【導(dǎo)讀】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(dòng)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(chǎng)需求和應(yīng)用場(chǎng)景至關(guān)重要。
市場(chǎng)分析
圖1 CMOS傳感器市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)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(cè)到年復(fù)合增長率CAGR在8-11.8%之間,屬于穩(wěn)步增長趨勢(shì),主要是消費(fèi)電子、安防、電動(dòng)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(chǎng)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(hào)框圖
參照?qǐng)D2信號(hào)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(shì)阱里(potential well)完成積累。勢(shì)阱里的電子被浮動(dòng)擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)FD轉(zhuǎn)移并儲(chǔ)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(duì)阻抗進(jìn)行轉(zhuǎn)換,同時(shí)提高驅(qū)動(dòng)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(duì)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(hào)。在經(jīng)過數(shù)字放大器進(jìn)行放大,可對(duì)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(hào)比較弱的時(shí)候也可以分辨出來,獲得清晰的圖像信號(hào)。
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(jí)輔助駕駛系統(tǒng)ADAS。隨著汽車ADAS技術(shù)發(fā)展,智能等級(jí)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(jí)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(jí)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)態(tài)范圍和優(yōu)秀的弱光條件,確保保持高動(dòng)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(shí)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(dòng)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(cè)應(yīng)用對(duì)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(dòng)的物體成像。但在快速移動(dòng)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生空間失真變形,無法正確還原運(yùn)動(dòng)物體形狀,無法對(duì)圖像進(jìn)行有效AI識(shí)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(cè)快速移動(dòng)物體,特別是高速裝配線上,有利于高速成像和AI識(shí)別物品外觀形狀,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(cè),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(huì)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。
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