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    • 工业及汽车CIS市场第一!SiC器件市场第二!
    • 45年的图像传感器研发历史
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持续占据工业及汽车CIS市场全球第一,安森美是如何做到的?

07/10 17:00
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编辑:芯智讯-浪客剑

7月8日,在2024年上海机器视觉展暨机器视觉技术及工业应用研讨会期间,工业及汽车CMOS图像传感器(CIS)及功率半导体大厂安森美召开媒体会,介绍了安森美在工业领域的CIS产品布局,并展示了其最新的面向工业的CIS产品解决方案。

工业及汽车CIS市场第一!SiC器件市场第二!

作为全球领先的半导体制造商,安森美起源于摩托罗拉的标准产品半导体业务,1999年从摩托罗拉分拆出来成为了名为“安森美半导体”(ON Semiconductor)的独立公司。2016年安森美半导体又收购了半导体行业的鼻祖——仙童半导体(Fairchild Semiconductor)。安森美通过一系列收购和强劲的内部发展,成为一家顶级的半导体制造商,并在汽车、工业和云电源等多个市场和技术领域取得领先地位。2021年,为了更好地反映其广泛的技术组合、差异化的产品线和市场领导地位,安森美半导体正式更名为安森美(onsemi)。

目前安森美的业务主要分为工业和汽车两大板块,提供了80,000余种元器件产品,主要包括图像传感器、功率半导体(包括MOSFETIGBT模块碳化硅系列产品)等。其中,图像传感器主要应用于汽车、机器视觉、机器人工业自动化等领域;碳化硅系列(EliteSiC) 和其他功率半导体主要应用于汽车、充电基础设施和替代能源等领域。另外,在汽车领域,安森美还拥有用于 ADAS激光雷达(LiDAR),用于汽车 CPU、LED 照明和车身电子的电源管理等。

凭借领先的技术和完整的产品线,安森美在汽车及工业CIS市场一直是全球第一大供应商,在SiC器件市场也同样的是位于全球前列。

根据Yole Group的报告显示,在2023年汽车CIS市场,安森美半导体继续保持领先地位,占据了全球超过33%的市场份额,其次是中国的豪威集团(27%)和日本的索尼(14%)。

根据市场研究机构TrendForce集邦咨询最新发布的研究报告显示,受益于纯电动汽车应用需求的增长,2023年全球SiC(碳化硅)功率元件市场保持了强劲成长,其中意法半导体(ST)以32.6%市占率位居第一,安森美则由2022年的第四名跃居第二名,市场份额为23.6%。

根据安森美在此次媒体会上公布的数据也显示,在2023年的工业应用的CIS市场,安森美也以31%的市场份额稳居全球第一,CIS大厂索尼(30%)也只能曲居第二。

值得一提的是,在用于自动驾驶和停车辅助的超声波传感器市场,安森美也是排名第一。

45年的图像传感器研发历史

安森美之所以能够在汽车及工业CIS市场持续占据着全球第一的市场份额,则与其在图像传感器领域多年的内部研发和持续并购密不可分。

据介绍,安森美在图像传感器领域拥有超过45年的技术经验,最早可以追溯到其收购的Truesense公司的前身——柯达的图像传感器部门,柯达科学家Bryce Bayer所发明的拜耳阵列正是图像传感器的基础技术之一。

2011年,安森美收购了Cypress半导体的CMOS图像传感器业务部。Cypress的定制CMOS传感器用于ARRI 专业数字摄影机上,采用ARRI摄影机、镜头和灯光系统拍摄的电影屡次获得奥斯卡各类最佳影片、最佳摄影等奖项。

2014年安森美又收购了Aptina,其前身更是CMOS图像传感器的发明者Eric Fossum创立的首家将CMOS商业化的公司Photobit。

2018年,安森美通过收购SiPM和SPAD供应商SensL,成功帮助安森美扩展其在3D成像、雷达和LiDAR(激光雷达)领域的技术实力。

可以说,通过这一些列的收购,再加上内部的持续研发,使得安森美拥有非常强大的图像传感器技术积累(专利数已经超过了2300项)和丰富的产品组合,最终才奠定了其在汽车及工业图像传感器市场的领导地位。

安森美的工业图像传感器产品布局

由于安森美在此次上海机器视觉展上主要展示的是工业CIS产品及解决方案,因此,安森美在此次媒体会上主要介绍的也是其面向工业的图像传感器产品布局。

安森美的工业CIS产品线主要分为全局快门和卷帘快门两大产品线。

全局快门图像传感器的工作原理是将整个画面同时曝光,然后整个画面可以同时转换为数字信号,这种工作方式的好处是曝光时间快,所以很适合高速、准确抓拍等场景的需求。全局快门CIS在当今的机器视觉领域已十分常见,因为它在具备上述众多优势的同时,还与CCD传感器和卷帘快门图像传感器拥有相同的光学性能。目前全局快门图像传感器主要是在较低分辨率的市场中大面积取代了CCD和卷帘快门,并且在向高分辨率方向发展。

卷帘式快门与全局快门在工作原理上略有区别,卷帘式快门的工作原理是将画面分割成尺寸大小相同的条状,然后从上到下逐条曝光,逐条转为数字信号。由于是逐条曝光,所以可能会导致画面出现动态模糊的果冻效应(jello effect)或拖影。所以,卷帘式快门很难满足高速、准确的识别要求。

总结来说,全局快门具有更高的响应速度和更清晰的图像质量,适合拍摄快速运动的物体,但是所需要的传感器面积更大、功耗相对更高、成本也更为昂贵。相比之下,卷帘快门CIS可以在更小的尺寸内实现更高的像素分辨率,并且价格也比较亲民。

1、全局快门CIS

目前,安森美面向工业市场全局快门图像传感器产品线主要有三大系列,22款产品。其中,PYTHON系列主要支持最高速度、NIR 增强;XGS系列则是功能更丰富,可提供最佳图像质量,并且全系列支持Pin to Pin;Hyperlux SG系列则拥有卓越的微光性能和eHDR,并可提供最具成本效益的解决方案。

具体来说,XGS系列一个尺寸支持从 2MP 到 16MP 的所有分辨率,另一个尺寸支持从 20MP 到 45MP 的所有分辨率,并且具有相同的“外观和使用体验”(IP 重用),支持Pin to Pin全引脚兼容,可以帮助客户快速进行产品的升级迭代,并缩短上市时间。此外,XGS系列还具有超低功耗的优势,与竞争产品相比,功耗可降低达2倍,这也使得其更易于进行热管理,成本也相对较低。目标应用领域包括:通用机器视觉、电池检测、半导体检测、智能交通系统 (ITS)、广播( 8K at 60fps )等。

PYTHON系列拥有业界领先的帧速率,在 ROI 读取的情况下,所有 PYTHON 系列器件都有“二次方增速”特性(在窗口的宽度(x) 减小的情况下,帧率也会增加), 默认帧率足够高,可涵盖大多数应用;分辨率范围从 VGA 到 25MP,拥有 8 种分辨率可选,并可选方形和矩形长宽比,可充分利用可用视场 (FOV),多种分辨率和速度等级,可提供经济有效的成像方案;各种分辨率产品之间也具有引脚兼容性,一个尺寸支持从 300KP 到 1.3MP 的所有分辨率,第二个尺寸支持从 2MP 到 5MP 的所有分辨率,第三个尺寸覆盖从 16MP 到 25MP 的所有分辨率,并且所有 PYTHON 系列器件也都具有相同的“外观和使用体验”(IP 重用),可以帮助客户快速的进行产品升级、缩短产品上市时间。目标应用领域是通用机器视觉、电池检测、半导体检测、智能交通系统 (ITS)、 铁路检测(受电弓)等。

Hyperlux SG系列拥有同类最佳的全局快门效率,对于角速度较快的物体的应用至关重要,可以最大限度减少因振动产生的问题;拥有专为工业而设计的功能和模式,包括可编程和可切换的 ROI。支持自动曝光和控制,以适应动态照明。支持触发器和频闪控制,以实现精确主动照明。具备低功耗特性,适合电池供电设备。拥有 VGA、1MP、2 MP三种分辨率可选。在应用方面,适用于通用机器视觉、扫描、生物识别技术、机器人(包括无人机)、增强现实/虚拟现实、工厂自动化等。

此外,安森美面向工业市场全局快门图像传感器产品当中,还拥有支持深度信息感知的Hyperlux ID系列。目前Hyperlux ID系列只有一款产品,即内置深度影射的1.2MP智能iToF

据安森美智能感知事业群工业及消费应用感知部产品线总监Danny Scheffer介绍,之所以选择做iToF,而不是苹果等厂商选择的dToF,是由于iToF的覆盖范围比iToF(一般是5米左右)更远,可以远20米以上,深度距离长,环境光抑制能力也更强,可以支持在户外工作。

另外,这款Hyperlux ID系列产品采用了1.2MP 全局快门 BSI 像素,深度分辨率(1280×960)和准确度更高;结合独特的集成和读出结构以及全局快门和片上存储功能,可以减少运动伪影;另外在传感器端还集成了深度处理单元,无需帧存储器FPGA 或外部计算能力,即可完成对于深度信息的计算,最大支持120fps@VGA。得益于这款产品的高集成度,这也使得其不仅尺寸更小、系统成本也更低。

2、卷帘快门CIS

同样,安森美面向工业市场卷帘快门图像传感器产品线也主要有Hyperlux LP、Hyperlux LH、Hyperlux 三大系列。

其中,Hyperlux LP系列采用堆栈式架构,1.4 微米 BSI 像素,可实现超小的传感器尺寸和超低功耗。同时,还支持运动唤醒(WOM)功能,可以进一步降低功耗;并且支持智能感兴趣区域 (SmartROI)功能,可以大幅节省带宽。

据安森美智能感知事业群工业及消费应用感知部产品线经理Jason Wang介绍,支持运动唤醒功能的传感器,在未检测到运动物体时,可以以低分辨率、最低帧速率运行,这样可以极大的降低工作的功耗,传感器功耗将低于2 mW。当检测到有运动物体时(探测距离可达8米),它将会进入运动唤醒模式,快速切换到原本设定的工作分辨率和帧率。并且,它还能够屏蔽与应用无关的运动区域,避免干扰,实现更加的准确和高效。

至于SmartROI功能,则可支持多个感兴趣区域 (ROI),可以在大幅减少带宽的情况下提供场景的上下文视图,并能够以原始细节提供单独的 ROI,并且支持双路MIPI输出。如果以2000万像素的传感器为例,如果支持SmartROI则可以把带宽从 600MPix/s 降至 45MPix/s,即可提升约 15 倍的传输速度,加快安防摄像头的检测时间,提升用户视频会议的体验。

Hyperlux LH系列采用堆栈式 2.0um BSI 像素,HDR高达 120 dB,其eHDR技术可节省系统资源,并且该传感器在近红外光谱中具有高量子效率,能够在不牺牲图像质量的前提下,减少其使用数量、降低光照强度需要、降低总体BOM成本。

eHDR的多次曝光合成是在传感器内部进行完成的,通过内部智能拟合以及压缩功能,可以将3次曝光的20bit数据压缩成12bit数据,然后再传输给后端平台,极大的降低了系统的数据带宽。如果采用传统的HDR 数据传输方式,4K 3次曝光需要超过10Gbps,这对SERDES以及线缆的挑战十分巨大。

通常多次曝光的传感器会发送每一次曝光的数据给到后端处理器来进行合成,而3次曝光就需要发送3帧数据。根据计算,如果采用传统的HDR 数据传输方式,4K 3次曝光需要超过10Gbps,这对SERDES以及线缆的挑战十分巨大。

“传统的多重曝光高动态范围(HDR)成像技术是通过 MIPI 发送多重曝光数据,交给后端的ISP/SoC来进行比特位深(Bit-depth)处理,因此存在MIPI 通信链路带宽有限的问题。而Hyperlux LH系列所支持的eHDR技术,则可以直接在传感器端进行一系列计算:捕捉多重曝光(最多 3 次),每次 12-bit 数据; 合并多重曝光,生成 20-bit 合并图像;在合并图像上执行自适应局部色调映射 (ALTM),输出 12-bit 图像,最终实现传感器输出的高动态范围。这样带来的好处是,将图像的HDR处理放到了传感器端,在降低对于MIPI通信链路带宽的要求的同时,降低对于后端ISP/SoC计算资源的需求,使得成像速率提升,整体功耗也能够得到降低。另外,eHDR 还可以实现 4K 远程多摄像头系统 HDR 功能。”Jason Wang针对eHDR技术进一步解释到。

Hyperlux系列则支持最高动态范围(150db)、LED 无闪烁,单次曝光可达110db HDR,具有卓越的微光性能和“一劳永逸” 的设置功能。

凭借安森美的丰富的工业CIS产品线,其成像解决方案已经覆盖了医疗、行车记录仪、工业自动化、安防、车舱监控、视频会议、航空、机器人、XR、智能电视、笔记本电脑、运动识别、生物识别等超过25个细分应用领域。

强大的研发制造与供应链体系

在工业级汽车CIS市场持续取得全球第一的市场地位的背后,除了拥有领先的技术和丰富的产品线之外,安森美作为一家IDM厂商还拥有强大的遍布全球的研发与制造网络。据介绍,安森美目前在全球9个国家拥有19座生产工厂,并在全球19个国家设有43个设计中心,此外还在5个国家设有解决方案工程中心,全球员工总数达到了33000人。

具体到CIS产品(包括车规级的CIS)方面,安森美拥有完整的端到端的内部制造能力,涵盖了晶圆制造(主要是在美国纽约州的晶圆厂)、领先的色彩滤波阵列(CFA) 和微镜技术(美国和亚洲均有200mm和300mm产能)、晶圆检测(美国爱达荷州)、组装(马来西亚)、最终测试(马来西亚)等所有关键环节。并且其中所涉及的关键技术和系统实现方面,安森美也都居于全球领先地位。

据安森美智能感知事业群工业及消费应用感知部门副总裁兼总经理John Gerard强调,虽然安森美拥有完整的内部制造体系,但是安森美也有利用外部供应商的全球代工产能,以实现双供应链体系,进而保障供应链安全。同时也能够更好调节产能,应对市场需求的变化,为客户提供更稳定的供货。

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