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CCD與CMOS影像感測器之技術與應用發展趨勢
 

【作者: 程正樺】   2003年03月05日 星期三

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隨著數位相機、手機相機的興起,影像感測元件已成為半導體業中最耀眼的明星產品之一,而在影像感測元件中,日商所寡佔的CCD感測器與百家爭鳴的CMOS感測器亦不斷試圖改善自身的缺點,希望成為市場上的主流技術。有鑑於此,本篇文章將首先簡介CCD與CMOS感測器運作原理之差異,再藉由探討領導廠商的技術發展藍圖,了解這些不同的影像感測元件在主要應用市場上的發展趨勢。《註:本篇文章所提及的CCD與CMOS感測器均為Array(或Area)Image Sensor(矩陣式影像感測器),並不包含Linear Image Sensor(直線式影像感測器)。》


CCD與CMOS感測器技術簡介

CCD與CMOS感測器是當前最被普遍採用的兩種影像感測元件,基本上兩者都是利用感光二極體(photodiode)進行光與電轉換,將影像轉換為數位資料,而其主要差異則在數位資料傳送方式的不同。


如(圖一)所示,CCD感測器每一行中每一個畫素(pixel)的電荷資料都會依序傳送到下一個畫素中,由最底端的部分輸出,再經由感測器邊緣的放大器進行放大輸出;而在CMOS感測器中,每個畫素都會連接一個放大器及類比/數位轉換電路,用類似記憶體電路的方式將資料輸出。


造成這種差異的原因,在於CCD的特殊製程可保持資料在傳送時不會失真,因此各個畫素的資料可集合至邊緣處再做放大處理;而CMOS製程的資料在傳送較長的距離時會產生雜訊,因此必須先行放大再整合各個畫素的資料。



《圖一 CCD與CMOS感測器之結構》
《圖一 CCD與CMOS感測器之結構》資料來源:Sharp

由於資料傳送方式不同,因此CCD與CMOS感測器在效能與應用上亦有諸多差異,這些差異包括靈敏度、成本、解析度、雜訊與耗電量等。


靈敏度差異

由於CMOS感測器每個畫素由四個電晶體與一個感光二極體所構成(含放大器與A/D轉換電路),使得每個畫素的感光區域遠小於畫素本身的表面積,因此在畫素尺寸(pixel size)相同的情況下,CMOS感測器的靈敏度會低於CCD感測器。


成本差異

由於CMOS感測器採用一般半導體電路最常用的CMOS製程,可以輕易地將周邊電路(如AGC、CDS、Timing generator或DSP等)整合到感測器晶片中,因此可以節省週邊晶片所需負擔的成本;而CCD由於採用電荷傳遞的方式傳送資料,只要其中有一個畫素不能運作,就會導致一整排的資料不能傳送,因此控制CCD感測器的良率比CMOS感測器更加困難,即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內就突破50%的水準,因此通常CCD感測器的成本會高於CMOS感測器。


解析度差異

如上所述,CMOS感測器的每個畫素都比CCD感測器更加複雜,其pixel size很難達到CCD感測器的水準,因此,當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS感測器時,CCD感測器的解析度通常會優於CMOS感測器的水準。舉例來說,目前市面上CMOS感測器最高可達到210萬畫素的水準(OmniVision的OV2610,2002/6推出),其尺寸為1/2吋,pixel size為4.25微米,但Sony在2002/12推出的ICX452,其尺寸與OV2610相差不多(1/1.8吋),但解析度卻能高達513萬畫素,pixel size亦只有2.78微米的水準。


雜訊差異

由於CMOS感測器每個感光二極體都需搭配一個放大器,而放大器屬於類比電路,很難讓每個放大器所得到的結果維持一致性,因此與只有一個放大器放在晶片邊緣的CCD感測器比較之下,CMOS感測器的雜訊就會增加很多,影響影像品質。


耗電量差異

CMOS感測器的影像擷取方式為主動式,感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體放大輸出,但CCD感測器則為被動式擷取,需外加電壓讓每個畫素中的電荷移動,而這外加電壓通常需要12~18V的水準;因此,CCD感測器除了在電源管理線路設計上的難度更高之外(需外加power IC),高驅動電壓更使其耗電量遠高於CMOS感測器。舉例來說,OmniVision近期推出的OV7640(1/4吋、VGA),在30fps的速度運作之下,耗電量僅40mW;而致力於低耗電CCD感測器的Sanyo,去年推出的1/7吋、CIF等級的產品,其耗電量卻仍維持在90mW以上,雖然該公司近期將推出35mW的新版產品,但基本上仍與CMOS感測器有些差距,且還處於送樣階段,正式產品尚未上市。


綜合以上分析,CCD感測器在靈敏度、解析度、以及雜訊控制等方面均優於CMOS感測器,而CMOS感測器則具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。不過,隨著CCD與CMOS感測器技術的進步,兩者的差異似乎有逐漸縮小的態勢,例如CCD感測器持續在耗電量上作改進,以期應用於行動通訊市場(這方面的代表業者為Sanyo);CMOS感測器則持續改善解析度與靈敏度的不足,以期應用於更高階的影像產品市場,我們可以從以下各主要廠商的產品規劃來看出一些端倪。


主要業者產品藍圖分析

根據市場統計資料(日經BP、Mizuho證券)顯示,2002年Sony、Matsushita、Sharp三家日商在全球CCD感測器市場的佔有率已達85%,其中Sony就佔了45%以上;同時In-Stat、Dataquest等機構亦統計出Agilent、OmniVision這兩家廠商在CMOS感測器上的市佔率超過60%,不過由於Agilent以光學滑鼠的應用為主,與相機的關聯性不大,故以下我們將介紹Sony與OmniVision這兩家CCD/CMOS感測器領導業者之技術藍圖。


Sony

Sony是全球CCD感測器第一大廠,也是第一家投入12吋晶圓、第一家推出600萬畫素CCD的業者,目前Sony約有30~40%的CCD感測器給自有品牌產品使用,其他則外賣Canon、Sanyo、Casio以及台灣的新虹、普利爾、詮訊(與台灣佳能合併)等廠商。


根據Sony的產品技術藍圖,如(圖二)所示,2003年除了一顆更高畫素(800萬畫素的ICX456)的產品外,並無其他微縮製程的產品問世。產品尺寸將大致維持現有水準,取而代之的是強化攝影功能與支援progressive scan(連續式掃描),例如500萬畫素的ICX455/465、330萬畫素的ICX451/481以及210萬畫素的ICX461等,讓高畫素產品也能輕易達到30fps以上的資料傳送速率。


由於目前高畫素產品仍由Sony佔有絕大部分的市場,再加上市場仍處於供不應求的狀況下,因此該公司並未急於作降低成本的動作,不過,一旦Sony目前最先進的製程(畫素尺寸2.6~2.8微米)成熟後(良率超過50%),該公司勢必近一步將此製程應用到其他產品上(目前仍只有1/1.8吋、500萬畫素產品使用此製程),屆時可能會有1/2.7吋、400萬畫素產品問世。



《圖二 Sony的影像感測器產品線與技術藍圖》
《圖二 Sony的影像感測器產品線與技術藍圖》資料來源:Sony,元大京華證券整理,2003年1月

OmniVision

OmniVision成立於1995年(以下簡稱OV),2002年6月領先其他同業率先推出210萬畫素的OV2610震驚市場,雖然目前採用此顆感測器量產的產品仍不多,但這已代表CMOS感測器可以開始滲透原本屬於CCD感測器的中高階數位相機市場;據OV的資料顯示,目前已有天瀚、明碁、鴻友等台灣數位相機業者開始採用該公司的OV2610。展望2003年的規劃,OV將在1Q03~2Q03之間推出330萬畫素、1/2吋的產品,採TSMC 0.18微米製程生產,再次擴張CMOS感測器的應用範圍。


在低耗電產品方面,OV亦在2002/12推出了OV7640,可以在2.5V的環境下運作,為目前VGA產品中耗電量最低的一顆晶片。而在2003年新規劃的產品方面,OV計畫在2H03推出130萬畫素、1/4吋,以及VGA、1/7吋的產品,希望在CCD業者仍未推出低耗電之130萬素產品前,先行搶佔市場先機。



《圖三 OmniVision的影像感測器產品線與技術藍圖》
《圖三 OmniVision的影像感測器產品線與技術藍圖》資料來源:OmniVision,元大京華證券整理,2003年1月

除了Sony與OmniVision外,其他業者對影像感測器產品的計畫則如(表一)所示。其中最具特色的業者為Sanyo,該公司以改善CCD感測器之耗電量、以便用於相機電話為主要目標,之前J-Phone率先推出市場的Sharp J-SHxx系列便是採用Sanyo的CIF級CCD感測器,Sharp、Toshiba等手機業者更計畫在4Q02~1Q03之間陸續導入Sanyo的VGA級產品。Matsushita、Sharp的產品規劃則與Sony相差不多,主要差異在於Matsushita有計畫推出更小的400萬畫素(1/2.7吋)與130萬畫素(1/4吋)產品。


表一 全球主要CCD /CMOS感測器業者概況
廠商名稱 產品線規劃 目標市場 產能規畫
(以1/3吋計算)
備註
Sony 現有解析度達610萬畫素之CCD感測器;未來將以motion picture等附加功能為其產品訴求 數位相機、攝影機、監控系統等(CCD感測器) 02年底月產能約為350萬顆,03/3將擴至460萬顆 將在台灣成立CMOS感測器的研發團隊,研發相機電話用CMOS感測器
Matsushita 現有解析度達536萬畫素、1/1.8吋之CCD感測器,並有尺寸最小的130萬畫素CCD(1/4吋);預計在相機電話上採用CMOS感測器 數位相機、攝影機、監控系統等(CCD感測器)相機電話(CMOS感測器) 02年底月產能為170萬顆,03年計畫擴至300萬顆  
Sharp 現有解析度達536萬畫素、1/1.8吋之CCD感測器,未來將以台灣市場為主力預計在相機電話上採用CMOS感測器 數位相機、攝影機、監控系統等(CCD感測器)相機電話(CMOS感測器) 02年底月產能為190萬顆,03年底計畫擴至400萬顆  
Sanyo 以耗電量低的CIF/VGA CCD為主,廣泛應用於日本相機手機中 相機電話(CCD感測器) 02年底月產能為100萬顆,03年底計畫擴至200萬顆  
OmniVision 目前有解析度達210萬畫素之CMOS感測器,將繼續發展330萬畫素產品;另有耗電量僅40mW之VGA級CMOS感測器 數位相機、相機電話、玩具相機、PC相機(CMOS感測器) 在TSMC、力晶採0.25~0.35微米製程生產,將發展0.18微米以下製程  
資料來源:各公司,元大京華證券整理,2003年1月

結論

由於數位相機與相機電話為影像感測模組的主要應用領域,故以下將分別從這兩個領域來分析影像感測元件之應用趨勢。


在數位相機方面

數位相機產品通常可劃分為高階(400萬畫素以上)、中階(330、210萬畫素)與低階(百萬畫素以下)三部分,而根據IDC、Dataquest、資策會MIC等研究機構預測,預估在2003年時,中階相機將佔有市場約65%的銷售量;因此,在OV陸續推出210萬、330萬畫素的產品之後,CMOS影像感測器將可正式在市場量最龐大的中階產品市場逐步成長,而這亦將對CMOS感測器的佔有率有正面的助益。


CCD感測器業者也了解這樣的狀況,因此,為了避免其產品效能被CMOS感測器追上,2002年已有許多業者推出500萬畫素以上產品,Sony更計畫在2003年推出800萬畫素的ICX 465,希望帶動消費者升級到更高畫素的產品;不過,由於人的眼睛不易看出400萬畫素照片所帶來的差異,故消費者對更高階產品的市場接受度仍有相當多人持懷疑態度,再加上400萬畫素照出來的相片檔案常常達2MB以上,若以600萬畫素去照則更為驚人,一張128MB的記憶卡可能只能存取幾十張照片(相當於一捲底片的量),因此,消費者持續往高畫素產品邁進的趨勢可能會受到影響,而這亦是對CMOS感測器有正面幫助的發展。


但這不表示CMOS感測器將一帆風順的取代CCD感測器。CMOS感測器仍有以下問題需要克服。


成本

根據業者所規劃的技術藍圖顯示,計畫於1H03推出的330萬畫素的CMOS感測器晶片尺寸為1/2吋左右,但相較於目前市面上可見的1/2吋CCD感測器,其最高解析度已可達500萬畫素以上;再者,目前330萬畫素的CCD感測器的尺寸已可縮小到1/2.7吋左右,理論上要推出1/3.2吋的330萬畫素CCD亦不是一件難事;因此,這些高階的CMOS感測器在量產初期仍很難在成本上與CCD感測器競爭。


影像品質與週邊零組件的配合

根據下游業者對220萬畫素CMOS感測器評估的結果,目前CMOS感測器的影像品質仍與CCD有一段相當大的差距;除此之外,週邊零組件(如鏡頭)是否能配合高畫素的CMOS感測器推出對應產品,也是影響CMOS感測器普及率的重要因素之一。


在相機電話方面

CMOS感測器是一般市場上認為較適合相機電話的解決方案,不過CCD感測器在Sanyo的大力推廣下,藉由採用frame transmission的方式來降低其耗電量,反而成為目前日本相機電話的主流選擇。


展望2003年,隨著Sanyo推出VGA級的低耗電CCD感測器,相機電話應該仍會以CCD感測器為大宗,CMOS感測器則以外掛式的相機模組為其主要應用;不過,2004年後,當相機電話用CMOS感測器邁入130萬畫素時代時,CCD感測器能否迎頭趕上卻成了未知之數;根據Sanyo的資料顯示,目前該公司亦沒有把握讓百萬畫素以上之CCD感測器的耗電量降至手機可接受的80~100mW,因此,相機電話未來是否仍有CCD發展的空間,目前仍難以下定論。


目前看來,許多CMOS感測器的業者大多已計畫在2H03之前推出百萬畫素級、1/4吋的相機電話用感測器,屆時CIF等級的產品更可望縮小至1/14吋,大幅降低採用的成本。筆者認為,在越來越多手機業者將相機模組導入其低階手機後,CMOS感測器有機會超越CCD感測器成為市場上的主流產品。


(作者為元大京華證券產業分析師)


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