标题:
CMOS与CCD的发展趋势大解剖(2)
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作者:
yuyang911220
时间:
2016-10-22 10:45
标题:
CMOS与CCD的发展趋势大解剖(2)
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。
图
7
CCD
与
CMOS
取像组件的画质比较
图
8
利用暗电流对策降低干扰的效果比较
图9 照相手机用CCD低耗点化的技术动向
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。
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