图像传感器市场分析以及原理和应用

【导读】随着国家不断推进新基建（5G基站、特高压、工业互联网、轨道交通、大数据中心、新能源汽车和充电桩、人工智能），为经济发展注入新动力，其中图像传感器是新基建设备和工业环境的各种状态信息获取的重要载体，了解目前图像传感器的市场需求和应用场景至关重要。

市场分析

图1 CMOS传感器市场规模预测和品牌占比

（来源于bilibili网站 作者Neon 致远《智能驾驶系列二：CMOS图像传感器》）

从图1可以看出，2021-2026的预测到年复合增长率CAGR在8-11.8%之间，属于稳步增长趋势，主要是消费电子、安防、电动汽车、医疗等行业带来的需求增长，目前SONY占据近40%市场份额，三星是25%，豪威是13%，Onsemi是4.5%。

CMOS图像传感器（CIS）原理

图2 CMOS图像传感器内部信号框图

参照图2信号链路，光子透过滤色片，进入CMOS 光电二极管PD转化成电子，并捕获到势阱里（potential well）完成积累。势阱里的电子被浮动扩散节点FD转移并储存到CFD电容里，其中量子效率QE用来衡量光子变电子的转换程度，在电容释放电荷的过程中，这个CFD电容完成电荷到电压的转换，使用源极跟随器对阻抗进行转换，同时提高驱动能力，然后使用可编程增益放大器PGA（增益相当于相机拍照ISO参数设置）对输入的电压进行放大，然后使用ADC进行数模转换，转成成数字信号。在经过数字放大器进行放大，可对每个像素点间光强度差距进行区分，使得CMOS在光信号比较弱的时候也可以分辨出来，获得清晰的图像信号。

图像传感器在汽车方面的应用

车载领域COMS图像传感器应用包括前视后视摄像，360环视系统，座舱监控系统，高级辅助驾驶系统ADAS。随着汽车ADAS技术发展，智能等级从L2逐渐发展到L4/L5，需要更多的车载摄像头。如下图3和图4列举不同智能等级所需的摄像头的数量和汽车上摄像头位置分布情况。

图3 不同智能等级下摄像头需求数量

图4 摄像头在汽车位置分布

车载摄像头采集到的图像信息需要通过计算机进行处理再显示出来。因此电路里暗噪声、高动态范围、HDR、LED闪烁抑制等参数为关注重点，其中CMOS传感器响应动态范围要求120-140db，部分高端车型要求摄像头像素达500万（5MP, 拍出画面对应分辨率是2592×1944）。

ON AR0233AT 图像传感器为各种各样的汽车应用提供出色的灵敏度，拥有2048x1280，1080p分辨率，60帧输出，提供大于140分贝的动态范围和优秀的弱光条件，确保保持高动态范围输出。另外，为限制 LED 照明和交流电源闪烁的出现，采用LED 闪烁缓解(LFM) 技术，有利于摄像头的机器视觉识别准确度。

图像传感器在工业成像的应用

在工业自动化方面需要使用快速相机来判断物品位置和外观形状，以便及时通知机械手臂在哪寻找抓取物品，或者用于做计件检验方面，能够快速计算出物品数量。

相机系统做出快速精准决策需要高速清晰的图像成形，不同的检测应用对图像的分辨率、清晰度、噪声、帧率等都有不同的要求。

图5 工业相机应用示意图

其中全局快门是实现高速视觉成像的关键，传统的卷帘快门图像传感器使用逐行曝光方式，只是适用于静态或慢速移动的物体成像。但在快速移动物体时会产生空间失真变形，无法正确还原运动物体形状，无法对图像进行有效AI识别。

全局快门图像传感器通过完全同时同步曝光捕获所有像素，可以检测快速移动物体，特别是高速装配线上，有利于高速成像和AI识别物品外观形状，实现自动判断次品等功能。

除以上提及的汽车和工业相机应用之外，图像传感器还可以应用于无人机摄像，AR/VR 3D纵深环境检测，医疗上的胃镜图像成型等。

结语

可以预见，配合高性能边缘运算，未来会涌现有更多不同的功能且高可靠性和高性能的应用方案。

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