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2、感光芯片(SENSOR) 是組成數碼攝像頭的重要組成部分，根據元件不同分為 CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合元件）應用在攝影攝像方面的高端技術元件。 CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體元件）應用于較低影像品質的產品中。 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。 CCD的優點是靈敏度高，噪音小，信噪比大。但是生產工藝復雜、成本高、功耗高。 CMOS的優點是集成度高、功耗低(不到CCD的1/3)、成本低。但是噪音比較大、靈敏度較低、對光源要求高。在相同像素下CCD的成像往往通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準確。而CMOS的產品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好。 所以我們在使用攝像頭，尤其是采用CMOS芯片的產品時就更應該注重技巧： 首先不要在逆光環境下使用(這點CCD同)，尤其不要直接指向太陽，否則“放大鏡燒螞蟻”的慘劇就會發生在您的攝像頭上。其次環境光線不要太弱，否則直接影響成像質量。克服這種困難有兩種辦法，一是加強周圍亮度，二是選擇要求最小照明度小的產品，現在有些攝像頭已經可以達到5lux。 最后要注意的是合理使用鏡頭變焦，不要小瞧這點，通過正確的調整，攝像頭也同樣可以擁有拍攝芯片的功能。目前，市場銷售的數碼攝像頭中，基本是CCD和CMOS平分秋色。在采用CMOS為感光元器件的產品中，通過采用影像光源自動增益補強技術，自動亮度、白平衡控制技術，色飽和度、對比度、邊緣增強以及伽馬矯正等先進的影像控制技術，完全可以達到與CCD攝像頭相媲美的效果。受市場情況及市場發展等情況的限制，攝像頭采用CCD圖像傳感器的廠商為數不多，主要原因是采用CCD圖像傳感器成本高的影響。 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. 低秏電力，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∶CIF（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，其特色為低秏電，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。

回答者：wuaoxue1232016-04-30 00:00