圖像傳感器是利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能。將感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號。與光敏二極管，光敏三極管等“點”光源的光敏元件相比，圖像傳感器是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉(zhuǎn)換成可用的電信號的一種功能器件。圖像傳感器分為光導(dǎo)攝像管和固態(tài)圖像傳感器。與光導(dǎo)攝像管相比，固態(tài)圖像傳感器具有體積小、重量輕、集成度高、分辨率高、功耗低、壽命長、價格低等特點。因此在各個行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

CCD

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(chǎn)品無須外接電源且價格便宜的原因。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攝像頭對光源的要求要高一些，但該問題已經(jīng)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(yīng)用

圖像傳感器，或稱感光元件，是一種將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電子信號的設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用在數(shù)碼相機和其他電子光學(xué)設(shè)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(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，市場和業(yè)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(yīng)用，無疑要屬數(shù)碼相機產(chǎn)品，其發(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)達的歐美國家，數(shù)碼相機已經(jīng)占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關(guān)鍵零部件——圖像傳感器產(chǎn)品就成為當前以及未來業(yè)界關(guān)注的對象，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。本文將主要簡介CCD以及CMOS傳感器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。

歷史

感光器件是工業(yè)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(yōu)點，在交通、醫(yī)療等高端領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。由于其成像方面的優(yōu)勢，在很長時間內(nèi)還會延續(xù)采用，但同時由于其成本高、功耗大也制約了其市場發(fā)展的空間。

CCD與CMOS在不同的應(yīng)用場景下各有優(yōu)勢，但隨著CMOS工藝和技術(shù)的不斷提升，以及高端CMOS價格的不斷下降，相信在安防行業(yè)高清攝像機未來的發(fā)展中，CMOS將占據(jù)越來越重要的地位。

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(chǎn)，其發(fā)展歷程已經(jīng)將近30多。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上，而面型主要應(yīng)用于數(shù)碼相機（DSC）、攝錄影機、監(jiān)視攝影機等多項影像輸入產(chǎn)品上。

特點

一般認為，CCD傳感器有以下優(yōu)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(zhì)。從1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素數(shù)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(yīng)用較不受天候拘束；

動態(tài)范圍廣

（High Dynamic Range）：同時偵測及分辨強光和弱光，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反差現(xiàn)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(guān)系，物體資訊不致?lián)p失，降低信號補償處理成本；

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(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的CCD晶片，與傳統(tǒng)底片尺寸相當?shù)?5mm的CCD已經(jīng)開始應(yīng)用在數(shù)碼相機中，成為取代專業(yè)有利光學(xué)相機的關(guān)鍵元件；

光譜響應(yīng)廣（Broad Spectral Response）：能檢測很寬波長范圍的光，增加系統(tǒng)使用彈性，擴大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)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(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；

低秏電力

不受強電磁場影響；

9.　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，影像將變較模糊；

10.　可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。

根據(jù)In-Stat在2001時對全球圖像傳感器的研究報告中指出，CCD產(chǎn)業(yè)前七大廠商皆為日系廠商，占了全球98.5%的市場份額，在技術(shù)發(fā)展方面，較有特色的主要廠商應(yīng)為索尼、飛利普和柯達公司。

CMOS

特點

CMOS傳感器采用一般半導(dǎo)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(tài)、低照度方面發(fā)展迅速。CMOS即互補性金屬氧化物半導(dǎo)體，主要是利用硅和鍺兩種元素所做成的半導(dǎo)體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現(xiàn)基本的功能。這兩個互補效應(yīng)所產(chǎn)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(wǎng)絡(luò)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(dǎo)地位。CCD的特點是靈敏度高，但響應(yīng)速度較低，不適用于高清監(jiān)控攝像機采用的高分辨率逐行掃描方式，因此進入高清監(jiān)控時代以后，CMOS逐漸被人們所認識，高清監(jiān)控攝像機普遍采用CMOS感光器件。

CMOS針對CCD最主要的優(yōu)勢就是非常省電。不像由二級管組成的CCD，CMOS電路幾乎沒有靜態(tài)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(xiàn)噪點。

已經(jīng)研發(fā)出720P與1080P專用的背照式CMOS器件，其靈敏度性能已經(jīng)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(yōu)勢，顯著提高低光照條件下的拍攝效果，因此在低照度環(huán)境下拍攝，能夠大幅降低噪點。

雖然以CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)的百萬像素攝像機產(chǎn)品在低照度環(huán)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(yīng)用前景。而且相關(guān)國際大企業(yè)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(shè)備的價格會低于CCD設(shè)備。

安防行業(yè)使用CMOS多于CCD已經(jīng)成為不爭的事實，盡管相同尺寸的CCD傳感器分辨率優(yōu)于CMOS傳感器，但如果不考慮尺寸限制，CMOS在量率上的優(yōu)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(yōu)勢。另外，CMOS響應(yīng)速度比CCD快，因此更適合高清監(jiān)控的大數(shù)據(jù)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(yōu)點。

與CCD產(chǎn)品相比，CMOS是標準工藝制程，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)的提升而進步。同時，全球晶圓廠的CMOS生產(chǎn)線較多，日后量產(chǎn)時也有利于成本的降低。另外，CMOS傳感器的最大優(yōu)勢，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(chǎn)成本的目的。

正因為此，投入研發(fā)、生產(chǎn)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(xiàn)代占8%、Photobit約占5%，這五家合計市占率達93%。

根據(jù)In-Stat統(tǒng)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(fù)合成長率快速成長，逐步侵占CCD器件的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在2013年快速發(fā)展的手機應(yīng)用領(lǐng)域中，以CMOS圖像傳感器為主的攝相模塊將占領(lǐng)其80%以上的應(yīng)用市場。

市場

CMOS圖像傳感器屬于新興產(chǎn)品市場，其市場占有率變化不如成熟產(chǎn)業(yè)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(jīng)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(chǎn)業(yè)的廠商集中度相當密集，所以觀察上述三家廠商的動態(tài)和發(fā)展，可看出許產(chǎn)業(yè)和技術(shù)未來發(fā)展方向。

Agilent主要的產(chǎn)品為第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要應(yīng)用在數(shù)碼相機 、行動電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產(chǎn)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(lián)盟，打入了光學(xué)鼠標產(chǎn)品領(lǐng)域，但是這是非常低階的CMOS產(chǎn)品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測器的全球統(tǒng)計時并未將此數(shù)量一并加入，但是此舉可看出Agilent以CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)進軍光學(xué)元件的規(guī)劃意圖。

OmniVision它主要的產(chǎn)品包括︰CIF（352 x 288）、VGA（640 x 480）、SVGA（800 x 600）和SXGA（1280 x 1024）。Omnivision開發(fā)的130萬像素等級的CMOS圖像傳感器正在被業(yè)界大量應(yīng)用在數(shù)碼相機中。業(yè)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(shù)發(fā)展對市場的滲透度，未來可能將取代CCD成為中低檔影像產(chǎn)品的不留應(yīng)用。Omnivision在2001年5月開發(fā)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(chǎn)品發(fā)展策略和各大研究調(diào)查機構(gòu)不謀而合，在移動電話市場上，CMOS模組的攝相模塊已經(jīng)成為移動通訊應(yīng)用的最大量產(chǎn)品。

Photobit在2000年獲得較大成功。2001年P(guān)hotobit率先研發(fā)出PB-0330產(chǎn)品型號的CMOS圖像傳感器，此產(chǎn)品特色具備單一晶片邏輯轉(zhuǎn)數(shù)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(chǎn)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(chǎn)品主要針對數(shù)碼相機和PC Camera的數(shù)位化產(chǎn)品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行動電話市場上有所區(qū)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。

發(fā)展

2013年業(yè)界發(fā)展了CMOS圖像傳感器新技術(shù)--C3D。C3D技術(shù)的最大特點就是像素反應(yīng)的均一性。C3D技術(shù)重新定義了成像器的性能（即把系統(tǒng)的整體性能包括在內(nèi)）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。

2014年初，美國Foveon公司公開展示了其最新發(fā)展的Foveon X3技術(shù)，立即引起業(yè)界的高度關(guān)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(tǒng)的光電耦合器件只能感應(yīng)光線強度，不能感應(yīng)色彩信息，需要通過濾色鏡來感應(yīng)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(yīng)色彩，最表面一層感應(yīng)藍色、第二層可以感應(yīng)綠色，第三層感應(yīng)紅色。它是根據(jù)硅對不同波長光線的吸收效應(yīng)來達到一個像素感應(yīng)全部色彩信息，已經(jīng)有了使用這種技術(shù)的CMOS圖像傳感器，其應(yīng)用產(chǎn)品是“Sigma SD9”數(shù)碼相機。

這項革新技術(shù)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(nèi)置硅光電傳感器來檢測色彩的。Foveon X3的技術(shù)對于傳統(tǒng)半導(dǎo)體感光技術(shù)來說有很大的突破，也有顛覆傳統(tǒng)技術(shù)的效果，相信Foveon X3會有很好的前景。

在高分辨率像素產(chǎn)品方面，日前臺灣銳視科技已領(lǐng)先業(yè)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(xué)鏡頭廠合作，將在第三季推出此款CMOS傳感器結(jié)合鏡頭的模組，CMOS應(yīng)用已經(jīng)開始在200萬像素數(shù)碼相機產(chǎn)品中應(yīng)用。

對比

CCD提供很好的圖像質(zhì)量、抗噪能力和相機設(shè)計時的靈活性。盡管由于增加了外部電路使得系統(tǒng)的尺寸變大，復(fù)雜性提高，但在電路設(shè)計時可更加靈活，可以盡可能的提升CCD相機的某些特別關(guān)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(yīng)用領(lǐng)域，如天文，高清晰度的醫(yī)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(xué)應(yīng)用。

CMOS是能應(yīng)用當代大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)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(shù)是世界上許多圖像傳感器半導(dǎo)體研發(fā)企業(yè)試圖用來替代CCD的技術(shù)。經(jīng)過多年的努力，作為圖像傳感器，CMOS已經(jīng)克服早期的許多缺點，發(fā)展到了在圖像品質(zhì)方面可以與CCD技術(shù)較量的水平。CMOS的水平使它們更適合應(yīng)用于要求空間小、體積小、功耗低而對圖像噪聲和質(zhì)量要求不是特別高的場合。如大部分有輔助光照明的工業(yè)檢測應(yīng)用、安防保安應(yīng)用、和大多數(shù)消費型商業(yè)數(shù)碼相機應(yīng)用。

技術(shù)參數(shù)

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

CCD和CMOS的主要參數(shù)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(yīng)能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)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(shù)之一，它具有兩種物理意義。一種指光器件的光電轉(zhuǎn)換能力，與響應(yīng)率的意義相同。即芯片的靈敏度指在一定光譜范圍內(nèi)，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(shù)

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(shù)是指芯片中壞點（不能有效成像的像元或相應(yīng)不一致性大于參數(shù)允許范圍的像元）的數(shù)量，壞點數(shù)是衡量芯片質(zhì)量的重要參數(shù)。

4. 光譜響應(yīng)

光譜響應(yīng)是指芯片對于不同光波長光線的響應(yīng)能力，通常用光譜響應(yīng)曲線給出。

從產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)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(yè)界積極研發(fā)的目標。因為像素尺寸小則圖像產(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。

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(yīng)用領(lǐng)域中，將仍以CCD主流，之下的產(chǎn)品中，將開始以CMOS傳感器為主流。業(yè)界分析2014年底至2015初，將有300萬像素的CMOS上市，預(yù)測CMOS市場應(yīng)用超越CCD的時機一般在2004年-2005年。

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