标签: 光学图像信号

自登陆火星后，“毅力号”火星车发回的高清照片不断惊艳世界。而在记录人类又一个“首次”的历史纪念中，CMOS图像传感器也贡献了自己的力量。 把时间拉回到2021年4月19日。 就在那天，美国国家航空航天局（NASA）宣布，“机智号”无人直升机成功完成火星首飞，并完成3米高度悬停30秒的高难度动作。 人造航空器首次在另一个行星上受控飞行的精彩表现，通过距此约76米外的“毅力号”探测器传回地球。值得一提的是，“毅力号”火星车搭载的23台相机中，有10台采用了艾迈斯欧司朗的CMV系列CMOS图像传感器。 这张全景图片正是毅力号上搭载艾迈斯欧司朗CMV系列图像传感器的导航相机于2021年2月20日拍摄的，由6张单独的图像在传回地球后拼接而成。 从90年代初期开启自己的时代到一路飞向太空，CMOS图像传感器似乎已掌握了“流量密码”，找到一条属于自己的路，不断开疆拓土。 1 、 图像传感器中的“潜力股” 作为一种能够将光学图像信号转化为数字信号的电子器件，CMOS图像传感器一直是摄像头的核心器件，凭借着消费电子、甚至汽车、安防、机器视觉、医疗等多个下游应用的广阔市场，CMOS图像传感器增长迅速。 据Yole Development预计，CMOS传感器2026年全球市场规模将扩大至315亿美元，较2020年市场规模提升50%。 回归中国市场，根据头豹研究院公布的最新数据，中国CMOS图像传感器行业在消费、汽车、安防等不同应用领域的渗透程度不断加深，2021年，中国传感器行业营收市场规模为2,851亿元，CMOS图像传感器占比位居第二，达26.5%。 随着高新技术不断进步，CMOS图像传感器的需求被进一步释放，正在推动整体传感器市场扩容。 2 、 迎来属于自己的时代 1873年，科学家约瑟·美(Joseph May) 及伟洛比·史密夫(Willoughby Smith)就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，由此，电子影像发展开始，随着技术演进，图像传感器性能逐步提升。 一路历经光学倍增管（PMT）、光电及双极二极管阵列、CCD图像传感器，上世纪90年代末，CMOS迎来了自己的时代。 相比于CCD图像传感器，CMOS的优势主要集中在以下3方面： 1）成本：CMOS 图像传感器芯片一般采用适合大规模生产的标准流程工艺，在批量生产时单位成本得以远低于CCD； 2）尺寸：CMOS图像传感器能够将图像采集单元和信号处理单元集到同一块基板上，体积得到大幅缩减，使之非常适用于移动设备和各类小型化设备； 3）功耗：CMOS图像传感器相比于CCD还保持着低功耗和低发热的优势。 也是凭借这些优势，如今CMOS图像传感器已占据了市场的绝对主导地位，基本实现对CCD图像传感器的取代。 3 、 这些领域最有看头 当前，如果要细数CMOS图像传感器的主流应用行业，消费电子、汽车和安防监控是绝对的看点，一一来说： 消费电子占比最大： 从下游应用领域来看，目前CMOS图像传感器最大市场为智能手机摄像头。 根据Yole Development数据，2021年全球CMOS图像传感器手机市场占比达到75.9%。这主要得益于近几年手机摄像往高分辨率、多摄像头方向发展，特别是当前高端手机的摄像头数量均在3~5个之间，拉升了对CMOS传感器的需求。 就中国市场，CMOS在智能手机领域的应用占比同样最大，高达61.8%。尽管当前受疫情、俄乌战争以及全球能源材料短缺而导致能源、原材料和食品通货膨胀等叠加因素的影响，消费者整体换机需求减慢，但业界预计2023年后伴随需求复苏，加上消费者对智能手机拍摄功能的需求继续加码，例如分辨率、清晰度、美观度和全场景适应能力等，都将继续推动CMOS图像传感器的发展。 汽车市场极具前景： 若从市场增速来看，汽车市场增长迅猛，2021年汽车CMOS市场占有率已经达到11.7%。在车载领域，CMOS图像传感器可以广泛应用例如后视摄像(RVC)，全方位视图系统(SVS)，摄像机监控系统（CMS），驾驶员状态监测（DMS）/乘客状态监测（IMS）系统等。 目前，自动驾驶已成为汽车产业智能化发展的趋势，而传感器作为自动驾驶的基石，有助于提升汽车行驶过程中的认知能力。随着电动车渗透率的上升以及智能驾驶的发展，单车CMOS传感器的使用量也在大幅增长，预计未来5年内车用摄像头将是CMOS市场增长的主要动力。 安防市场稳定增长 ：由于安防监控离不开视觉信息的获取，因此对图像传感器依赖较深，也是CMOS图像传感器市场增长较快的新兴行业领域之一。 2016年，中国视频监控行业市场规模为962亿元，2021年上升至1,556亿元，占中国安防市场18.4%，2016年至2021年复合增长率为10.1%，中国视频监控行业整体规模保持告诉发展，且中国安防市场对包括CMOS图像传感器在内的安防监控产品的需求也由一线城市延伸至二、三线城市及农村地区，推动CMOS图像传感器在安防领域的发展。 除了上述3大热门需求，近年来，艾迈斯欧司朗也观察到了医疗应用需求的涌现。由于传统的电荷耦合设备（CCD）图像传感器技术已不能满足医疗图像抓取应用的需要，CMOS图像传感器逐渐在医疗电子应用崭露头角，一些常用的医疗器械如医疗内窥镜均因为CMOS图像传感器使得性能有大幅度提升。 例如，艾迈斯欧司朗“小如针头”的NanEye微型CMOS图像传感器配置相应的最小型数码摄像头模组，可提供仅为1毫米x 1毫米的模组封装，是内窥镜的理想元器件。 4 、 技术和应用，拓展ing 当然，除了领域上的开疆拓土，技术维度上CMOS也是一路进阶。 近年来，全局快门在 CMOS 图像传感器领域中的应用广度与深度都在迅速提升。采用全局快门模式的 CMOS 图像传感器，每个像素处都增加了采样保持单元，使得所有的像素可以同时用以捕获图像，从而避免了在高速拍摄场景下因每行像素曝光时间差异而形成的“果冻效应”。 目前来看，全局快门 CMOS 图像传感器在全球新兴领域的主要应用覆盖无人机、扫地机器人、AR/VR、新型家用式游戏主机、智能教学终端和翻译笔等新型智能产品。 CMOS 图像传感器作为这类智能产品视觉模块的重要组成部分，其综合性能的提升对于此类产品的升级换代至关重要。而只有高帧速的全局快门 CMOS 图像传感器才能更好满足这类新兴应用对于无形变和高速捕捉等成像需求。 开篇中介绍的用于“毅力号”火星探测器的2款艾迈斯欧司朗图像传感器——CMV20000以及CMV4000，均为全局快门CMOS图像传感器。而在“毅力号”火星车中的应用，也成为它们可在极端恶劣的环境下持续提供优越图像拍摄性能的最好背书。 艾迈斯欧司朗自身也希望将这些性能优越的CMOS图像传感器从相机、智能手机等消费电子类应用上进一步扩大范围，用于工业视觉、AR/VR等广泛领域。 就在几个月前，艾迈斯欧司朗新近推出了一款220万像素全局快门式可见光和近红外(NIR)图像传感器—— Mira220图像传感器。 通过采用背照(BSI)技术和堆叠式芯片设计，Mira220生产可实现芯片级封装，尺寸仅为5.3mm x 5.3mm，具有最新的2D和3D传感系统所需的低功耗和小尺寸特点，非常适合AR/VR产品、无人机、机器人、智能门锁和自动驾驶汽车等应用。 可以说，CMOS的这条应用疆土扩张路还在进行中。