用户满足其在AOI应用上的需求。
2 全局快门解决高速运动下的图像变形问题
由于CMOS图像传感器逐行扫描式的成像原理，当成像物体高速运动时，便会产生“果冻效应”，导致成像变形。而在高速运动的生产线上，“果冻效应”严重影响了CMOS图像传感器的应用。
因此，业界推出了“全局快门”（Global Shutter）的概念。通过整片CMOS图像传感器整体曝光，可以实现高速物体成像无变形的效果，这对于目前炙手可热的机器视觉与图像识别算法的实现而言至关重要。
当然，全局快门只是一个技术点，目前思特威的SmartGS系列产品将BSI（Backside Illuminated，背照式）、单帧HDR等技术应用于全局快门CMOS图像传感器中，面向工业推出了多款具有竞争力产品，未来还将继续研发及发布更高性能的产品。
3 独特技术优势应对复杂光照条件
在很多工业应用环境中，由于环境或其他因素的限制，往往存在十分复杂的光照条件，例如低光照、明暗对比极大等情况。这就要求所采用的CMOS图像传感器拥有非常优秀的低光照性能和高动态范围（HDR）性能。
思特威在低光照、HDR等方面都拥有不俗的技术优势，而通过将这些技术优势应用于工业用CMOS图像传感器产品，思特威先后推出了具有高感度和HDR功能的CMOS传感器产品SC2210、SC4210。这两款产品主要针对复杂环境，能够实现具备高适应性的成像性能。
4 创新工艺助芯片适应恶劣工作条件
提到工业应用，严苛的工作温度是所有相关传感器不可回避的问题之一。传统CMOS图像传感器芯片的工作温度范围往往不能满足工业应用的需求，这就要求CMOS图像传感器芯片设计者从设计、制造、封装等多个层面出发，扩大工作温度。
2019年7月，思特威发布了两款全新工业级CMOS图像传感器——SC2310T与SC4210T。这两款产品兼具思特威独特的像素技术与业界领先的工作温度范围，能够为恶劣工作环境中的应用提供超低光照条件下的极佳成像性能，以及高达100 dB的动态范围。

工业图像传感器：这两款全新工业级CMOS图像传感器，有哪些技术看点？

接触器
近日，CMOS图像传感器供应商思特威科技（SmartSens）发布了两款全新工业级CMOS图像传感器——SC2310T与SC4210T。据悉，这两款产品兼具思特威科技独特的像素技术与业界领先的工作温度范围，能够为恶劣工作环境中的应用提供超低光照条件下的极佳成像性能，以及高达100db的动态范围。
当前，随着CMOS图像传感器应用场景的不断扩大，CMOS图像传感器在部分场景中需要面对来自超低光照条件和极端工作温度所带来的挑战。为了满足市场的需要，思特威科技结合其独特的像素技术，针对这些应用场景开发了SC2310T与SC4210T两款产品，能够在-40摄氏度至85摄氏度的工作温度范围内，为工业应用提供更低功耗条件下更高的低光照成像性能，SNR1s达到业内领先的0.21 lux。
此外，分辨率为200万像素的SC2310T与400万像素的SC4210T均采用了BSI背照式像素技术，支持高动态范围（HDR）模式下60Hz的帧率，从而实现清晰准确的成像效果。
思特威科技首席市场官姚汝晖表示：“思特威科技成立9年来，我们开发了种类丰富的CMOS图像传感器产品，被广泛应用于诸多场景，例如运动相机、无人机、扫地机器人、行车记录仪、安防摄像头以及智能家居等。而此次推出的SC2310T和SC4210T，则将我们产品的应用场景进一步拓展，帮助我们的客户开发出诸多适应恶劣工作环境和超低光照条件的产品，以满足市场日益增加的需求。”
目前，SC2310T与SC4210T样片已经面世，预计将于2019年7月实现量产。