可视信息日趋重要,随着多媒体系统的发展,图像传感器成为人们关注的焦点。眼睛是人类和动物的图像接收器,而图像传感器则是电子设备的图像接收器。图像传感器有两种：线型图像传感器一般用在传真机及扫描仪之类的产品中;面型图像传感器则广泛地用于摄录像机,安全保卫照相机、数码相机及计算机照相机,并开始用于传统上的非视像产品,如移动电话、个人数字助理(PDA)等。
面型图像传感器中有CCD和CMOS两种模式。通常,传送优良图像质量的设备都采用CCD图像传感器,而注重功耗和成本的产品则选择CMOS图像传感器。但新的技术正在克服每种器体固有的弱点,同时保留了适合于特定用途的某些特性。目前两种图像传感器仍随着信息、通信、互联网及便携式电子设备的发展而发展。比如,图像传感器在移动电话以及摄录像机和数码相机方面都面对着一个急速成长的市场。欧洲、韩国及日本制造商却关注着带内置照相机的移动电话,它将给图像接收设备创造一个不断成长的市场。
CCD图像传感器由在单晶硅基片上呈二维排列的光电二极管及其传送电路构成。光电二极管把光转换成电荷,再经转换电路传送和输出。
CCD图像传感器按其传送方法分为两类。行间传送(IT)型几乎每一像素都有移位寄存器,并把来自光电二极管的图像值送到移位寄存器。CCD用微镜覆盖,以改善占空因素。在帧行间传送(FIT)CCD(有人称之为全帧传送CCD)中,CCD把整整一帧的图像数据送入串行移位寄存器,由它进行未加工原始图像的处理。此外,该系统还把电荷迅速传送进储能器,供横向寄存器进行电荷的连续输出。三洋电子及Philips消费电子公司是两家FIT系统应用到CCD图像传感器的制造商。
通常光电二级管均匀排列成矩形点阵,但某些制造商已开发出了不同的设计。几年前,日本富士照相胶卷公司与富士胶卷微器件公司共同开发了SuperCCD蜂房传感器技术。这种结构不是传统的纵横向排列,而采用了错列方式,既提高了空间使用率和像素密集度,又符合人类视觉的特点。富士胶卷在其数码相机上采用这一结构,获得了优良的图像质量。今年初公司推出了供数码相机用的质量更高的超级CCD蜂房传感器,独具横向与纵向像素的混合功能,并有信号处理能力,使灵敏度达到ISO1600级。因此,该传感器能以30fps速率摄录VGA移动图像,还能在各种场合包括暗处捕捉图像。
采用FIT图像传感器的三洋公司,设计了CCD传感器用芯片级封装(CSP),是最早采用CSP的产品之一。它在2片玻璃板之间夹着CCD基片,并在后续级上备有信号处理LSI(大规模IC)。摄录时钟与输出电路的功耗从5V降为2.8V,从而CCD图像传感器的功耗可与CMOS图像传感器相当。公司正把这种CCD传感器用到电池工作的移动电话中。公司还提供传输速度15fps以下5mW的单独CCD传感器样品。
CMOS图像传感器
CMOS传感器采用与存储器及逻辑IC同样的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺。传统上,CMOS传感器的灵敏度较低,在灯光暗淡场合转发的图像质量不佳。因此,即使CMOS传感器的灵敏度较低,且可运用单一电源,但在大批量产品中的应用依然落在了CCD图像传感器的后面。
今天情况正在发生变化。CMOS图像传感器除了在移动终端及电子手持或图像设备应用时具有低功耗优势,之外,其灵敏度也取得了新的进展。移动电话极大的市场潜力,促使许多公司跨入CMOS图像传感器领域。夏普是首先进入的公司之一,它为日本移动服务提供商J-Phone开发了一种内置照相机的移动电话机。该产品获得巨大成功,为其他同类制造商铺平了发展道路。
器件的图像质量通过工艺与电路技术进步而大获改善,在最低照相机亮度方面的灵敏度尤有改进。东芝公司年初推出了一种VGA级传感器TCM5063T和CIF传感器TCM5073T,在黑暗处摄录较之普通产品,其输出电压只及三分之一,灵敏度高一倍,最低照明亮度只要3勒克斯。它采用的是新开发的低漏泄电源光电二极管。
像CCD传感器一样,封装技术是CMOS传感器面临的一大问题,问题在于如何缩小包括信号处理LSI在内的照相机模块尺寸。富士通公司为此开发成功一种CMOS传感器模块尺寸为7.80×6.98×4.98mm,体积0.27cc。这种单芯片产品采用了公司自己的凸点芯片载体(BCC-BumpChipCarrier)封装,这是一种无引线模压线键合的芯片规模封装,采用树脂凸点。不久,公司还将推出另一类传感器模块系列,采用更低漏泄电流的改进工艺技术。
图像传感器市场
随着技术和应用的迅速发展,中国台湾、韩国、美国及其他地区的半导体制造商也开始进入CMOS图像传感器市场。中国台湾和韩国公司都正加强其CMOS传感器业务活动,台湾的ICMedia公司已开发出了一种4勒克斯最低亮度模块,并积极开拓移动电话、PDA、数码相机及其它增长市场。韩国三星电子公司也把其CMOS传感器业务看作支柱产品,正大力招徕日本移动电话制造商。与此同时,日本SeikoEpson公司则得到了Innotech公司关于阈值电压调制图像传感器(VMIS-VoltageModulationImageSensor)的授权。VMIS是一种固体传感器,它把CMOS工艺与相当于CCD器件的图像质量结合一起,通过最有效地把光电二极管电荷转换成电荷而达到优质图像质量。
过去大多数面型图像传感器(CCD都用作摄录机、汽车监视系统及其他自动检测设备(即所谓“电眼”)。然而,当90年代中期CasioComputer公司推出QV10数码相机后,开辟了一个崭新市场,图像传感器市场正随着数码相机工业的迅速增长而急剧扩大(参见图2)。
许多业界人士预料,今年全球数码相机市场即将突破2000万台,成为超过摄录机的主要市场。
数码相机技术经过100万像素的机型到200万像素稍后达到了400万像素,今天的顶级机型更高达500万像素,在理论上其图像质量已能与胶卷相机媲美。不过现在主流产品大多还是200万像素左右的照相机。一些制造商正扩充机型,以求大量销售;此外,一些开发商仍继续在像素密度上努力。
数码相机市场的特征是地区和主题的竞争,除EastmanKodak公司外,数码相机的早期开发商和制造商大多为日本公司,它们的产品行销全球。然而近来中国台湾制造商也正全力抢入这一市场。
除了公司之间的竞争外,还有各种产品之间的竞争,眼下,CMOS图像传感器正在争夺CCD早已确立的地位,这一走势始于夏普推出的SH-04模块。CMOS器件小巧省电,对移动式互联网终端的开发商与制造商极具吸引力。
竞争的加剧,也迫使CCD制造商加紧了对产品的改进。一些着眼于移动电话市场的制造商正竞相开发小型低功耗CCD照相机模块,另一些则关注CCD传感器的超级图像质量。三洋公司开发的超小型CCD照相机模块,生产能力已达50万块,不久将上升到150万块。富士照相机胶卷公司开发的SuperCCDHoneycomb除供自己的数码相机用外,还打算进入移动电话市场,前景可观。
CahnersIn-statGroup的调查表明,2003年后,业界可望从内置相机的移动电话大量上市而获得丰厚的利润。日本市场分析家认为,2003年带内置相机的移动电话将占全球市场的10[%],2004年将上升到占20[%]。
总之,数码相机用图像传感器今年可望突破2000万个,明年接近3000万个,2004年将增加到了500万个左右。移动电话用图像传感器发展最快,明年接近2000万个,2004年可望达6000万个。此外,2004年计算机照相机用图像传感器预计可达3500万个,数字摄录机用的1280万个,PDA和手持计算机用的580万个,汽车用的530万个。
