圖像傳感器屬于光電產(chǎn)業(yè)里的光電元件類，隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，目前市場和業(yè)界都面臨著跨越各平臺的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的應(yīng)用，無疑要屬數(shù)碼相機產(chǎn)品，其發(fā)展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數(shù)碼相機就由幾十萬像素，發(fā)展到４００、５００萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達的歐美國家，數(shù)碼相機已經(jīng)占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關(guān)鍵零部件――圖像傳感器產(chǎn)品就成為當(dāng)前以及未來業(yè)界關(guān)注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為ＣＣＤ、ＣＭＯＳ以及ＣＩＳ傳感器三種。本文將主要簡介ＣＣＤ以及ＣＭＯＳ傳感器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。
一、ＣＣＤ圖像傳感器
ＣＣＤ（Charged Coupled Device）于１９６９年在貝爾試驗室研制成功，之后由日商等公司開始量產(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近３０多年，從初期的１０多萬像素已經(jīng)發(fā)展至目前主流應(yīng)用的５００萬像素。ＣＣＤ又可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應(yīng)用于影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機（DSC）、攝錄影機、監(jiān)視攝影機等多項影像輸入產(chǎn)品上。
一般認為，ＣＣＤ傳感器有以下優(yōu)點：
1. 高解析度（High Resolution）：像點的大小為μm級，可感測及識別精細物體，提高影像品質(zhì)。從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素數(shù)目從初期的10多萬增加到現(xiàn)在的400～500萬像素；
2. 低雜訊（Low Noise）高敏感度：ＣＣＤ具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊，因此提高了信噪比（SNR），同時又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測到，其訊號不會被掩蓋，使ＣＣＤ的應(yīng)用較不受天候拘束；
3. 動態(tài)范圍廣（High Dynamic Range）：同時偵測及分辦強光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現(xiàn)象。
4. 良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強度和輸出訊號大小成良好的正比關(guān)系，物體資訊不致?lián)p失，降低信號補償處理成本；
高光子轉(zhuǎn)換效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合影像增強管及投光器，即使在暗夜遠處的景物仍然還可以偵測得到；
5. 大面積感光（Large Field of View）：利用半導(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的ＣＣＤD晶片，目前與傳統(tǒng)底片尺寸相當(dāng)?shù)?5mm的ＣＣＤ已經(jīng)開始應(yīng)用在數(shù)碼相機中，成為取代專業(yè)有利光學(xué)相機的關(guān)鍵元件；
光譜響應(yīng)廣（Broad Spectral Response）：能檢測很寬波長范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域；
6. 低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感測器，其影像處理不會有失真的情形，使原物體資訊忠實地反應(yīng)出來；
7. 體積小、重量輕：CCD具備體積小且重量輕的特性，因此，可容易地裝置在人造衛(wèi)星及各式導(dǎo)航系統(tǒng)上；
8. 低?m電力，不受強電磁場影響；
9. 電荷傳輸效率佳：該效率系數(shù)影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊；
10. 可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。
根據(jù)In-Stat在２００１時對全球圖像傳感器的研究報告中指出，ＣＣＤ產(chǎn)業(yè)前七大廠商皆為日系廠商，占了全球９８.５％的市場份額，在技術(shù)發(fā)展方面，目前較有特色的主要廠商應(yīng)為索尼、飛利普和柯達公司。
飛利普公司在ＣＣＤ產(chǎn)品方面的優(yōu)勢為，具有業(yè)界最大尺寸的ＣＣＤ傳感器，在數(shù)碼相機的應(yīng)用中，其３５mm尺寸的ＣＣＤ已經(jīng)應(yīng)用在“Contax”的數(shù)碼相機中，成為專業(yè)數(shù)碼相機的代言人。其次該公司還具有獨特的“Frame-Transfer CCD”（面掃描）技術(shù)，該產(chǎn)品在應(yīng)用中，可實現(xiàn)每秒３０-６０幅的速率。這是真正視頻信號的速度。
柯達的ＣＣＤ采用了廣受好評的ＩＴＯ ＣＣＤ（氧化銦錫）技術(shù)，而不是傳統(tǒng)的聚硅化合物。其特點是敏銳度更高，透光性比一般ＣＣＤ提高了２０％，對于一般ＣＣＤ感應(yīng)較弱的藍光以及抗雜訊干擾方面有突破性的改善，其對藍光感應(yīng)能力提高了２.５倍，同時大幅降低了雜訊干擾，使影像更強銳利、色彩更加準確，為專業(yè)數(shù)碼攝影提供了高解析度、銳利度的影像。
傳統(tǒng)ＣＣＤ使用的是矩形的感光單元，而富士公司２年前研制的“ＳｕｐｅｒＣＣＤ（超級蜂窩結(jié)構(gòu)）使用的是八邊形的感光單元，使用了蜂巢的八邊形結(jié)構(gòu)，因此其感光單元面積要高于傳統(tǒng)ＣＣＤ。這樣會獲得三個好處，一是可以提高ＣＣＤ的感光度、二是提高動態(tài)范圍、三是提高了信噪比。這三個優(yōu)點加上ＳｕｐｅｒＣＣＤ更高的生成像素成為富士公司在數(shù)碼相機產(chǎn)品上的最大賣點。
二、ＣＭＯＳ圖像傳感器
ＣＭＯＳ圖像傳感器于８０年代發(fā)明以來，由于當(dāng)時ＣＭＯＳ工藝制程的技術(shù)不高，以致于傳感器在應(yīng)用中的雜訊較大，商品化進程一直較慢。時至今日，ＣＭＯＳ傳感器的應(yīng)用范圍也開始非常的廣泛，包括數(shù)碼相機 、PC Camera、影像電話、第三代手機、視訊會議、智能型保全系統(tǒng)、汽車倒車雷達、玩具，以及工業(yè)、醫(yī)療等用途。在低檔產(chǎn)品方面，其畫質(zhì)質(zhì)量已接近低檔ＣＣＤ的解析度，相關(guān)業(yè)者希望用ＣＭＯＳ器件取代ＣＣＤ的努力正在逐漸明朗。ＣＭＯＳ傳感器有可細分為：被動式像素傳感器ＣＭＯＳ（Passive Pixel Sensor CMOS）與主動式像素傳感器ＣＭＯＳ（Active Pixel Sensor CMOS）。
與ＣＣＤ相比，ＣＭＯＳ具有體積小，耗電量不到ＣＣＤ的1/10，售價也比ＣＣＤ便宜1/3的優(yōu)點。
與ＣＣＤ產(chǎn)品相比，ＣＭＯＳ是標準工藝制程，可利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備，不需額外的投資設(shè)備，且品質(zhì)可隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提升而進步。同時，全球晶圓廠的ＣＭＯＳ生產(chǎn)線較多，日后量產(chǎn)時也有利于成本的降低。另外，ＣＭＯＳ傳感器的最大優(yōu)勢，是它具有高度系統(tǒng)整合的條件。理論上，所有圖像傳感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一顆晶片上，甚至于所有的晶片包括后端晶片（Back-end Chip）、快閃記憶體（Flash RAM）等也可整合成單晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以達到降低整機生產(chǎn)成本的目的。
正因為此，目前投入研發(fā)、生產(chǎn)的廠商較多，美國有３０多家，歐洲７家，日本約８家，韓國１家，臺灣有８家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP)，其市場占有率５１％、ＳＴ(VLSI Vision)占１６％、Omni Vision占１３％、現(xiàn)代占８％、Photobit約占５％，這五家合計市占率達９３％。
根據(jù)In-Stat統(tǒng)計資料顯示，ＣＭＯＳ傳感器的全球銷售額到２００４年可望突破18億美元，ＣＭＯＳ將以６２％的年復(fù)合成長率快速成長，逐步侵占ＣＣＤ器件的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在去年快速發(fā)展的手機應(yīng)用領(lǐng)域中，以ＣＭＯＳ圖像傳感器為主的攝相模塊將占領(lǐng)其80％以上的應(yīng)用市場。
在業(yè)界，與ＣＣＤ傳感器不同另一點是ＣＭＯＳ目前占據(jù)市場主要地位的是北美廠商，前三大廠商為Agilent、OmniVision和Photobit。因此圖像傳感器業(yè)界的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競爭，實質(zhì)上是日本和北美雙雄爭霸的局面。
ＣＭＯＳ圖像傳感器屬于新興產(chǎn)品市場，其市場占有率變化不如成熟產(chǎn)業(yè)那般恒常不變，例如在１９９９年時，ＣＭＯＳ市場中，按照出貨比例排名依序為Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市場占有率分別為２４％、２２％、１４％和１４％，其中ＳＴＭ是歐洲廠商，Ｈｙｕｎｄａｉ是韓國廠商；但只經(jīng)過一年后的市場競爭，Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居一、二，且市場占有率分別提升到３７.７％和３０.８％，而STM落居第四，市場占有率大幅滑落至４.８％，至于Ｈｙｕｎｄａｉ更是大幅衰退只剩２.１％的市場占有率，值得一提的是Ｐｈｏｔｏｂｉ在２０００年度的大幅成長，全球市場占有率快速成長至１３.７％，排名全球第三。這三家廠商出貨量就占全球出貨量的８２.２％。從中可以分析，這個產(chǎn)業(yè)的廠商集中度相當(dāng)密集，所以觀察上述三家廠商的近期動態(tài)和發(fā)展，可看出許產(chǎn)業(yè)和技術(shù)未來發(fā)展方向。
Agilent主要的產(chǎn)品為第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要應(yīng)用在數(shù)碼相機 、行動電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產(chǎn)品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯(lián)盟，打入了光學(xué)鼠標產(chǎn)品領(lǐng)域，但是這是非常低階的CMOS產(chǎn)品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測器的全球統(tǒng)計時并未將此數(shù)量一并加入，但是此舉可看出Agilent以ＣＭＯＳ技術(shù)為基礎(chǔ)進軍光學(xué)元件的規(guī)劃意圖。
OmniVision它主要的產(chǎn)品包括?UCIF（352 x 288）、VGA（640 x 480）、SVGA（800 x 600）和SXGA（1280 x 1024）。目前Omnivision開發(fā)的130萬像素等級的ＣＭＯＳ圖像傳感器正在被業(yè)界大量應(yīng)用在數(shù)碼相機中。業(yè)界一般認為，百萬像素為使用ＣＭＯＳ和ＣＣＤ的分水嶺，ＣＭＯＳ成功跨進這一市場，足以說明ＣＭＯＳ技術(shù)發(fā)展對市場的滲透度，未來可能將取代ＣＣＤ成為中低檔影像產(chǎn)品的不留應(yīng)用。Omnivision在2001年5月開發(fā)的CIF(352 x 288)等級的ＣＭＯＳ傳感器，其特色為低?m電，目標市場定位在移動電話上，其產(chǎn)品發(fā)展策略和各大研究調(diào)查機構(gòu)不謀而合，目前在移動電話市場上，ＣＭＯＳ模組的攝相模塊已經(jīng)成為移動通訊應(yīng)用的最大量產(chǎn)品。
Photobit在2000年獲得較大成功。2001年P(guān)hotobit率先研發(fā)出PB-0330產(chǎn)品型號的ＣＭＯＳ圖像傳感器，此產(chǎn)品特色具備單一晶片邏輯轉(zhuǎn)數(shù)位的變頻器，它是第二代1/4寸的VGA（640 x 480），同時也推出PB-0111產(chǎn)品型號的ＣＭＯＳ影像感測器，是第二代1/5寸的CIF（352 x 288）。Photobit推出這兩種產(chǎn)品主要針對數(shù)碼相機和PC Camera這些近年來蓬勃發(fā)展的數(shù)位化產(chǎn)品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行動電話市場上有所區(qū)隔，其推出CIF（352 x 288）和VGA（640 x 480）這兩種不同解析程度的影像感測器，行銷范圍意圖含蓋低階和中高階市場。
去年業(yè)界發(fā)展了ＣＭＯＳ圖像傳感器新技術(shù)--Ｃ３Ｄ。Ｃ３Ｄ技術(shù)的最大特點就是像素反應(yīng)的均一性。Ｃ３Ｄ技術(shù)重新定義了成像器的性能（即把系統(tǒng)的整體性能包括在內(nèi)）并提高了ＣＭＯＳ圖像傳感器在均一性和暗電流方面的標準性能。
今年初，美國Foveon公司公開展示了其最新發(fā)展的Foveon X3技術(shù)，立即引起業(yè)界的高度關(guān)注。Foveon X3是全球第一款可以在一個像素上捕捉全部色彩的圖像傳感器陣列。傳統(tǒng)的光電耦合器件只能感應(yīng)光線強度，不能感應(yīng)色彩信息，需要通過濾色鏡來感應(yīng)色彩信息，我們稱之為Bayer濾鏡。而Foveon X3在一個像素上通過不同的深度來感應(yīng)色彩，最表面一層感應(yīng)藍色、第二層可以感應(yīng)綠色，第三層感應(yīng)紅色。它是根據(jù)硅對不同波長光線的吸收效應(yīng)來達到一個像素感應(yīng)全部色彩信息，目前已經(jīng)有了使用這種技術(shù)的ＣＭＯＳ圖像傳感器，其應(yīng)用產(chǎn)品是“Sigma SD9”數(shù)碼相機。
這項革新技術(shù)可以提供更加銳利的圖像，更好的色彩，比起以前的圖像傳感器，X3是第一款通過內(nèi)置硅光電傳感器來檢測色彩的。Foveon X3的技術(shù)對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體感光技術(shù)來說有很大的突破，也有顛覆傳統(tǒng)技術(shù)的效果，相信Foveon X3會有很好的前景。
在高分辨率像素產(chǎn)品方面，日前臺灣銳視科技已領(lǐng)先業(yè)界批量推出了210萬像素的ＣＭＯＳ圖像傳感器，而且已有美商與臺灣的光學(xué)鏡頭廠合作，將在第三季推出此款ＣＭＯＳ傳感器結(jié)合鏡頭的模組，ＣＭＯＳ應(yīng)用已經(jīng)開始在２００萬像素數(shù)碼相機產(chǎn)品中應(yīng)用。
三、結(jié)論
從產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展趨勢看，無論是ＣＣＤ還是ＣＭＯＳ，其體積小型化及高像素化仍是業(yè)界積極研發(fā)的目標。因為像素大則圖像產(chǎn)品的分辨率越高，清晰度越好，體積越小，其應(yīng)用面更廣泛。
從上述二種圖像傳感器解析度來看，未來將有幾年時間，以１３０萬像素至２００萬像素為界，之上的應(yīng)用領(lǐng)域中，將仍以ＣＣＤ主流，之下的產(chǎn)品中，將開始以ＣＭＯＳ傳感器為主流。業(yè)界分析今年底至明年初，將有３００萬像素的ＣＭＯＳ上市，預(yù)測ＣＭＯＳ市場應(yīng)用超越ＣＣＤ的時機一般在２００４年-２００５年。
