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3C电子发展高潮,传感器发展大势所趋!

供稿:中国工控网 2020/4/7 11:17:52
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随着国民生活水平的不断提高以及对产品性能的追求,中国3C产品消费持续升级。在利好政策、技术进步和市场需求驱动下,全球3C产品行业高速发展,同时,中国3C产品电商交易额逐年增长,5G时代即将来临,也为我国的3C产品电商行业带来更大的机遇。

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据中国产业信息相关数据表示,2018年新产品的生产线设备,产生增量市场空间可达2970亿元。2017年3C制造业的固定资产投资为1.29万亿,同比增加23.41%,增速较2016年加快7.59个百分点,可见3C制造业的发展势头依旧很旺盛。根据历史数据、假设未来3年3C制造业固定资产投资的复合增长率保持历史水平,预计2018-2020年的3C制造业固定资产投资分别为1.49、1.71、1.96万亿元。

 

以手机为例,2018年,国内手机市场总体出货量4.1亿部,国产品牌手机出货量3.7亿部,占同期手机出货量的89.5%。其中,华为、OPPO、vivo、小米占据了2018年中国五大智能手机厂商出货量及市场份额的前四名,这意味着中国消费者对中国国产手机品牌的情感信任和行为支持。

 

在激烈的市场竞争中,3C厂商通过不断的创新来提升自身品牌的竞争力,所以为了及时将最新的技术创新应用于3C产品,以智能手机为代表的3C产品更新周期加快,苹果、华为、三星等品牌的智能手机更新周期一般在1年左右。产品更新速度快,使得3C制造企业需要及时建设新的生产线,从而产生对3C设备的新需求。

 

我国工业现代化进程和电子信息产业20%以上速度高速增长,带动了传感器市场快速上升,在机器视觉领域,尤其体现在图像传感器以及3D测量传感器上,可以说是为图像传感器和3D测量传感器市场开拓了新一片蓝海。

千亿级产业发展历程

传感器技术作为信息技术的三大基础之一,是当前各发达国家竞相发展的高新技术,是进入21世纪以来优先发展的十大顶尖技术之一。

 

目前我国传感器企业正努力追赶国外企业,并出现区域的传感器企业集群,企业主要集中在长三角地区,并逐渐形成以北京、上海、南京、深圳、沈阳和西安等中心城市为主的区域空间布局。其中,主要传感器企业有接近一半的比例分布在长三角地区,其他依次为珠三角、京津地区、中部地区及东北地区等。

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近年来,全球传感器市场一直保持快速增长,随着经济环境的持续好转,市场对传感器的需求将不断增多,到2017年全球传感器行业市场规模增长至1955亿美元,同比增长12.29%。初步测算2018年全球传感器行业市场规模将突破2000亿美元,达到2059亿美元左右,同比增长5.3%。

01)图像传感器

从产品结构来看,2018年全球传感器市场中CMOS图像传感器(CIS)占据传感器市场的27%

2016年全球CIS芯片销售额116亿美元,预计2017年将达到约135亿美元,同比增长约16%,2021年有望突破200亿美元,2016~2022年年复合增长率10.5%,在移动智能终端出货量放缓的情况下,增长动力主要来自于双摄和3D感测相机。无人机拍摄、生物识别、AR等新市场也在带动销售额增长,同时也在逐渐渗透汽车、安防、医疗市场。

 

CMOS图像传感器产业从占据42%市场份额的全球龙头企业——索尼(Sony)的运营复苏中获益,以较高的增长速度发展,并已成为半导体行业中关键的组成部分!行业领先者三星(Samsung)紧追索尼,拿下20%市场份额。此外,安森美半导体(ON Semiconductor)和豪威科技(OmniVision)也对手机、安防、汽车等市场的发展贡献颇丰。

手机CMOS图像传感器技术发展:从前照式(FSI)到背照式(BSI),再到堆叠背照式和多层堆叠背照式

02)3D测量传感器

3D成像并非是只有概念的“空中楼阁”,而是有着强劲的下游需求支撑。判断3D成像技术在苹果引领之下,将率先在消费电子应用上(VR/AR 、生物识别)大规模落地,随后逐步辐射到各行业,实现2D 向3D 的交互跨域。据预测,2016-2022年3D成像将在消费电子领域,以接近160%年均复合增速迎来大爆发。

在消费类市场中,智能手机厂商正在快速适应3D成像和传感引发的变革,积极展开技术和产品布局。OPPO Find X采用中国奥比中光(Orbbec)提供的3D结构光技术,可实现0.1秒极速3D人脸解锁;此外,3D结构光技术与Find X前置 2500万摄像头配合,可实现3D个性美颜。小米 8探索版采用以色列Mantis Vision提供的基于掩膜的编码结构光技术,呈现出规律性的几何编码图形,可快速匹配特征点,减少3D信息计算量,降低结构光算法功耗。

3D成像将带来诸多新增零组件。在发射端,新增了红外激光发射器和辅助元件,包括衍射光栅和光学棱镜部件(如准直镜头);在接收端,除了可见光镜头外,还新增红外接收部分,包括镜头、红外传感器和窄带红外滤光片,而图像处理器IC由于算法上的复杂性,也将比单纯的2D成像IC成本更高。 总而言之,3D 成像带来的产业机会比2D 成像只增不减,大幅提振产业链价值的同时改变价值分配, 驱动红外核心厂商高业绩弹性。

观点:

在市场需求日益强劲的背景下,图像传感器作为其中的重要元件,受到了市场众多企业的重视。随着技术的进步,让图像传感器无论在拍摄质量、功耗、效能上都有所增进,这将让机器之眼变得更为锐利,应用更为广泛,市场也将更为快速发展。

此外,3D测量传感器也是移动消费市场的主流应用,目前,全球已经建立了完善的3D成像产业链。由于技术领先,苹果及其联盟公司目前牢牢把控3D成像技术,随着Android阵营大规模普及3D成像, 3D成像的市场的体量也将快速增大。

市场应用传感器应用场景

图像传感器

图像传感器包括CMOS图像传感器以及CCD图像传感器,其中CMOS图像传感器是一种多功能传感器,由于它兼具CCD图像传感器的性能,因此可进入CCD的应用领域,但它又有自己独特的优点,所以开拓了许多新的应用领域。

1、数码相机

随着电可写可控的廉价FLASHROM的出现,以及低功耗、低价位的CMOS摄像头的问世,这为数码相机打开了新的局面。数码相机的内部装置已经和传统照相机完全不同了,彩色CMOS摄像头在电子快门的控制下,摄取一幅照片存于DRAM中,然后再转至FLASHROM中存放起来。根据FLASHROM的容量和图像数据的压缩水平,可以决定能存照片的张数。如果将ROM换成PCMCIA卡,就可以通过换卡,扩大数码相机的容量,这就像更换胶卷一样,将数码相机的数字图像信息转存至PC机的硬盘中存贮,这就大大方便了照片的存贮、检索、处理、编辑和传送。

2、CMOS数字摄像机

美国OmNIVison公司推出的由OV7610型CMOS彩色数字图像芯片和OV511型高级摄像机以及USB接口芯片所组成的USB摄像机,其分辨率高达640x480,适用于通过通用串行总线传输的视频系统。OV511型高级摄像机的推出,可使得PC机能以更加实时的方法获取大量视频信息,其压缩芯片的压缩比可以达到7:1,从而保证了图像传感器到PC机的快速图像传输。对于CIF图像格式,OV511型可支持高达30帧/秒的传输速率、减少了低带宽应用中通常会出现的图像跳动现象。OV511型作为高性能的USB接口的控制器,它具有足够的灵活性,适合包括视频会议、视频电子邮件、计算机多媒体和保安监控等场合应用。

3、CCD图像传感器

CCD在像素集成度、分辨力、灵敏度,工作速度等指标上取得突破性进展,其应用正从一维、二维向三维发展,其光波范围从紫外区到红外区,CCD已成为光子探测及视频采集领域最重要的技术,且得到了广泛的应用。如今CCD是应用在摄影摄像方面的高端技术元件,CMOS则应用于较低影像品质的产品中,它的优点是制造成本较CCD更低,功耗也低得多,这也是市场很多采用USB接口的产品无须外接电源且价格便宜的原因。尽管在技术上有较大的不同,但CCD和CMOS两者性能差距不是很大,只是CMOS摄像头对光源的要求要高一些,但现在该问题已经基本得到解决。目前CCD元件的尺寸多为1/3英寸或者1/4英寸,在相同的分辨率下,宜选择元件尺寸较大的为好。图像传感器又叫感光元件。

此外,CCD作为固态图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。具高敏感度,很低光度的入射光也能侦测到,其讯号不会被掩饰,使CCD的利用较不受天候拘谨。静态范畴广(High Dynamic Range),同时侦测及辨别强光跟弱光,进步体系情况的应用范畴,不因亮度差别年夜而形成旌旗灯号反差景象。精良的线性特征曲线(Linearity),入射光源强度跟输出讯号年夜小成精良的正比关联,物体资讯不致丧失,下降旌旗灯号弥补处置本钱。

3D测量传感器

3D成像更关键的是要获取深度信息,重建真实世界以服务于后续的交互动作。目前3D成像有三种主流解决方案:结构光、TOF和双目视觉技术

 

第一,结构光:结构光使用提前设计好的具有特殊结构的图案(比如离散光斑、条纹光、编码结构光等),将图案投影到空间物体表面上,用另外一个相机观察在三维物理表面成像的畸变情况,进行图像匹配比较并计算出深度信息。结构光对物体拍摄两次即可实现3D距离的探测,其他计算过程都由本地处理器完成,延时非常短,测量速度快,同时经过多年的技术发展,模组体积已经较小。结构光最早被应用于微软的明星产品Kinect上,迄今已有8年,可谓是经过了时间验证的成熟方案。

第二,TOF:TOF(TimeofFlight)的测距原理是通过给目标连续发送光脉冲,用传感器接收从物体返回的光,通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。TOF由照射单元、光学透镜(镜片+窄带滤光片)、TOF传感器、控制单元和计算单元构成,原理与结构光殊途同归,都是属于主动光探测方案。TOF的优势在于远距离探测,不易受到环境光线的干扰,但是TOF芯片每一个像元要对入射光往返相机与物体之间的相位分别纪录,传感器结构比普通图像传感器更复杂,单个像素要大得多,成本和体积更大。

第三,双目视觉技术:该技术方案通过两个RGB摄像头模仿人的双眼,通过标定后的双摄像头得到同步曝光图像,然后计算获取的二维图像像素点的第三维深度信息。

双目方案算法实现非常复杂,寻找像间对应关系时需要特征提取、特征匹配等一系列复杂的算法,同时光照变化、光线明暗等外在因素的影响会对算法提出更大的挑战。相比于双目的被动方案,基于主动光探测的结构光/TOF具有算法简单,响应速度快,识别距离范围大等优势,因而更加契合交互场景的要求。而就TOF与结构光之间对比而言,结构光在便携性、成本、成像速度与延时方面占据优势,我们判断其将率先借苹果新机登陆前置镜头;而TOF抗干扰性更好,探测距离远,未来将在后置镜头大展拳脚,对接长距应用场景。

应用案例

传感器在3C设备安装和检查上的运用

1、以微米级精度测量屏幕安装

通过测量设备构件检查其是否安装在正确位置。从而避免连接错误。三台位移测量传感器以微米级精度检查屏幕是否正确安装在智能手机中。(激光测距传感器)

2、人体工程学设计的工作站防护

通过使用防护设备和对工作场所进行人体工程学设计避免人员危险是预防性工作保护的重要组成部分。安全摄像系统 V300 同时满足这两种要求。

3、工序运行时检查几何形状的长度和高度

可配置的 Profile2 在 x 轴和 z 轴上高精度测量物体表面。一次测量可同时分析多达四个区域。在此可以选择十个集成测量功能中的其中一个功能。在集成的 CMOS 接收单元确保稳定测量的同时,随附的软件确保轻松地完成调试以及出色地显示测量过程。(2D测量传感器)

4、手动操作拧紧站的精确监控

手动执行的螺栓连接隐藏着质量风险。SICK的编码器适合用于流程控制。拉线编码器 BCG 和绝对值编码器AHS36 精确、快速而低成本地监控拧紧站。

5、仅使用一个传感器头进行玻璃厚度测量

透明玻璃的厚度对确保屏幕质量十分重要。凭借智能应用的激光三角测量法,位移测量传感器 OD Precision 和 OD5000 仅需一个传感器头即可高精度测量此厚度。它是针对狭窄空间条件的理想解决方案。(激光测距传感器)

6、安装流程中的精确质量检查

完整性检查、位置检查和功能关键尺寸的检查在电子设备安装中对于优化增值十分重要。智能 2D 视觉传感器 Inspector PI50 是针对这些任务的灵活、低成本和易于集成的解决方案。(视觉传感器)

 

麦肯锡报告指出,到2025年,物联网带来的经济效益将在2.7万亿到6.2万亿美元之间,其中传感器作为物联网技术最重要的数据采集入口,将迎来广阔的发展空间。据中国信通院数据显示,近年来中国传感器市场规模保持较快增长,2018年达到1472亿元,同比增长13.2%,近5年均保持两位数的增长率。

我国的传感器市场增长迅速,年均增长速度超过10%,据统计,2018年国内的传感器市场规模达到1472亿元。2018年国内传感器上市企业整体的营收增长明显,八成以上的企业营收都出现增加,仅有三家企业(歌尔股份、晶方科技、科陆电子)出现负增长。其中歌儿股份营收下滑的原因是智能手机增速放缓和VR产品销售未达预期,导致传感器业绩不理想,晶方科技的传统传感器产品面临的激烈市场竞争导致价格战,同时它们加大了应用在汽车电子上MEMS智能传感器的投入放缓了营收增长率。

结语

近日,日经中文援引iHSMarket的数据称,目前全球CMOS图像传感器价值已达120亿美元,同比增长5.1%。其中索尼的市场份额达到了50.1%,尽管同比下滑了1.8%,但依然控制了全球一半的市场份额。排在第2位的韩国三星电子(20.5%)与索尼之间的差距依然巨大。

 

随着数码技术、3C制造技术,互联网以及人工智能的迅速发展,市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来,由此也迎来图像传感器以及3D测量传感器市场的发展新机!到2017年全球传感器行业市场规模增长至1955亿美元,同比增长12.29%。2018年全球传感器行业市场规模将突破2000亿美元,达到2059亿美元左右,同比增长5.3%。

审核编辑(王妍)
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