可視信息日趨重要,隨著多媒體系統的發展,圖像傳感器成為人們關注的焦點。眼睛是人類和動物的圖像接收器,而圖像傳感器則是電子設備的圖像接收器。圖像傳感器有兩種：線型圖像傳感器一般用在傳真機及掃描儀之類的產品中;面型圖像傳感器則廣泛地用于攝錄像機,安全保衛照相機、數碼相機及計算機照相機,并開始用于傳統上的非視像產品,如移動電話、個人數字助理(PDA)等。
面型圖像傳感器中有CCD和CMOS兩種模式。通常,傳送優良圖像質量的設備都采用CCD圖像傳感器,而注重功耗和成本的產品則選擇CMOS圖像傳感器。但新的技術正在克服每種器體固有的弱點,同時保留了適合于特定用途的某些特性。目前兩種圖像傳感器仍隨著信息、通信、互聯網及便攜式電子設備的發展而發展。比如,圖像傳感器在移動電話以及攝錄像機和數碼相機方面都面對著一個急速成長的市場。歐洲、韓國及日本制造商卻關注著帶內置照相機的移動電話,它將給圖像接收設備創造一個不斷成長的市場。
CCD圖像傳感器由在單晶硅基片上呈二維排列的光電二極管及其傳送電路構成。光電二極管把光轉換成電荷,再經轉換電路傳送和輸出。
CCD圖像傳感器按其傳送方法分為兩類。行間傳送(IT)型幾乎每一像素都有移位寄存器,并把來自光電二極管的圖像值送到移位寄存器。CCD用微鏡覆蓋,以改善占空因素。在幀行間傳送(FIT)CCD(有人稱之為全幀傳送CCD)中,CCD把整整一幀的圖像數據送入串行移位寄存器,由它進行未加工原始圖像的處理。此外,該系統還把電荷迅速傳送進儲能器,供橫向寄存器進行電荷的連續輸出。三洋電子及Philips消費電子公司是兩家FIT系統應用到CCD圖像傳感器的制造商。
通常光電二級管均勻排列成矩形點陣,但某些制造商已開發出了不同的設計。幾年前,日本富士照相膠卷公司與富士膠卷微器件公司共同開發了SuperCCD蜂房傳感器技術。這種結構不是傳統的縱橫向排列,而采用了錯列方式,既提高了空間使用率和像素密集度,又符合人類視覺的特點。富士膠卷在其數碼相機上采用這一結構,獲得了優良的圖像質量。今年初公司推出了供數碼相機用的質量更高的超級CCD蜂房傳感器,獨具橫向與縱向像素的混合功能,并有信號處理能力,使靈敏度達到ISO1600級。因此,該傳感器能以30fps速率攝錄VGA移動圖像,還能在各種場合包括暗處捕捉圖像。
采用FIT圖像傳感器的三洋公司,設計了CCD傳感器用芯片級封裝(CSP),是最早采用CSP的產品之一。它在2片玻璃板之間夾著CCD基片,并在后續級上備有信號處理LSI(大規模IC)。攝錄時鐘與輸出電路的功耗從5V降為2.8V,從而CCD圖像傳感器的功耗可與CMOS圖像傳感器相當。公司正把這種CCD傳感器用到電池工作的移動電話中。公司還提供傳輸速度15fps以下5mW的單獨CCD傳感器樣品。
CMOS圖像傳感器
CMOS傳感器采用與存儲器及邏輯IC同樣的互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝。傳統上,CMOS傳感器的靈敏度較低,在燈光暗淡場合轉發的圖像質量不佳。因此,即使CMOS傳感器的靈敏度較低,且可運用單一電源,但在大批量產品中的應用依然落在了CCD圖像傳感器的后面。
今天情況正在發生變化。CMOS圖像傳感器除了在移動終端及電子手持或圖像設備應用時具有低功耗優勢,之外,其靈敏度也取得了新的進展。移動電話極大的市場潛力,促使許多公司跨入CMOS圖像傳感器領域。夏普是首先進入的公司之一,它為日本移動服務提供商J-Phone開發了一種內置照相機的移動電話機。該產品獲得巨大成功,為其他同類制造商鋪平了發展道路。
器件的圖像質量通過工藝與電路技術進步而大獲改善,在最低照相機亮度方面的靈敏度尤有改進。東芝公司年初推出了一種VGA級傳感器TCM5063T和CIF傳感器TCM5073T,在黑暗處攝錄較之普通產品,其輸出電壓只及三分之一,靈敏度高一倍,最低照明亮度只要3勒克斯。它采用的是新開發的低漏泄電源光電二極管。
像CCD傳感器一樣,封裝技術是CMOS傳感器面臨的一大問題,問題在于如何縮小包括信號處理LSI在內的照相機模塊尺寸。富士通公司為此開發成功一種CMOS傳感器模塊尺寸為7.80×6.98×4.98mm,體積0.27cc。這種單芯片產品采用了公司自己的凸點芯片載體(BCC-BumpChipCarrier)封裝,這是一種無引線模壓線鍵合的芯片規模封裝,采用樹脂凸點。不久,公司還將推出另一類傳感器模塊系列,采用更低漏泄電流的改進工藝技術。
圖像傳感器市場
隨著技術和應用的迅速發展,中國臺灣、韓國、美國及其他地區的半導體制造商也開始進入CMOS圖像傳感器市場。中國臺灣和韓國公司都正加強其CMOS傳感器業務活動,臺灣的ICMedia公司已開發出了一種4勒克斯最低亮度模塊,并積極開拓移動電話、PDA、數碼相機及其它增長市場。韓國三星電子公司也把其CMOS傳感器業務看作支柱產品,正大力招徠日本移動電話制造商。與此同時,日本SeikoEpson公司則得到了Innotech公司關于閾值電壓調制圖像傳感器(VMIS-VoltageModulationImageSensor)的授權。VMIS是一種固體傳感器,它把CMOS工藝與相當于CCD器件的圖像質量結合一起,通過最有效地把光電二極管電荷轉換成電荷而達到優質圖像質量。
過去大多數面型圖像傳感器(CCD都用作攝錄機、汽車監視系統及其他自動檢測設備(即所謂“電眼”)。然而,當90年代中期CasioComputer公司推出QV10數碼相機后,開辟了一個嶄新市場,圖像傳感器市場正隨著數碼相機工業的迅速增長而急劇擴大(參見圖2)。
許多業界人士預料,今年全球數碼相機市場即將突破2000萬臺,成為超過攝錄機的主要市場。
數碼相機技術經過100萬像素的機型到200萬像素稍后達到了400萬像素,今天的頂級機型更高達500萬像素,在理論上其圖像質量已能與膠卷相機媲美。不過現在主流產品大多還是200萬像素左右的照相機。一些制造商正擴充機型,以求大量銷售;此外,一些開發商仍繼續在像素密度上努力。
數碼相機市場的特征是地區和主題的競爭,除EastmanKodak公司外,數碼相機的早期開發商和制造商大多為日本公司,它們的產品行銷全球。然而近來中國臺灣制造商也正全力搶入這一市場。
除了公司之間的競爭外,還有各種產品之間的競爭,眼下,CMOS圖像傳感器正在爭奪CCD早已確立的地位,這一走勢始于夏普推出的SH-04模塊。CMOS器件小巧省電,對移動式互聯網終端的開發商與制造商極具吸引力。
競爭的加劇,也迫使CCD制造商加緊了對產品的改進。一些著眼于移動電話市場的制造商正競相開發小型低功耗CCD照相機模塊,另一些則關注CCD傳感器的超級圖像質量。三洋公司開發的超小型CCD照相機模塊,生產能力已達50萬塊,不久將上升到150萬塊。富士照相機膠卷公司開發的SuperCCDHoneycomb除供自己的數碼相機用外,還打算進入移動電話市場,前景可觀。
CahnersIn-statGroup的調查表明,2003年后,業界可望從內置相機的移動電話大量上市而獲得豐厚的利潤。日本市場分析家認為,2003年帶內置相機的移動電話將占全球市場的10[%],2004年將上升到占20[%]。
總之,數碼相機用圖像傳感器今年可望突破2000萬個,明年接近3000萬個,2004年將增加到了500萬個左右。移動電話用圖像傳感器發展最快,明年接近2000萬個,2004年可望達6000萬個。此外,2004年計算機照相機用圖像傳感器預計可達3500萬個,數字攝錄機用的1280萬個,PDA和手持計算機用的580萬個,汽車用的530萬個。
