目前智能傳感器廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)械、化工及醫(yī)藥等領(lǐng)域。隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)業(yè)的興起，智能傳感器在智能農(nóng)業(yè)、智能工業(yè)、智能交通、智能電網(wǎng)、健康醫(yī)療、智能穿戴等領(lǐng)域，都有著廣闊的應(yīng)用空間。

 

智能圖像傳感器是能夠捕捉和分析視覺信息，代替人眼做各種測(cè)量和判斷的設(shè)備，由圖像傳感器和視覺軟件組成，前者用于捕捉圖像，后者用于分析“看到”的內(nèi)容。典型的圖像傳感器可以分為：圖像采集、圖像處理和運(yùn)動(dòng)控制三個(gè)部分。它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、信號(hào)處理、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)域。

 

根據(jù)感光器件的不同，圖像傳感器可以分為CCD和CMOS兩種。兩者都執(zhí)行相同的步驟：光電轉(zhuǎn)換——電荷累積——輸出——轉(zhuǎn)換——放大。

 

 

CCD成像儀主要由兩部分構(gòu)成：濾色器和像素陣列，微透鏡將光線漏光到每個(gè)像素的光敏部分上，當(dāng)光子通過濾色器陣列時(shí)，像素傳感器開始捕獲通過的光的強(qiáng)度，然后對(duì)光信號(hào)進(jìn)行組合，統(tǒng)一輸送到外部線路進(jìn)行A/D處理。與CCD相比，CMOS是具有像素傳感器陣列的集成電路，其每個(gè)像素傳感器都有自己的光感傳感器、信號(hào)放大器和像素選擇開關(guān)。

 

 

智能傳感器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)主要有三種：非集成化實(shí)現(xiàn)、混合形式、集成化實(shí)現(xiàn)。按照智能化的程度，分別對(duì)應(yīng)：初級(jí)、中級(jí)和高級(jí)形式。MEMS傳感器是指采用微機(jī)械加工和半導(dǎo)體工藝制造而成的新型傳感器。與傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等特點(diǎn)。從集成化的角度來說，MEMS傳感器是智能傳感器的未來。

 

 

目前最常見的智能圖像傳感器組件便是攝像頭，已普遍應(yīng)用于手機(jī)和可穿戴設(shè)備等消費(fèi)電子，目前手機(jī)、平板電腦市場(chǎng)趨于飽和，未來無人駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、AR、VR、無人機(jī)等新興智能領(lǐng)域?qū)?huì)成為智能圖像傳感器的新增需求點(diǎn)。在這些領(lǐng)域的主流傳感器組件分別是：攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)。其中激光雷達(dá)在探測(cè)距離、探測(cè)精準(zhǔn)度、天氣適應(yīng)性和夜視功能方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為未來高端成像設(shè)備的主流。

 

 

激光雷達(dá)的成像原理可簡單概括為：激光雷達(dá)的發(fā)射模塊發(fā)射出一束具有一定功率的激光束或者是光脈沖，然后經(jīng)散射鏡將光線散射出去，打到待探測(cè)目標(biāo)面上；反射回來的信號(hào)由激光雷達(dá)的接收模塊接收，經(jīng)過內(nèi)部的信號(hào)處理，結(jié)合強(qiáng)度像和距離像的融合，經(jīng)顯示設(shè)備輸出待測(cè)目標(biāo)的三維圖像。

 

 

與相機(jī)圖像不同，激光雷達(dá)可通過測(cè)量光線的飛行時(shí)間，測(cè)量物體距離。除此之外，相機(jī)的數(shù)據(jù)源單一，不可靠，雖具有完全360°的覆蓋范圍，但很容易被迎面而來的光線、黃昏或陰影中看不到東西所遮擋，無法區(qū)分遠(yuǎn)處的重要場(chǎng)景。以車用傳感器為例，分別對(duì)比攝像頭、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)，三者之間的區(qū)別如下圖所示：

 

 

 

20世紀(jì)90年代末期，隨著CMOS圖像傳感器工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，市場(chǎng)份額不斷擴(kuò)大，近年來市場(chǎng)占有率已經(jīng)超過90%，取代CCD成為主流。2016年CMOS的市場(chǎng)規(guī)模為103億美元，三大巨頭索尼（Sony）、三星（Samsung）和豪威（Omnivision）分別占比全球市場(chǎng)份額35%、19%和8%，合計(jì)占比62%，市場(chǎng)格局相對(duì)比較集中。

 

 

從區(qū)域市場(chǎng)的分布來看，根據(jù)Globle image sensor的預(yù)測(cè)，2012-2018年全球全球圖像傳感器市場(chǎng)規(guī)模同比增長率為4.35%，到2018年，市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)106.6億美元，增長主要集中在亞洲，中國將會(huì)成為最大的受益國。2012年北美、亞洲和歐洲和其他區(qū)域的市場(chǎng)份額分別為35%、34%、22%和9%，而到了2018年四大區(qū)域的市場(chǎng)份額分別為：27%、40%、18%和15%。

 

從下游應(yīng)用領(lǐng)域分布來看，當(dāng)前CMOS圖像傳感器主要應(yīng)用于智能手機(jī)和平板電腦，占比下游應(yīng)用70%左右。隨著嵌入式數(shù)字成像技術(shù)迅速擴(kuò)展，未來用于智能手機(jī)和平板電腦的CMOS的比例將會(huì)逐漸降低，汽車系統(tǒng)將成為CMOS圖像傳感器增長最快的應(yīng)用，到2020年汽車行業(yè)傳感器市場(chǎng)規(guī)?？稍鲩L至22億美元，約占市場(chǎng)總額152億美元的14％。2015年-2020年，汽車用CMOS全球銷售額復(fù)合年增長率可達(dá)55％。

 

 

在汽車行業(yè)之外，未來2015-2020年間，安全監(jiān)控領(lǐng)域可保持36％的年均復(fù)合增速，增長至9.12億美元；醫(yī)療/科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域可保持34％的年均復(fù)合增速，增長至8.67億美元；玩具/電子游戲可保持32％的年均復(fù)合增速，增長至2.74億美元；工業(yè)系統(tǒng)可保持18％的年均復(fù)合增速，增長至8.97億美元。

 

從應(yīng)用形式來看，CMOS傳感器的主要應(yīng)用為攝像頭模組（CCD）， 2014年全球CCD市場(chǎng)規(guī)模為201億美元，其中封裝、AF（自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)）& OIS（圖像穩(wěn)定系統(tǒng)）供應(yīng)商規(guī)模合計(jì)占比市場(chǎng)份額的72%，分別為72億美元和72.5億美元。根據(jù)Yole Développement預(yù)計(jì)，2020年CCD全球市場(chǎng)規(guī)?？稍鲩L至510億美元，6年間的年均復(fù)合增速為16.8%，其中封裝領(lǐng)域市場(chǎng)規(guī)模達(dá)225億美元，年均復(fù)合增速20%；AF & OIS市場(chǎng)規(guī)模達(dá)155億美元，年均復(fù)合增速13%。

 

 

目前手機(jī)、電腦用攝像頭是攝像頭模組下游應(yīng)用的最廣泛領(lǐng)域之一，未來隨著無人駕駛技術(shù)的逐步推進(jìn)，融合了圖像傳感器的車載攝像頭以及激光雷達(dá)，作為ADAS的解決方案將會(huì)面臨新一輪的增長，除了車感攝像頭之外，無人機(jī)和機(jī)器人領(lǐng)域、以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）領(lǐng)域都將是智能圖像傳感器的新的市場(chǎng)增長點(diǎn)。

 

 

相比手機(jī)攝像頭，汽車攝像頭的進(jìn)入壁壘更高，單價(jià)也是手機(jī)攝像頭的八倍左右（車載攝像頭價(jià)格在 32 美元（約合人民幣 197 元）左右，夜視用車感攝像頭更是高達(dá)上千美元。2016年ADAS的市場(chǎng)規(guī)模為105億美元，根據(jù) Strategy Analysis 預(yù)測(cè)，到2020 年ADAS 市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)300億美元，復(fù)合增長率可達(dá)24%。

 

 

隨著ADAS市場(chǎng)的爆發(fā)，車用攝像頭迎來了增長的風(fēng)口，作為ADAS全景系統(tǒng)的重要組成部分，市場(chǎng)上主流的ADAS解決方案中，一輛車至少安裝7個(gè)攝像頭，按照安裝的位置，分別分為：前視、后視、側(cè)視以及車內(nèi)監(jiān)控四大部分。目前來看歐美國家的ADAS的市場(chǎng)滲透率較高，在8%左右，而中國的滲透率較低，為3%左右。且歐美各國近期都紛紛出臺(tái)強(qiáng)制安裝ADAS系統(tǒng)的政策，未來ADAS系統(tǒng)的滲透率將會(huì)逐步提高，相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)到2020年全球新車ADAS系統(tǒng)的滲透率可達(dá)20%。

 

2005年-2015年，全球汽車產(chǎn)量由6593.4萬輛增長至8967.8萬輛，年均復(fù)合增速3%，預(yù)計(jì)未來仍以該速度增長，至2020年全球汽車產(chǎn)量可達(dá)1.04億輛，由此預(yù)估車用攝像頭的市場(chǎng)規(guī)模到2020年可達(dá)214.5億美元，年均復(fù)合增速為38.6%。

 

 

ADAS系統(tǒng)是無人駕駛的基礎(chǔ)，未來隨著ADAS系統(tǒng)技術(shù)的不斷成熟，無人車也將會(huì)進(jìn)入爆發(fā)增長階段。相比車感攝像頭，激光雷達(dá)可以探測(cè)到更遠(yuǎn)的距離，對(duì)惡劣天氣的適應(yīng)性更強(qiáng)，因而成為無人車視覺系統(tǒng)的首選。根據(jù)激光雷達(dá)的激光發(fā)射器的數(shù)量不同，目前Velodyne Lidar無人車系統(tǒng)用激光雷達(dá)售價(jià)在7999美元-8.5萬美元，未來隨著激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，成本可進(jìn)一步降低，對(duì)車感攝像頭的替代效應(yīng)也將凸顯。

 

 

根據(jù)BI Intelligence預(yù)測(cè)，未來自動(dòng)駕駛車輛（包括L1-L5）將會(huì)由2016年的50萬輛增長至2025年的2200萬輛，其中不包括能夠?qū)崿F(xiàn)L5的全自動(dòng)駕駛車輛，達(dá)到L5級(jí)別的全自動(dòng)駕駛車輛預(yù)計(jì)2025年之后將會(huì)出現(xiàn)。由于激光雷達(dá)的價(jià)格較貴，假設(shè)只有高自動(dòng)駕駛車才會(huì)安裝，目前高端車占比市場(chǎng)總量的4%左右，保守估計(jì)2017年到2025年車用激光雷達(dá)的市場(chǎng)規(guī)模可以由10.5億美元增長至80億美元，年均復(fù)合增長率在33%左右。

 

 

無人機(jī)和機(jī)器人有著極其廣泛的細(xì)分市場(chǎng)，包括消費(fèi)者無人機(jī)，自動(dòng)駕駛車輛，招待機(jī)器人，遠(yuǎn)程呈現(xiàn)等，預(yù)計(jì)無人機(jī)和機(jī)器人業(yè)每年將新增至少10種應(yīng)用，帶來約10億美元的收入。目前無人機(jī)和機(jī)器人傳感器的市場(chǎng)規(guī)模為3.51億美元，預(yù)計(jì)到2021年可增長至7.09億美元，年均復(fù)合增速可達(dá)12.4%。

 

 

具體到智能圖像傳感器在無人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用，目前主要是以相機(jī)模組的方式，搭載在無人機(jī)上，作航拍或者地圖測(cè)繪等需要成像的領(lǐng)域，2014年無人機(jī)出貨量為45萬臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模約7億美元，高盛預(yù)測(cè)，未來到2020年，無人機(jī)出貨量可達(dá)780萬臺(tái)，市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)33億美元，出貨量年均復(fù)合增速達(dá)60%。隨著無人機(jī)市場(chǎng)的爆發(fā)，無人機(jī)用攝像頭也將會(huì)迎來新增長，預(yù)計(jì)到2020年無人機(jī)用攝像頭市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)1億美元，2013-2020年年均復(fù)合增速達(dá)35.4%。目前激光雷達(dá)成本較高，多用于測(cè)繪用無人機(jī)上，未來隨著激光雷達(dá)技術(shù)不斷成熟，成本不斷下降，激光雷達(dá)在無人機(jī)市場(chǎng)的應(yīng)用也將會(huì)越來越多。

 

 

 

隨著AR和VR的應(yīng)用越來越廣泛，該市場(chǎng)包括了音頻、圖像、存儲(chǔ)器和處理器，幾乎可以涵蓋我們生活的方方面面。就近期而言，推動(dòng)AR/VR發(fā)展的九大動(dòng)力主要是：游戲、現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)、電影娛樂、保健、不動(dòng)產(chǎn)、零售、工業(yè)以及軍事，其初始驅(qū)動(dòng)力來源于個(gè)人消費(fèi)。高盛預(yù)計(jì)2025年，AR/VR軟件收入的60%將來源于個(gè)人，40%源自于企業(yè)和公共部門，而推動(dòng)AR/VR的應(yīng)用的三大動(dòng)力主要是：用戶體現(xiàn)、技術(shù)突破和內(nèi)容的拓展。

 

 

相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)2016年-2025年，AR/VR的市場(chǎng)規(guī)?？蓮?0億美元增長至800億美元，年均復(fù)合增速可達(dá)40%，其中硬件規(guī)?？捎?0億美元增長至420億美元。在未來市場(chǎng)增長一般的情況下，AR/VR設(shè)備的出貨量可由2016年的120萬臺(tái)增長至2020年的730萬臺(tái)，年均復(fù)合增速為57%。而在未來市場(chǎng)增長較好的情況下，AR/VR設(shè)備的出貨量由2016年的840萬臺(tái)增長至2020年的7000萬臺(tái)，年均復(fù)合增速可達(dá)68%。

 

由市場(chǎng)和出貨量我們可以估算出2016-2020年AR/VR設(shè)備的平均售價(jià)為2380美元/臺(tái)，未來隨著技術(shù)的不斷成熟，價(jià)格將會(huì)進(jìn)一步降低。保守估算AR/VR領(lǐng)域用攝像頭市場(chǎng)規(guī)模由2016年8400萬美元增長至2020年的7億美元，年均復(fù)合增速為70%。

 

 

具有微米級(jí)特征的MEMS傳感器正逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的主導(dǎo)地位，預(yù)計(jì)2021年，MEMS智能傳感器市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)200億美元，2016-2021年均復(fù)合增速為9%。攝像頭技術(shù)應(yīng)用比較成熟，激光雷達(dá)尚未實(shí)現(xiàn)商業(yè)量產(chǎn)，未來可重點(diǎn)關(guān)注能夠降低成本的固態(tài)激光雷達(dá)的實(shí)現(xiàn)方式。

三、智能圖像傳感器的技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢(shì)

 

 

智能傳感器的基本技術(shù)主要包括：功能集成化、人工智能材料的應(yīng)用、微機(jī)械加工技術(shù)、三維集成電路、圖像處理及DSP（數(shù)字信號(hào)處理）、數(shù)據(jù)融合理論（嵌入式數(shù)字成像技術(shù)），有兩種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，分別是：數(shù)字傳感器信號(hào)處理（DSSP）和數(shù)字控制的模擬信號(hào)處理（DCASP），一般采用DSSP模式，通常至少包括兩個(gè)傳感器：被測(cè)量傳感器（如圖像傳感器）和補(bǔ)償傳感器，傳感信號(hào)經(jīng)由多路調(diào)制器送到A/D轉(zhuǎn)換器，然后在送到微處理器進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償和校正，測(cè)量的穩(wěn)定性只能由A/D轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性決定。

 

 

具有微米量級(jí)特征的MEMS傳感器可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。因此，MEMS傳感器正逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械傳感器的主導(dǎo)地位，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、航空航天、機(jī)械、 化工及醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

 

 

MEMS 傳感器的門類品種繁多，目前壓力傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀是MEMS器件應(yīng)用最廣泛的器件，MEMS的市場(chǎng)總額為54.25億美元，其中壓力傳感器、加速度計(jì)和陀螺儀合計(jì)占比約45%，隨著各國對(duì)ADAS系統(tǒng)的重視，以及無人駕駛的爆發(fā)，未來汽車電子市場(chǎng)的增長將會(huì)成為驅(qū)動(dòng)MEMS市場(chǎng)增長的主要?jiǎng)恿Α?/div>