圖像傳感器

CCD

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，但該問題已經基本得到解決。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。圖像傳感器又叫感光元件。

應用

圖像傳感器，或稱感光元件，是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備，它被廣泛地應用在數碼相機和其他電子光學設備中。早期的圖像傳感器采用模擬信號，如攝像管(video camera tube)。隨著數碼技術、半導體制造技術以及網絡的迅速發展，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。

歷史

感光器件是工業攝像機最為核心的部件，圖像傳感器有CMOS和CCD兩種。CCD特有的工藝，具有低照度效果好、信噪比高、通透感強、色彩還原能力佳等優點，在交通、醫療等高端領域中廣泛應用。由于其成像方面的優勢，在很長時間內還會延續采用，但同時由于其成本高、功耗大也制約了其市場發展的空間。

CCD與CMOS在不同的應用場景下各有優勢，但隨著CMOS工藝和技術的不斷提升，以及高端CMOS價格的不斷下降，相信在安防行業高清攝像機未來的發展中，CMOS將占據越來越越重要的地位。

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。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。

特點

一般認為，CCD傳感器有以下優點：

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1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素數目從10多萬增加到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

(High Dynamic Range)：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(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;

大面積感光

(Large Field of View)：利用半導體技術已可制造大面積的CCD晶片，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;

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;

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。

CMOS

特點

CMOS傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點，最近幾年在寬動態、低照度方面發展迅速。CMOS即互補性金屬氧化物半導體，主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現基本的功能。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀成影像。

在模擬攝像機以及標清網絡攝像機中，CCD的使用最為廣泛，長期以來都在市場上占有主導地位。CCD的特點是靈敏度高，但響應速度較低，不適用于高清監控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式，因此進入高清監控時代以后，CMOS逐漸被人們所認識，高清監控攝像機普遍采用CMOS感光器件。

CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電。不像由二級管組成的CCD和CMOS電路幾乎沒有靜態電量消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要問題是在處理快速變換的影像時，由于電流變換過于頻繁而過熱，暗電流抑制的好就問題不大，如果抑制的不好就十分容易出現噪點。

已經研發出720P與1080P專用的背照式CMOS器件，其靈敏度性能已經與CCD接近。與表面照射型CMOS傳感器相比，背照式CMOS在靈敏度(S/N)上具有很大優勢，顯著提高低光照條件下的拍攝效果，因此在低照度環境下拍攝，能夠大幅降低噪點。

雖然以CMOS技術為基礎的百萬像素攝像機產品在低照度環境和信噪處理方面存在不足，但這并不會根本上影響它的應用前景。而且相關國際大企業正在加大力度解決這兩個問題，相信在不久的將來，CMOS的效果會越來越接近CCD的效果，并且CMOS設備的價格會低于CCD設備。

安防行業使用CMOS多于CCD已經成為不爭的事實，盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優于CMOS傳感器，但如果不考慮尺寸限制，CMOS在量率上的優勢可以有效克服大尺寸感光原件制造的困難，這樣CMOS在更高分辨率下將更有優勢。另外，CMOS響應速度比CCD快，因此更適合高清監控的大數據量特點。

歷史

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，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%。

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2013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。

市場

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動態和發展，可看出許產業和技術未來發展方向。

對比

CCD提供很好的圖像質量、抗噪能力和相機設計時的靈活性。盡管由于增加了外部電路使得系統的尺寸變大，復雜性提高，但在電路設計時可更加靈活，可以盡可能的提升CCD相機的某些特別關注的性能。CCD更適合于對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的應用領域，如天文，高清晰度的醫療X光影像、和其他需要長時間曝光，對圖像噪聲要求嚴格的科學應用。

CMOS是能應用當代大規模半導體集成電路生產工藝來生產的圖像傳感器，具有成品率高、集成度高、功耗小、價格低等特點。CMOS技術是世界上許多圖像傳感器半導體研發企業試圖用來替代CCD的技術。經過多年的努力，作為圖像傳感器，CMOS已經克服早期的許多缺點，發展到了在圖像品質方面可以與CCD技術較量的水平。CMOS的水平使它們更適合應用于要求空間小、體積小、功耗低而對圖像噪聲和質量要求不是特別高的場合。如大部分有輔助光照明的工業檢測應用、安防保安應用、和大多數消費型商業數碼相機應用。[4]

技術參數

了解CCD和CMOS芯片的成像原理和主要參數對于產品的選型時非常重要的。同樣，相同的芯片經過不同的設計制造出的相機性能也可能有所差別。

CCD和CMOS的主要參數有以下幾個：

1. 像元尺寸

像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um, 9um , 7um , 6.45um ,3.75um 等。像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。對于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。

2. 靈敏度

靈敏度是芯片的重要參數之一，它具有兩種物理意義。一種指光器件的光電轉換能力，與響應率的意義相同。即芯片的靈敏度指在一定光譜范圍內，單位曝光量的輸出信號電壓(電流)，單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦(V/W)、伏/勒克斯(V/Lux)、伏/流明(V/lm)。另一種是指器件所能傳感的對地輻射功率(或照度)，與探測率的意義相同，。單位可用瓦(W)或勒克斯(Lux)表示。

3. 壞點數

由于受到制造工藝的限制，對于有幾百萬像素點的傳感器而言，所有的像元都是好的情況幾乎不太可能，壞點數是指芯片中壞點(不能有效成像的像元或相應不一致性大于參數允許范圍的像元)的數量，壞點數是衡量芯片質量的重要參數。

4. 光譜響應

光譜響應是指芯片對于不同光波長光線的響應能力，通常用光譜響應曲線給出。

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。因為像素尺寸小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。