引言
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(chǎng)和業(yè)界都面臨著跨越各平臺(tái)的視訊、影音、通訊大整合時(shí)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(yīng)用，數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數(shù)碼相機(jī)就由幾十萬像素，發(fā)展到400、500萬像素甚至更高。
在圖像傳感器類別中，CCD是應(yīng)用在攝影攝像方面的高端技術(shù)元件，CMOS則應(yīng)用于較低影像品質(zhì)的產(chǎn)品中，它的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場(chǎng)上很多采用USB接口的產(chǎn)品無須外接電源且價(jià)格便宜的原因。盡管在技術(shù)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(duì)光源的要求要高一些，但現(xiàn)在該問題已經(jīng)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(yīng)用范圍
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(chǎng)和業(yè)界都面臨著跨越各平臺(tái)的視訊、影音、通訊大整合時(shí)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(yīng)用，數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數(shù)碼相機(jī)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(dá)的歐美國(guó)家，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)占有很大的市場(chǎng)，就是在發(fā)展中的中國(guó)，數(shù)碼相機(jī)的市場(chǎng)也在以驚人的速度增長(zhǎng)，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(duì)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(jiǎn)介CCD以及CMOS傳感器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。
CCD圖像傳感器
CCD（Charged Coupled Device）于1969年在貝爾試驗(yàn)室研制成功，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近40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(jī)上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)（DSC）、攝錄影機(jī)、監(jiān)視攝影機(jī)等多項(xiàng)影像輸入產(chǎn)品上。
一般認(rèn)為，CCD傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：
● 高解析度（High Resolution）：像點(diǎn)的大小為μm級(jí)，可感測(cè)及識(shí)別精細(xì)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?cái)?shù)目從初期的10多萬增加到現(xiàn)在的400～500萬像素。
● 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(shí)又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測(cè)到，其訊號(hào)不會(huì)被掩蓋，使CCD的應(yīng)用較不受天候拘束。
● 動(dòng)態(tài)范圍廣（High Dynamic Range）：同時(shí)偵測(cè)及分辨強(qiáng)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(hào)反差現(xiàn)象。
● 良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強(qiáng)度和輸出訊號(hào)大小成良好的正比關(guān)系，物體資訊不致?lián)p失，降低信號(hào)補(bǔ)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(qiáng)管及投光器，即使在暗夜遠(yuǎn)處的景物仍然還可以偵測(cè)到。
● 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CCD芯片晶片，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(jī)中，成為取代專業(yè)有利光學(xué)相機(jī)的關(guān)鍵元件。
● 光譜響應(yīng)廣（Broad Spectral Response）：能檢測(cè)很寬波長(zhǎng)范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。
● 低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感測(cè)器，其影像處理不會(huì)有失真的情形，使原物體資訊忠實(shí)地反應(yīng)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(wèi)星及各式導(dǎo)航系統(tǒng)上。
● 低耗電力，不受強(qiáng)電磁場(chǎng)影響。
● 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，影像將變得較模糊。
● 可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅(jiān)固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。
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(chǎng)份額，在技術(shù)發(fā)展方面，目前較有特色的主要廠商為索尼、飛利普和柯達(dá)公司。
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各公司在CCD產(chǎn)品方面的優(yōu)勢(shì)
飛利普公司具有業(yè)界最大尺寸的C C D傳感器，在數(shù)碼相機(jī)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(jī)中，成為專業(yè)數(shù)碼相機(jī)的代言人。其次該公司還具有獨(dú)特的“frame-Transfer CCD”（面掃描）技術(shù)，該產(chǎn)品在應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)每秒30-60幅的速率。這是真正視頻信號(hào)的速度。
柯達(dá)的CCD采用了廣受好評(píng)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(diǎn)是敏銳度更高，透光性比一般CCD提高了20%，對(duì)于一般CCD感應(yīng)較弱的藍(lán)光以及抗雜訊干擾方面有突破性的改善，其對(duì)藍(lán)光感應(yīng)能力提高了2.5倍，同時(shí)大幅降低了雜訊干擾，使影像更強(qiáng)銳利、色彩更加準(zhǔn)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“Super CCD（超級(jí)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(huì)獲得三個(gè)好處，一是可以提高CCD的感光度，二是提高動(dòng)態(tài)范圍，三是提高了信噪比。這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)加上Super CCD更高的生成像素，成為富士公司在數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品上的最大賣點(diǎn)。
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(shí)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(jìn)程一直較慢。時(shí)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(jī)、PC Camera、影像電話、第三代手機(jī)、視訊會(huì)議、智能型保全系統(tǒng)、汽車倒車?yán)走_(dá)、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(xì)分為：被動(dòng)式像素傳感器CMOS與主動(dòng)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(jià)也比CCD便宜三分之一的優(yōu)點(diǎn)。
與CCD產(chǎn)品相比，CMOS是標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)步。同時(shí)， 全球晶圓廠的CMOS生產(chǎn)線較多，日后量產(chǎn)時(shí)也有利于成本的降低。另外，CMOS傳感器的最大優(yōu)勢(shì)，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(shí)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(dá)到降低整機(jī)生產(chǎn)成本的目的。
正因?yàn)榇耍壳巴度胙邪l(fā)、生產(chǎn)的廠商較多，美國(guó)有30多家，歐洲7家，日本約8家，韓國(guó)1家，臺(tái)灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent（HP），其市場(chǎng)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(jì)市占率達(dá)93%。
在快速發(fā)展的手機(jī)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)80%以上的應(yīng)用市場(chǎng)。
在業(yè)界，與CCD傳感器不同的另一點(diǎn)是CMOS目前占據(jù)市場(chǎng)主要地位的是北美廠商，前三大廠商為Agilent、Omni Vision和Photobit。因此圖像傳感器業(yè)界的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)質(zhì)上是日本和北美爭(zhēng)霸的局面。
從產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)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(biāo)。因?yàn)橄袼卮髣t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。
