未來(lái)10年新興圖像傳感器技術(shù)應(yīng)用與市場(chǎng)

圖像傳感是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)和能力，其應(yīng)用范圍也非常廣泛，從網(wǎng)絡(luò)攝像頭、智能手機(jī)攝像頭到復(fù)雜的工業(yè)成像系統(tǒng)等。據(jù)IDTechEx預(yù)測(cè)，到2033年，在自主技術(shù)應(yīng)用的推動(dòng)下，新興圖像傳感市場(chǎng)將超過(guò)5.59億美元。

圖像傳感技術(shù)涵蓋SWIR（短波紅外檢測(cè)）圖像傳感器、混合傳感器、高光譜成像、基于事件的視覺(jué)、波前成像、混合傳感器、CCD、薄膜光電探測(cè)器、有機(jī)和鈣鈦礦光電探測(cè)器、InGaAs圖像傳感器、量子圖像傳感器和微型光譜儀等。

新興圖像傳感器技術(shù)10年市場(chǎng)收入預(yù)測(cè)

新興圖像傳感器超越可見(jiàn)光和IR

盡管用于可見(jiàn)光的傳統(tǒng)CMOS探測(cè)器已在一定程度上實(shí)現(xiàn)了商品化，至少是低值應(yīng)用，但在先進(jìn)性方面，除了簡(jiǎn)單地獲取紅、綠和藍(lán)（RGB）強(qiáng)度值之外，還提供了更廣泛的機(jī)會(huì)。

因此，行業(yè)正致力于開(kāi)發(fā)新興圖像傳感器技術(shù)，以檢測(cè)人類視覺(jué)之外的光譜范圍和更大區(qū)域上的成像，同時(shí)獲取每個(gè)像素處的光譜數(shù)據(jù)，提高時(shí)間分辨率和動(dòng)態(tài)范圍。

這種機(jī)會(huì)很大程度上源于機(jī)器視覺(jué)的日益普及，其中的圖像分析是通過(guò)計(jì)算算法實(shí)現(xiàn)的。因此，不需要將所獲取的光學(xué)數(shù)據(jù)局限在強(qiáng)度方面。盡管其中一些技術(shù)很先進(jìn)，如高光譜成像或有機(jī)光電探測(cè)器，但其商用仍處于早期階段。

超出人眼可見(jiàn)范圍的新興圖像傳感技術(shù)主要有以下幾種：

短波紅外檢測(cè)（SWIR，1000-2000nm）：包括OPD-on-CMOS、QD-on-CMOS以及其他新興的InGaAs傳感器替代品，適用于工業(yè)、消費(fèi)品、農(nóng)業(yè)的產(chǎn)品篩選檢測(cè)。幾種技術(shù)都有望大幅降價(jià)。

印刷（薄膜）圖像傳感器：采用薄共形印刷工藝制造，可以檢測(cè)大面積（而不是單個(gè)小探測(cè)器）。智能手機(jī)和平板電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品是其主要應(yīng)用市場(chǎng)。

印刷（薄膜）圖像傳感器

高光譜成像：結(jié)合成像技術(shù)與光譜技術(shù)，利用非常多窄波段的影像數(shù)據(jù)探測(cè)目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜信息，獲取高光譜分辨率的連續(xù)、窄波段的圖像數(shù)據(jù)。其記錄的是整個(gè)光譜，而不僅僅是RGB值。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于食品安全、醫(yī)學(xué)診斷、航天等領(lǐng)域。

基于事件的視覺(jué)，也稱為動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳感（DVS）：可報(bào)告與每個(gè)像素強(qiáng)度變化百分比相對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳，保證更高的時(shí)間分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)降低數(shù)據(jù)傳輸要求。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)和汽車等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集。

靈活的x射線傳感器：主要用于測(cè)量特定的材料屬性，應(yīng)用包括醫(yī)療和安全成像。未來(lái)，通過(guò)結(jié)合閃爍體層或直接用于PPD，x射線傳感也可以用于薄膜光電探測(cè)器。

波前成像：可以從傳統(tǒng)傳感器入射光中提取丟失的相位信息，主要用于眼科和光學(xué)元件設(shè)計(jì)、檢查等利基應(yīng)用。

量子圖像傳感器：是一種具有空間過(guò)采樣、時(shí)間過(guò)采樣和單光子計(jì)數(shù)特點(diǎn)的新型圖像傳感器，學(xué)術(shù)界的廣泛研究有可能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超目前可達(dá)到波長(zhǎng)和分辨率的檢測(cè)。

微型光譜儀：又稱分光儀，以光電倍增管等光探測(cè)器測(cè)量譜線不同波長(zhǎng)位置強(qiáng)度。在健康監(jiān)測(cè)和生物識(shí)別等消費(fèi)電子產(chǎn)品，以及工業(yè)成像和檢測(cè)設(shè)備中的集成使之用途越來(lái)越廣。

顛覆傳統(tǒng)的微型光譜儀

在智能電子和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備增長(zhǎng)的推動(dòng)下，微型光譜儀市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，低成本微型光譜儀在不同行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越多。2021年，F(xiàn)raunhofer ENAS宣布將生產(chǎn)重量?jī)H為1克、成本僅為1美元的紅外光譜儀，用于智能手機(jī)集成，能夠區(qū)分假藥、檢測(cè)空氣質(zhì)量、分析食物分解。

通過(guò)集成從可見(jiàn)光到SWIR光譜區(qū)域的檢測(cè)，微型光譜儀可顯著提高標(biāo)準(zhǔn)可見(jiàn)光傳感器的功能。廉價(jià)的微型光譜儀解決方案有望提高自主效率，特別是工業(yè)成像和檢測(cè)及消費(fèi)電子領(lǐng)域。

微型光譜儀的潛在應(yīng)用領(lǐng)域

無(wú)人機(jī)新興圖像傳感器

無(wú)人機(jī)（UAV）導(dǎo)航的自主性演進(jìn)需要更大范圍的傳感能力，包括SWIR相機(jī)以及其他圖像傳感器。從無(wú)人機(jī)的發(fā)展看，包括遙控、飛行穩(wěn)定性、航路點(diǎn)跟隨、物體躲避、看到回避、超視距（BLOS）航行自主等幾個(gè)階段，此時(shí)紅外、超聲波和/或立體攝像頭的加持無(wú)疑將大大推進(jìn)無(wú)人機(jī)的自主進(jìn)程。

傳感器和AI擴(kuò)展使無(wú)人機(jī)從遠(yuǎn)程控制進(jìn)入完全“超視距”自主

過(guò)去四年里，無(wú)人機(jī)市場(chǎng)急劇增長(zhǎng)，投資歷史性向好。無(wú)人機(jī)的普及，尤其是地圖和監(jiān)視應(yīng)用，意味著對(duì)高光譜成像系統(tǒng)的需求不斷增加。在無(wú)人機(jī)上安裝相機(jī)進(jìn)行大面積測(cè)量需要低重量和緊湊尺寸的產(chǎn)品，同時(shí)需要更高的分辨率和幀速率。

幾種具有競(jìng)爭(zhēng)力的SWIR技術(shù)

新興圖像傳感器技術(shù)還提供了許多其他好處。根據(jù)技術(shù)的不同，包括以更低的成本獲得類似的能力、增加的動(dòng)態(tài)范圍、提高時(shí)間分辨率、空間可變靈敏度、高分辨率全局快門、減少不必要散射的影響、靈活性和一致性等等。

SWIR：包括混合圖像傳感器在內(nèi)，在CMOS讀出電路的頂部印有有機(jī)半導(dǎo)體或量子點(diǎn)制成的光吸收薄膜層，可以增加SWIR區(qū)域的波長(zhǎng)檢測(cè)范圍。另一種技術(shù)是增程硅，通過(guò)修改硅的性質(zhì)將吸收范圍擴(kuò)展到其帶隙限制之外。

目前，這些新方法主要由昂貴的InGaAs傳感器主導(dǎo)，如果InGaAs替代品出現(xiàn)大幅降價(jià)，將可以在自動(dòng)駕駛汽車這一最大的潛在市場(chǎng)中使用SWIR成像。

高光譜成像：是一種相對(duì)成熟的技術(shù)，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和工業(yè)過(guò)程檢測(cè)中有廣泛應(yīng)用。對(duì)于需要物體識(shí)別的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，因?yàn)榉诸愃惴ㄓ懈嗟臄?shù)據(jù)可供使用，從入射光中獲得盡可能多的信息非常有用。

量子點(diǎn)：在圖像傳感器中，量子點(diǎn)通常被用作（至少在學(xué)術(shù)界之外）硅ROIC（光讀出集成電路）頂部的光吸收層。它被采用的動(dòng)機(jī)主要有兩個(gè)：一是減少硅電池厚度，并通過(guò)改變量子點(diǎn)兩端電壓來(lái)影響電荷收集，實(shí)現(xiàn)全局快門和可變中性密度濾波；二是將圖像傳感器的檢測(cè)光譜帶寬拓寬到更長(zhǎng)波長(zhǎng)，遠(yuǎn)超硅的最大值（約1000nm），使得QD（量子點(diǎn)）器件能夠與昂貴的InGaAs傳感器競(jìng)爭(zhēng)。

量子點(diǎn)的挑戰(zhàn)在于，它通常以懸浮液形式出售，需要用配體包裹以提高溶解度并防止團(tuán)聚。制造量子點(diǎn)的技術(shù)挑戰(zhàn)是控制尺寸分布和避免聚集，配體的選擇也會(huì)影響電子性質(zhì)。

薄膜光電探測(cè)器：超越單顆微型探測(cè)器可檢測(cè)更大面積的光，用來(lái)捕捉生物特征數(shù)據(jù)，或通過(guò)皮膚成像（如柔性探測(cè)）。與許多產(chǎn)品一樣，隨著薄膜光電探測(cè)器（OPD或PPD）的發(fā)展，其設(shè)計(jì)可能會(huì)有所不同，以適應(yīng)不同市場(chǎng)的要求。

薄膜OPD和PPD應(yīng)用評(píng)估

薄膜光電探測(cè)器的應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)和業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)如下：

智能手機(jī)指紋傳感器：智能手機(jī)顯示屏下方的圖像傳感器可實(shí)現(xiàn)4指讀數(shù)，足夠的靈敏度可達(dá)到可接受的讀出水平，處于原型階段的技術(shù)需要說(shuō)服一家主要手機(jī)制造商改變制造工藝，以整合新的、外部開(kāi)發(fā)的技術(shù)。

ISORG 4指讀數(shù)技術(shù)

其他生物特征驗(yàn)證：指紋/手掌掃描儀，例如邊境管理使用的掃描儀，對(duì)多個(gè)手指成像可以提高安全性，對(duì)靜脈進(jìn)行成像可以確保指紋不會(huì)被復(fù)制。該原型具有足夠的靈敏度，需要與顯示器集成。消費(fèi)者不愿進(jìn)行更廣泛的生物識(shí)別監(jiān)控是其應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

Holst的生物特征驗(yàn)證技術(shù)

智能貨架：光學(xué)傳感器可確定貨架空間是否被占用，并連接到ERP軟件進(jìn)行物流跟蹤。ISORG的光學(xué)傳感器已商業(yè)應(yīng)用；壓力傳感器同樣適用于這類應(yīng)用。RFID標(biāo)簽的廣泛采用可能會(huì)使貨架料位傳感器變得不必要。

X射線成像：閃爍體可吸收x射線并將其能量轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，由傳感器記錄下來(lái)。Holst和Siemens的原型需要閃爍器以及高動(dòng)態(tài)范圍的耐用性。其市場(chǎng)有限，需要超過(guò)硅CMOS探測(cè)器的能力，可能需要監(jiān)管部門的批準(zhǔn)。

脈搏血氧計(jì)：可以包裹在手指上的柔性傳感器，測(cè)量光吸收以確定血氧水平。該原型需要解決堅(jiān)固耐用的問(wèn)題，并要使用OLED。與醫(yī)療保健行業(yè)一樣，獲得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)至關(guān)重要。

高光譜成像應(yīng)用有待拓展

如下蜘蛛圖顯示，不同屬性對(duì)各種高光譜成像應(yīng)用的重要性有所不同（5表示最重要）。最顯著的區(qū)別在于科學(xué)研究/商業(yè)研發(fā)的傳感器和用于農(nóng)業(yè)測(cè)繪的傳感器。圖中橙色和藍(lán)色線條的相對(duì)重要性幾乎相反。

不同高光譜成像傳感器的重要性

選擇高光譜相機(jī)時(shí)需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)是光譜分辨率，因?yàn)樗鼪Q定了可以檢測(cè)到的最小光譜特征大小。最終，這個(gè)參數(shù)會(huì)影響物體/材料與光譜區(qū)分的準(zhǔn)確性。

對(duì)于較長(zhǎng)波長(zhǎng)的高光譜成像，在光譜分辨率方面存在折衷，因?yàn)樘綔y(cè)器通常具有較少的像素來(lái)分散光。

同樣值得注意的是，可見(jiàn)光/近紅外范圍（400-1000nm）內(nèi)的光譜分辨率幾乎跨越了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且是較高成本光譜相機(jī)應(yīng)用要求的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

高光譜波長(zhǎng)范圍與光譜分辨率

高光譜成像是一項(xiàng)成熟而先進(jìn)的技術(shù)，但進(jìn)入也有壁壘。最主要的的問(wèn)題是，它雖然在自動(dòng)化、安全性和檢測(cè)方面有眾多優(yōu)勢(shì)，且與大量不同應(yīng)用相關(guān)，高光譜成像卻沒(méi)有在商業(yè)上起飛，主要障礙似乎是缺乏用戶熟悉度。

新興圖像傳感技術(shù)前景可期

正如IDTechEx的Isabel Al Dhahir博士和Matthew Dyson博士所說(shuō)：“這些能夠?qū)崿F(xiàn)分辨率和波長(zhǎng)檢測(cè)的新興圖像傳感技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前的可實(shí)現(xiàn)范圍，隨著技術(shù)進(jìn)步，未來(lái)其中許多技術(shù)將在工業(yè)，特別是醫(yī)療保健、生物識(shí)別、自動(dòng)駕駛、農(nóng)業(yè)、化學(xué)傳感和食品檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域掀起波瀾。”