CCD與CMOS圖像傳感器的技術特點分析

　　在圖像傳感器類別中，CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則應用于較低影像品質的產品中，它的優點是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場上很多采用USB接口的產品無須外接電源且價格便宜的原因。盡管在技術上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對光源的要求要高一些，但現在該問題已經基本得到解決。目前CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸，在相同的分辨率下，宜選擇元件尺寸較大的為好。

　　圖像傳感器應用范圍

　　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。

　　在日常生活中的應用，數碼相機產品的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。

　　CCD圖像傳感器

　　CCD(ChargedCoupledDevice)于1969年在貝爾試驗室研制成功，其發展歷程已經將近40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：

　　●高解析度(HighResolution)：

　　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。

　　●低雜訊(LowNoise)，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。

　　●動態范圍廣(HighDynamicRange)：同時偵測及分辨強光和弱光，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。

　　●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(HighQuantumEfficiency)：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到。

　　●大面積感光(LargeFieldofView)：利用半導體技術已可制造大面積的CCD芯片晶片，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(BroadSpectralResponse)：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。

　　●低影像失真(LowImageDistortion)：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。

　　●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。

　　●低耗電力，不受強電磁場影響。

　　●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，影像將變得較模糊。

　　●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。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為索尼、飛利普和柯達公司。

　　各公司在CCD產品方面的優勢飛利普公司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-TransferCCD”(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ITOCCD(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，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，透光性比一般CCD提高了20%，對于一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。

　　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、PCCamera、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與主動式像素傳感器CMOS。

　　與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的十分之一，售價也比CCD便宜三分之一的優點。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-endChip)、快閃記憶體(FlashRAM)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(VLSIVision)占16%、OmniVision占13%、現代占8%、Photobit約占5%，這五家合計市占率達93%。

　　在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80%以上的應用市場。在業界，與CCD傳感器不同的另一點是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爭霸的局面。

　　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。