圖像傳感器產品發展現狀簡介

圖像傳感器屬于光電產業里的光電元件類，隨著數碼技術、半導體制造技術以及網絡的迅速發展，目前市場和業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用，無疑要屬數碼相機產品，其發展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數碼相機就由幾十萬像素，發展到４００、５００萬像素甚至更高。不僅在發達的歐美國家，數碼相機已經占有很大的市場，就是在發展中的中國，數碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關鍵零部件――圖像傳感器產品就成為當前以及未來業界關注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產品類別區分，圖像傳感器產品主要分為ＣＣＤ、ＣＭＯＳ以及ＣＩＳ傳感器三種。本文將主要簡介ＣＣＤ以及ＣＭＯＳ傳感器的技術和產業發展現狀。
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，其發展歷程已經將近３０多年，從初期的１０多萬像素已經發展至目前主流應用的５００萬像素。ＣＣＤ又可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型應用于影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要應用于數碼相機（DSC）、攝錄影機、監視攝影機等多項影像輸入產品上。
一般認為，ＣＣＤ傳感器有以下優點：
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。從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素數目從初期的10多萬增加到現在的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的應用較不受天候拘束；
3.　動態范圍廣（High Dynamic Range）：同時偵測及分辦強光和弱光，提高系統環境的使用范圍，不因亮度差異大而造成信號反差現象。
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系，物體資訊不致損失，降低信號補償處理成本；
高光子轉換效率（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）：利用半導體技術已可制造大面積的ＣＣＤD晶片，目前與傳統底片尺寸相當的35mm的ＣＣＤ已經開始應用在數碼相機中，成為取代專業有利光學相機的關鍵元件；
光譜響應廣（Broad Spectral Response）：能檢測很寬波長范圍的光，增加系統使用彈性，擴大系統應用領域；
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星及各式導航系統上；
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，品質穩定，堅固，不易老化，使用方便及保養容易。
　　根據In-Stat在２００１時對全球圖像傳感器的研究報告中指出，ＣＣＤ產業前七大廠商皆為日系廠商，占了全球９８.５％的市場份額，在技術發展方面，目前較有特色的主要廠商應為索尼、飛利普和柯達公司。
　　飛利普公司在ＣＣＤ產品方面的優勢為，具有業界最大尺寸的ＣＣＤ傳感器，在數碼相機的應用中，其３５mm尺寸的ＣＣＤ已經應用在“Contax”的數碼相機中，成為專業數碼相機的代言人。其次該公司還具有獨特的“Frame-Transfer CCD”（面掃描）技術，該產品在應用中，可實現每秒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，而不是傳統的聚硅化合物。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，為專業數碼攝影提供了高解析度、銳利度的影像。
　　傳統ＣＣＤ使用的是矩形的感光單元，而富士公司２年前研制的“ＳｕｐｅｒＣＣＤ（超級蜂窩結構）使用的是八邊形的感光單元，使用了蜂巢的八邊形結構，因此其感光單元面積要高于傳統ＣＣＤ。這樣會獲得三個好處，一是可以提高ＣＣＤ的感光度、二是提高動態范圍、三是提高了信噪比。這三個優點加上ＳｕｐｅｒＣＣＤ更高的生成像素成為富士公司在數碼相機產品上的最大賣點。
二、ＣＭＯＳ圖像傳感器
　　ＣＭＯＳ圖像傳感器于８０年代發明以來，由于當時ＣＭＯＳ工藝制程的技術不高，以致于傳感器在應用中的雜訊較大，商品化進程一直較慢。時至今日，ＣＭＯＳ傳感器的應用范圍也開始非常的廣泛，包括數碼相機 、PC Camera、影像電話、第三代手機、視訊會議、智能型保全系統、汽車倒車雷達、玩具，以及工業、醫療等用途。在低檔產品方面，其畫質質量已接近低檔ＣＣＤ的解析度，相關業者希望用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的優點。
　　與ＣＣＤ產品相比，ＣＭＯＳ是標準工藝制程，可利用現有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨著半導體技術的提升而進步。同時，全球晶圓廠的ＣＭＯＳ生產線較多，日后量產時也有利于成本的降低。另外，ＣＭＯＳ傳感器的最大優勢，是它具有高度系統整合的條件。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成本的目的。
　　正因為此，目前投入研發、生產的廠商較多，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％、現代占８％、Photobit約占５％，這五家合計市占率達９３％。
　　根據In-Stat統計資料顯示，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％的年復合成長率快速成長，逐步侵占ＣＣＤ器件的應用領域。特別是在去年快速發展的手機應用領域中，以ＣＭＯＳ圖像傳感器為主的攝相模塊將占領其80％以上的應用市場。
　　在業界，與ＣＣＤ傳感器不同另一點是ＣＭＯＳ目前占據市場主要地位的是北美廠商，前三大廠商為Agilent、OmniVision和Photobit。因此圖像傳感器業界的技術、產業競爭，實質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品市場，其市場占有率變化不如成熟產業那般恒常不變，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　業的廠商集中度相當密集，所以觀察上述三家廠商的近期動態和發展，可看出許產業和技術未來發展方向。
　　Agilent主要的產品為第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要應用在數碼相機 、行動電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯盟，打入了光學鼠標產品領域，但是這是非常低階的CMOS產品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測器的全球統計時并未將此數量一并加入，但是此舉可看出Agilent以ＣＭＯＳ技術為基礎進軍光學元件的規劃意圖。
　　OmniVision它主要的產品包括?UCIF（352 x 288）、VGA（640 x 480）、SVGA（800 x 600）和SXGA（1280 x 1024）。目前Omnivision開發的130萬像素等級的ＣＭＯＳ圖像傳感器正在被業界大量應用在數碼相機中。業界一般認為，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技術發展對市場的滲透度，未來可能將取代ＣＣＤ成為中低檔影像產品的不留應用。Omnivision在2001年5月開發的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，其產品發展策略和各大研究調查機構不謀而合，目前在移動電話市場上，ＣＭＯＳ模組的攝相模塊已經成為移動通訊應用的最大量產品。
　　Photobit在2000年獲得較大成功。2001年Photobit率先研發出PB-0330產品型號的ＣＭＯＳ圖像傳感器，此產品特色具備單一晶片邏輯轉數位的變頻器，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推出這兩種產品主要針對數碼相機和PC Camera這些近年來蓬勃發展的數位化產品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行動電話市場上有所區隔，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。
　　去年業界發展了ＣＭＯＳ圖像傳感器新技術--Ｃ３Ｄ。Ｃ３Ｄ技術的最大特點就是像素反應的均一性。Ｃ３Ｄ技術重新定義了成像器的性能（即把系統的整體性能包括在內）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展的Foveon X3技術，立即引起業界的高度關注。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。傳統的光電耦合器件只能感應光線強度，不能感應色彩信息，需要通過濾色鏡來感應色彩信息，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色彩，最表面一層感應藍色、第二層可以感應綠色，第三層感應紅色。它是根據硅對不同波長光線的吸收效應來達到一個像素感應全部色彩信息，目前已經有了使用這種技術的ＣＭＯＳ圖像傳感器，其應用產品是“Sigma SD9”數碼相機。
　　這項革新技術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是第一款通過內置硅光電傳感器來檢測色彩的。Foveon X3的技術對于傳統半導體感光技術來說有很大的突破，也有顛覆傳統技術的效果，相信Foveon X3會有很好的前景。
　　在高分辨率像素產品方面，日前臺灣銳視科技已領先業界批量推出了210萬像素的ＣＭＯＳ圖像傳感器，而且已有美商與臺灣的光學鏡頭廠合作，將在第三季推出此款ＣＭＯＳ傳感器結合鏡頭的模組，ＣＭＯＳ應用已經開始在２００萬像素數碼相機產品中應用。
三、結論
　　從產品的技術發展趨勢看，無論是ＣＣＤ還是ＣＭＯＳ，其體積小型化及高像素化仍是業界積極研發的目標。因為像素大則圖像產品的分辨率越高，清晰度越好，體積越小，其應用面更廣泛。
　　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，之上的應用領域中，將仍以ＣＣＤ主流，之下的產品中，將開始以ＣＭＯＳ傳感器為主流。業界分析今年底至明年初，將有３００萬像素的ＣＭＯＳ上市，預測ＣＭＯＳ市場應用超越ＣＣＤ的時機一般在２００４年-２００５年。