图像传感器发展现状

图像传感器产品发展现状简介

图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展，目前市场和业界都面临着跨越各平台的视讯、影音、通讯大整合时代的到来，勾划着未来人类的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到４００、５００万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此，其关键零部件——图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。以产品类别区分，图像传感器产品主要分为ＣＣＤ、ＣＭＯＳ以及ＣＩＳ传感器三种。本文将主要简介ＣＣＤ以及ＣＭＯＳ传感器的技术和产业发展现状。

一、ＣＣＤ图像传感器

ＣＣＤ（Charged Coupled Device）于１９６９年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近３０多年，从初期的１０多万像素已经发展至目前主流应用的５００万像素。ＣＣＤ又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。

一般认为，ＣＣＤ传感器有以下优点：

1. 高解析度（High Resolution）：像点的大小为μm级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数目从初期的10多万增加到现在的400～500万像素；

2. 低杂讯（Low Noise）高敏感度：ＣＣＤ具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使ＣＣＤ的应用较不受天候拘束；

3. 动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦测及分办强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度差异大而造成信号反差现象。

4. 良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本；

高光子转换效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到；

5. 大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的ＣＣＤD晶片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的ＣＣＤ已经开始应用在数码相机中，成为取代专业有利光学相机的关键元件；

光谱响应广（Broad Spectral Response）：能检测很宽波长范围的光，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；

6. 低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，使原物体资讯忠实地反应出来；

7. 体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上；

8. 低秏电力，不受强电磁场影响；

9. 电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊；

10. 可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。

根据In-Stat在２００１时对全球图像传感器的研究报告中指出，ＣＣＤ产业前七大厂商皆为日系厂商，占了全球９８.５％的市场份额，在技术发展方面，目前较有特色的主要厂商应为索尼、飞利普和柯达公司。

飞利普公司在ＣＣＤ产品方面的优势为，具有业界最大尺寸的ＣＣＤ传感器，在数码相机的应用中，其３５mm尺寸的ＣＣＤ已经应用在“Contax”的数码相机中，成为专业数码相机的代言人。其次该公司还具有独特的“Frame-Transfer CCD”（面扫描）技术，该产品在应用中，可实现每秒３０-６０幅的速率。这是真正视频信号的速度。

柯达的ＣＣＤ采用了广受好评的ＩＴＯＣＣＤ（氧化铟锡）技术，而不是传统的聚硅化合物。其特点是敏锐度更高，透光性比一般ＣＣＤ提高了２０％，对于一般ＣＣＤ感应较弱的蓝光以及抗杂讯干扰方面有突破性的改善，其对蓝光感应能力提高了２.５倍，同时大幅降低了杂讯干扰，使影像更强锐利、色彩更加准确，为专业数码摄影提供了高解析度、锐利度的影像。

传统ＣＣＤ使用的是矩形的感光单元，而富士公司２年前研制的“ＳｕｐｅｒＣＣＤ（超级蜂窝结构）使用的是八边形的感光单元，使用了蜂巢的八边形结构，因此其感光单元面积要高于传统ＣＣＤ。这样会获得三个好处，一是可以提高ＣＣＤ的感光度、二是提高动态范围、三是提高了信噪比。这三个优点加上ＳｕｐｅｒＣＣＤ更高的生成像素成为富士公司在数码相机产品上的最大卖点。

二、ＣＭＯＳ图像传感器

ＣＭＯＳ图像传感器于８０年代发明以来，由于当时ＣＭＯＳ工艺制程的技术不高，以致于传感器在应用中的杂讯较大，商品化进程一直较慢。时至今日，ＣＭＯＳ传感器的应用范围也开始非常的广泛，包括数码相机、PC Camera、影像电话、第三代手机、视讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等用途。在低档产品方面，其画质质量已接近低档ＣＣＤ的解析度，相关业者希望用ＣＭＯＳ器件取代ＣＣＤ的努力正在逐渐明朗。ＣＭＯＳ传感器有可细分为：被动式像素传感器ＣＭＯＳ（Passive Pixel Sensor CMOS）与主动式像素传感器ＣＭＯＳ（Active Pixel Sensor CMOS）。

与ＣＣＤ相比，ＣＭＯＳ具有体积小，耗电量不到ＣＣＤ的1/10，售价也比ＣＣＤ便宜1/3的优点。

与ＣＣＤ产品相比，ＣＭＯＳ是标准工艺制程，可利用现有的半导体设备，不需额外的投资设备，且品质可随著半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂的ＣＭＯＳ生产线较多，日后量产时也有利于成本的降低。另外，ＣＭＯＳ传感器的最大优势，是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暂存器、时序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一颗晶片上，