最近几年相关业者对CCD与CMOS取像组件的认知发生重大改变,具体内容分别如下:
图2是以往与最近对CCD与CMOS两取像组件的认知比较。
莸挠跋欤??伊计仿嗜杂写©克服。此外加大扩散层改变基本结构,更造成无法与周边高性能化数字电路整合,达成所谓的两全其美目标,事实上这意味CMOS已经丧失单芯片的优势。
由于CMOS与CCD两者的优缺点随着技术的进化,以往所谓的“要求高画质的高阶产品使用CCD,低耗量电低价为诉求时使用CMOS”壁垒分明的格局,正受到行动电话的发展快速瓦解,形成二分天下相互竞争的局面,该趋势可见图3,2002年内建取像镜头的行动电话已经成为市场主流的统计结果获得证实,一般认为2005年全球照相手机的比率可达20%,届时市场规模将超过1亿台(图4)。
早期的照相手机基于价格与耗电量优先等考量,因此取像镜头大多使用CMOS传感器,随后市场才出现高画质要求,三洋电机随即在2001年2月推出内建1/7英寸~11万像素CCD取像模块的照相手机,2002年5月SHARP则推出内建1/5英寸~31万像素CCD取像模块的照相手机,由于两种截然不同的取像相继被应用在照相手机,使得CMOS与CCD正式展开竞争局面,在此同时CMOS为了要与CCD一争高低,试图藉由高画质化的改善阻挡CCD的攻势,结果造成互不相让的局面。
如图5所示可知综观2000年~2003年照相手机的发展动向,由于取像模块由31万像素提高至百万像素已经成为业界普遍的共识,因此CMOS与CCD究竟何者会胜出,事实上取决于何者可达成100~130万像素的目标,而能否达成100~130万像素目标,则取决于何者可将像素尺寸微缩成3mm大小(图6),尤其是照相手机用取像模块对取像组件的高度有严格限制,由于光学上的限制因此取像组件外形尺寸不可超过1/4英寸,依此换算100~130万像素取像组件的像素尺寸大约是3mm大小,为达成上述目标并非单纯采用更微细工艺即可,因为像素尺寸越小受光量相对减少,为了维持影像品质必需提高单位面积的感度,亦即像素尺寸微细化技巧成为各厂商的技术指针,一般认为100~130万像素取像组件在2003年仍然是CCD占优势。
技术动向
为了要与CCD取像组件竞争,CMOS厂商正努力改善组件特性,具体内容大多与画质有关,分别是:
寥〉缪狗浅5停??酝耆?谇妒焦獾缍™极管聚集方式始终不易达成,有鉴于此,该公司针对晶体管与CMOS的结构进行改善,因此CMOS读取电压即使只有2.8V亦可工作,而且暗电流降至对策前的1/10以下(图8)。
相较于CMOS的急起直追,CCD厂商也加快步伐进行新技术开发,其中又以三洋电机最积极。如图9所示该公司自从2001年2月首度推出照相手机用11万像素CCD取像组件之后,便不断进行耗电量的改善,由图可知2001年1/7英寸11万像素CCD取像组件的耗电量是90mW,2003年2月问世的1/9英寸11万像素CCD取像组件的耗电量只有35mW,单就耗电量而言,该CCD不比CMOS的40~80mW逊色。有关低耗电量的改善,三洋电机坚持采取其它厂商非常忌讳的Frame Transfer方式(以下简称为FT),由于光电二极管与电荷转送部分可作成一体化,因此FT可比其它方式更易获得低电压化效应,例如垂直CCD的工作电压其它公司是12~15V,三洋电机的CCD则只有一半大约是7~8V左右,此外只需中耐压工艺即可,因此更容易与其它数字电路整合,以耗电量为35mW的CCD为例,该CCD就是将周边的驱动电路、电源电路、模拟前端处理电路与DSP整合成单芯片。值得一提的是FT方式的纵向光纹,极易沿着转送路径渗入造成smear噪声,三洋电机根据各列计算35mW的CCD的smear噪声,藉由消除smear噪声的影像演算处理进行补正。
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图7
CCD与CMOS取像组件的画质比较
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图8
利用暗电流对策降低干扰的效果比较
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图9 照相手机用CCD低耗点化的技术动向
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图10 VMIS 的断面结构
图10是利用CMOS制程制作与CCD像素相同结构,试图藉此获得低噪声化效果的VMIS(Threshold Voltage Modulation Image Sensor)新技术的概念图,VMIS是拥有CMOS 生产线的LSI厂商ENO-TECH Co开发的技术,该公司除了授权给EPSON之外,今后会再提供相关技术给日本两家公司。
表2与表3是日本各取像组件(光电传感器)厂商针对照相手机开发的产品发展动向统计表,由表可知三洋电机目前是以耗电量11万像素CCD取像组件为主要诉求。有关100~130万像素取像组件的规格与研发日程仍在研拟阶段;同时拥有CCD与CMOS两种技术的SHARP也是抱持与三洋电机相同的策略,亦即目前是以11万像素CMOS为主,未来100~130万像素取像组件则倾向采用CCD方式;2002年第三季加入照相手机用CMOS取像组件行列的SONY,则在2003年推出100~130万像素CMOS取像组件,该公司预测2004~2005年CMOS取像组件的画质若能达到CCD的水准,具备小型低耗电优点的CMOS将成为市场主流;同样拥有CCD与CMOS两种技术的松下电器虽然尚未公布量产日程,不过该公司在2003年已建立1/4英寸100~130万像素取像组件的制作技术;三菱与松下电器一样已建立百万像素取像组件的制作技术,不过量产日程则尚未确定。
结语
由于数字相机与高频通信技术的进步,行动电话可轻易沿用数字相机的取像组件技术,建构具备摄影功能又可作实时影像传输的照相手机。在CMOS与CCD两取像组件僵持不下的同时,梦幻般的可变倍焦(zoom lens)镜头即将登场,这意味着未来数字相机与照相手机,将出现严重的市场重叠现象,何者可胜出则取决于取像组件的性能。 |