圖像傳感是一項非常重要的技術和能力，其應用范圍也非常廣泛，從網絡攝像頭、智能手機攝像頭到復雜的工業成像系統等。據IDTechEx預測，到2033年，在自主技術應用的推動下，新興圖像傳感市場將超過5.59億美元。

圖像傳感技術涵蓋SWIR（短波紅外檢測）圖像傳感器、混合傳感器、高光譜成像、基于事件的視覺、波前成像、混合傳感器、CCD、薄膜光電探測器、有機和鈣鈦礦光電探測器、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10年市場收入預測

新興圖像傳感器超越可見光和IR

盡管用于可見光的傳統CMOS探測器已在一定程度上實現了商品化，至少是低值應用，但在先進性方面，除了簡單地獲取紅、綠和藍（RGB）強度值之外，還提供了更廣泛的機會。

因此，行業正致力于開發新興圖像傳感器技術，以檢測人類視覺之外的光譜范圍和更大區域上的成像，同時獲取每個像素處的光譜數據，提高時間分辨率和動態范圍。

這種機會很大程度上源于機器視覺的日益普及，其中的圖像分析是通過計算算法實現的。因此，不需要將所獲取的光學數據局限在強度方面。盡管其中一些技術很先進，如高光譜成像或有機光電探測器，但其商用仍處于早期階段。

超出人眼可見范圍的新興圖像傳感技術主要有以下幾種：

短波紅外檢測（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、消費品、農業的產品篩選檢測。幾種技術都有望大幅降價。

印刷（薄膜）圖像傳感器：采用薄共形印刷工藝制造，可以檢測大面積（而不是單個小探測器）。智能手機和平板電腦等消費電子產品是其主要應用市場。

印刷（薄膜）圖像傳感器

高光譜成像：結合成像技術與光譜技術，利用非常多窄波段的影像數據探測目標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、窄波段的圖像數據。其記錄的是整個光譜，而不僅僅是RGB值。該技術廣泛應用于食品安全、醫學診斷、航天等領域。

基于事件的視覺，也稱為動態視覺傳感（DVS）：可報告與每個像素強度變化百分比相對應的時間戳，保證更高的時間分辨率和動態范圍，同時降低數據傳輸要求。該技術廣泛應用于工業自動化、物聯網和汽車等領域的數據采集。

靈活的x射線傳感器：主要用于測量特定的材料屬性，應用包括醫療和安全成像。未來，通過結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器。

波前成像：可以從傳統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元件設計、檢查等利基應用。

量子圖像傳感器：是一種具有空間過采樣、時間過采樣和單光子計數特點的新型圖像傳感器，學術界的廣泛研究有可能實現遠超目前可達到波長和分辨率的檢測。

微型光譜儀：又稱分光儀，以光電倍增管等光探測器測量譜線不同波長位置強度。在健康監測和生物識別等消費電子產品，以及工業成像和檢測設備中的集成使之用途越來越廣。

顛覆傳統的微型光譜儀

在智能電子和物聯網設備增長的推動下，微型光譜儀市場蓬勃發展，低成本微型光譜儀在不同行業的應用越來越多。2021年，Fraunhofer ENAS宣布將生產重量僅為1克、成本僅為1美元的紅外光譜儀，用于智能手機集成，能夠區分假藥、檢測空氣質量、分析食物分解。

通過集成從可見光到SWIR光譜區域的檢測，微型光譜儀可顯著提高標準可見光傳感器的功能。廉價的微型光譜儀解決方案有望提高自主效率，特別是工業成像和檢測及消費電子領域。

微型光譜儀的潛在應用領域

無人機新興圖像傳感器

無人機（UAV）導航的自主性演進需要更大范圍的傳感能力，包括SWIR相機以及其他圖像傳感器。從無人機的發展看，包括遙控、飛行穩定性、航路點跟隨、物體躲避、看到回避、超視距（BLOS）航行自主等幾個階段，此時紅外、超聲波和/或立體攝像頭的加持無疑將大大推進無人機的自主進程。

傳感器和AI擴展使無人機從遠程控制進入完全“超視距”自主

過去四年里，無人機市場急劇增長，投資歷史性向好。無人機的普及，尤其是地圖和監視應用，意味著對高光譜成像系統的需求不斷增加。在無人機上安裝相機進行大面積測量需要低重量和緊湊尺寸的產品，同時需要更高的分辨率和幀速率。

幾種具有競爭力的SWIR技術

新興圖像傳感器技術還提供了許多其他好處。根據技術的不同，包括以更低的成本獲得類似的能力、增加的動態范圍、提高時間分辨率、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，在CMOS讀出電路的頂部印有有機半導體或量子點制成的光吸收薄膜層，可以增加SWIR區域的波長檢測范圍。另一種技術是增程硅，通過修改硅的性質將吸收范圍擴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，如果InGaAs替代品出現大幅降價，將可以在自動駕駛汽車這一最大的潛在市場中使用SWIR成像。

高光譜成像：是一種相對成熟的技術，在精準農業和工業過程檢測中有廣泛應用。對于需要物體識別的應用來說，因為分類算法有更多的數據可供使用，從入射光中獲得盡可能多的信息非常有用。

量子點：在圖像傳感器中，量子點通常被用作（至少在學術界之外）硅ROIC（光讀出集成電路）頂部的光吸收層。它被采用的動機主要有兩個：一是減少硅電池厚度，并通過改變量子點兩端電壓來影響電荷收集，實現全局快門和可變中性密度濾波；二是將圖像傳感器的檢測光譜帶寬拓寬到更長波長，遠超硅的最大值（約1000nm），使得QD（量子點）器件能夠與昂貴的InGaAs傳感器競爭。

量子點的挑戰在于，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聚。制造量子點的技術挑戰是控制尺寸分布和避免聚集，配體的選擇也會影響電子性質。

薄膜光電探測器：超越單顆微型探測器可檢測更大面積的光，用來捕捉生物特征數據，或通過皮膚成像（如柔性探測）。與許多產品一樣，隨著薄膜光電探測器（OPD或PPD）的發展，其設計可能會有所不同，以適應不同市場的要求。

薄膜OPD和PPD應用評估

薄膜光電探測器的應用現狀、技術和業務挑戰如下：

智能手機指紋傳感器：智能手機顯示屏下方的圖像傳感器可實現4指讀數，足夠的靈敏度可達到可接受的讀出水平，處于原型階段的技術需要說服一家主要手機制造商改變制造工藝，以整合新的、外部開發的技術。

ISORG 4指讀數技術

其他生物特征驗證：指紋/手掌掃描儀，例如邊境管理使用的掃描儀，對多個手指成像可以提高安全性，對靜脈進行成像可以確保指紋不會被復制。該原型具有足夠的靈敏度，需要與顯示器集成。消費者不愿進行更廣泛的生物識別監控是其應用的挑戰。

Holst的生物特征驗證技術

智能貨架：光學傳感器可確定貨架空間是否被占用，并連接到ERP軟件進行物流跟蹤。ISORG的光學傳感器已商業應用；壓力傳感器同樣適用于這類應用。RFID標簽的廣泛采用可能會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射線并將其能量轉換為可見光，由傳感器記錄下來。Holst和Siemens的原型需要閃爍器以及高動態范圍的耐用性。其市場有限，需要超過硅CMOS探測器的能力，可能需要監管部門的批準。

脈搏血氧計：可以包裹在手指上的柔性傳感器，測量光吸收以確定血氧水平。該原型需要解決堅固耐用的問題，并要使用OLED。與醫療保健行業一樣，獲得監管部門的批準至關重要。

高光譜成像應用有待拓展

如下蜘蛛圖顯示，不同屬性對各種高光譜成像應用的重要性有所不同（5表示最重要）。最顯著的區別在于科學研究/商業研發的傳感器和用于農業測繪的傳感器。圖中橙色和藍色線條的相對重要性幾乎相反。

不同高光譜成像傳感器的重要性

選擇高光譜相機時需要考慮的一個重要參數是光譜分辨率，因為它決定了可以檢測到的最小光譜特征大小。最終，這個參數會影響物體/材料與光譜區分的準確性。

對于較長波長的高光譜成像，在光譜分辨率方面存在折衷，因為探測器通常具有較少的像素來分散光。

同樣值得注意的是，可見光/近紅外范圍（400-1000nm）內的光譜分辨率幾乎跨越了一個數量級，并且是較高成本光譜相機應用要求的一個關鍵參數。

高光譜波長范圍與光譜分辨率

高光譜成像是一項成熟而先進的技術，但進入也有壁壘。最主要的的問題是，它雖然在自動化、安全性和檢測方面有眾多優勢，且與大量不同應用相關，高光譜成像卻沒有在商業上起飛，主要障礙似乎是缺乏用戶熟悉度。

新興圖像傳感技術前景可期

正如IDTechEx的Isabel Al Dhahir博士和Matthew Dyson博士所說：“這些能夠實現分辨率和波長檢測的新興圖像傳感技術遠遠超出了目前的可實現范圍，隨著技術進步，未來其中許多技術將在工業，特別是醫療保健、生物識別、自動駕駛、農業、化學傳感和食品檢測等多個領域掀起波瀾。”