可視信息日趨重要,隨著多媒體系統(tǒng)的發(fā)展,圖像傳感器成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。眼睛是人類和動(dòng)物的圖像接收器,而圖像傳感器則是電子設(shè)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(jī)及掃描儀之類的產(chǎn)品中;面型圖像傳感器則廣泛地用于攝錄像機(jī),安全保衛(wèi)照相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)及計(jì)算機(jī)照相機(jī),并開始用于傳統(tǒng)上的非視像產(chǎn)品,如移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)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(yōu)良圖像質(zhì)量的設(shè)備都采用CCD圖像傳感器,而注重功耗和成本的產(chǎn)品則選擇CMOS圖像傳感器。但新的技術(shù)正在克服每種器體固有的弱點(diǎn),同時(shí)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(lián)網(wǎng)及便攜式電子設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展。比如,圖像傳感器在移動(dòng)電話以及攝錄像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)方面都面對著一個(gè)急速成長的市場。歐洲、韓國及日本制造商卻關(guān)注著帶內(nèi)置照相機(jī)的移動(dòng)電話,它將給圖像接收設(shè)備創(chuàng)造一個(gè)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(gòu)成。光電二極管把光轉(zhuǎn)換成電荷,再經(jīng)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)送入串行移位寄存器,由它進(jìn)行未加工原始圖像的處理。此外,該系統(tǒng)還把電荷迅速傳送進(jìn)儲(chǔ)能器,供橫向寄存器進(jìn)行電荷的連續(xù)輸出。三洋電子及Philips消費(fèi)電子公司是兩家FIT系統(tǒng)應(yīng)用到CCD圖像傳感器的制造商。
通常光電二級(jí)管均勻排列成矩形點(diǎn)陣,但某些制造商已開發(fā)出了不同的設(shè)計(jì)。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(fā)了SuperCCD蜂房傳感器技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)不是傳統(tǒng)的縱橫向排列,而采用了錯(cuò)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(diǎn)。富士膠卷在其數(shù)碼相機(jī)上采用這一結(jié)構(gòu),獲得了優(yōu)良的圖像質(zhì)量。今年初公司推出了供數(shù)碼相機(jī)用的質(zhì)量更高的超級(jí)CCD蜂房傳感器,獨(dú)具橫向與縱向像素的混合功能,并有信號(hào)處理能力,使靈敏度達(dá)到ISO1600級(jí)。因此,該傳感器能以30fps速率攝錄VGA移動(dòng)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(shè)計(jì)了CCD傳感器用芯片級(jí)封裝(CSP),是最早采用CSP的產(chǎn)品之一。它在2片玻璃板之間夾著CCD基片,并在后續(xù)級(jí)上備有信號(hào)處理LSI(大規(guī)模IC)。攝錄時(shí)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(dāng)。公司正把這種CCD傳感器用到電池工作的移動(dòng)電話中。公司還提供傳輸速度15fps以下5mW的單獨(dú)CCD傳感器樣品。
CMOS圖像傳感器
CMOS傳感器采用與存儲(chǔ)器及邏輯IC同樣的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝。傳統(tǒng)上,CMOS傳感器的靈敏度較低,在燈光暗淡場合轉(zhuǎn)發(fā)的圖像質(zhì)量不佳。因此,即使CMOS傳感器的靈敏度較低,且可運(yùn)用單一電源,但在大批量產(chǎn)品中的應(yīng)用依然落在了CCD圖像傳感器的后面。
今天情況正在發(fā)生變化。CMOS圖像傳感器除了在移動(dòng)終端及電子手持或圖像設(shè)備應(yīng)用時(shí)具有低功耗優(yōu)勢,之外,其靈敏度也取得了新的進(jìn)展。移動(dòng)電話極大的市場潛力,促使許多公司跨入CMOS圖像傳感器領(lǐng)域。夏普是首先進(jìn)入的公司之一,它為日本移動(dòng)服務(wù)提供商J-Phone開發(fā)了一種內(nèi)置照相機(jī)的移動(dòng)電話機(jī)。該產(chǎn)品獲得巨大成功,為其他同類制造商鋪平了發(fā)展道路。
器件的圖像質(zhì)量通過工藝與電路技術(shù)進(jìn)步而大獲改善,在最低照相機(jī)亮度方面的靈敏度尤有改進(jìn)。東芝公司年初推出了一種VGA級(jí)傳感器TCM5063T和CIF傳感器TCM5073T,在黑暗處攝錄較之普通產(chǎn)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(fā)的低漏泄電源光電二極管。
像CCD傳感器一樣,封裝技術(shù)是CMOS傳感器面臨的一大問題,問題在于如何縮小包括信號(hào)處理LSI在內(nèi)的照相機(jī)模塊尺寸。富士通公司為此開發(fā)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(chǎn)品采用了公司自己的凸點(diǎn)芯片載體(BCC-BumpChipCarrier)封裝,這是一種無引線模壓線鍵合的芯片規(guī)模封裝,采用樹脂凸點(diǎn)。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(jìn)工藝技術(shù)。
圖像傳感器市場
隨著技術(shù)和應(yīng)用的迅速發(fā)展,中國臺(tái)灣、韓國、美國及其他地區(qū)的半導(dǎo)體制造商也開始進(jìn)入CMOS圖像傳感器市場。中國臺(tái)灣和韓國公司都正加強(qiáng)其CMOS傳感器業(yè)務(wù)活動(dòng),臺(tái)灣的ICMedia公司已開發(fā)出了一種4勒克斯最低亮度模塊,并積極開拓移動(dòng)電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)及其它增長市場。韓國三星電子公司也把其CMOS傳感器業(yè)務(wù)看作支柱產(chǎn)品,正大力招徠日本移動(dòng)電話制造商。與此同時(shí),日本SeikoEpson公司則得到了Innotech公司關(guān)于閾值電壓調(diào)制圖像傳感器(VMIS-VoltageModulationImageSensor)的授權(quán)。VMIS是一種固體傳感器,它把CMOS工藝與相當(dāng)于CCD器件的圖像質(zhì)量結(jié)合一起,通過最有效地把光電二極管電荷轉(zhuǎn)換成電荷而達(dá)到優(yōu)質(zhì)圖像質(zhì)量。
過去大多數(shù)面型圖像傳感器(CCD都用作攝錄機(jī)、汽車監(jiān)視系統(tǒng)及其他自動(dòng)檢測設(shè)備(即所謂“電眼”)。然而,當(dāng)90年代中期CasioComputer公司推出QV10數(shù)碼相機(jī)后,開辟了一個(gè)嶄新市場,圖像傳感器市場正隨著數(shù)碼相機(jī)工業(yè)的迅速增長而急劇擴(kuò)大(參見圖2)。
許多業(yè)界人士預(yù)料,今年全球數(shù)碼相機(jī)市場即將突破2000萬臺(tái),成為超過攝錄機(jī)的主要市場。
數(shù)碼相機(jī)技術(shù)經(jīng)過100萬像素的機(jī)型到200萬像素稍后達(dá)到了400萬像素,今天的頂級(jí)機(jī)型更高達(dá)500萬像素,在理論上其圖像質(zhì)量已能與膠卷相機(jī)媲美。不過現(xiàn)在主流產(chǎn)品大多還是200萬像素左右的照相機(jī)。一些制造商正擴(kuò)充機(jī)型,以求大量銷售;此外,一些開發(fā)商仍繼續(xù)在像素密度上努力。
數(shù)碼相機(jī)市場的特征是地區(qū)和主題的競爭,除EastmanKodak公司外,數(shù)碼相機(jī)的早期開發(fā)商和制造商大多為日本公司,它們的產(chǎn)品行銷全球。然而近來中國臺(tái)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(chǎn)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(dòng)式互聯(lián)網(wǎng)終端的開發(fā)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(chǎn)品的改進(jìn)。一些著眼于移動(dòng)電話市場的制造商正競相開發(fā)小型低功耗CCD照相機(jī)模塊,另一些則關(guān)注CCD傳感器的超級(jí)圖像質(zhì)量。三洋公司開發(fā)的超小型CCD照相機(jī)模塊,生產(chǎn)能力已達(dá)50萬塊,不久將上升到150萬塊。富士照相機(jī)膠卷公司開發(fā)的SuperCCDHoneycomb除供自己的數(shù)碼相機(jī)用外,還打算進(jìn)入移動(dòng)電話市場,前景可觀。
CahnersIn-statGroup的調(diào)查表明,2003年后,業(yè)界可望從內(nèi)置相機(jī)的移動(dòng)電話大量上市而獲得豐厚的利潤。日本市場分析家認(rèn)為,2003年帶內(nèi)置相機(jī)的移動(dòng)電話將占全球市場的10[%],2004年將上升到占20[%]。
總之,數(shù)碼相機(jī)用圖像傳感器今年可望突破2000萬個(gè),明年接近3000萬個(gè),2004年將增加到了500萬個(gè)左右。移動(dòng)電話用圖像傳感器發(fā)展最快,明年接近2000萬個(gè),2004年可望達(dá)6000萬個(gè)。此外,2004年計(jì)算機(jī)照相機(jī)用圖像傳感器預(yù)計(jì)可達(dá)3500萬個(gè),數(shù)字?jǐn)z錄機(jī)用的1280萬個(gè),PDA和手持計(jì)算機(jī)用的580萬個(gè),汽車用的530萬個(gè)。
