随着数字相机、手机相机的兴起，影像感测组件已成为半导体业中最耀眼的明星产品之一，而在影像感测组件中，日商所寡占的CCD传感器与百家争鸣的CMOS传感器亦不断试图改善自身的缺点，希望成为市场上的主流技术。有鉴于此，本篇文章将首先简介CCD与CMOS传感器运作原理之差异，再藉由探讨领导厂商的技术发展蓝图，了解这些不同的影像感测组件在主要应用市场上的发展趋势。《注：本篇文章所提及的CCD与CMOS传感器均为Array（或Area）Image Sensor（矩阵式影像传感器），并不包含Linear Image Sensor（直线式影像传感器）。》

CCD与CMOS传感器技术简介

CCD与CMOS传感器是当前最被普遍采用的两种影像感测组件，基本上两者都是利用感光二极管（photodiode）进行光与电转换，将影像转换为数字数据，而其主要差异则在数字数据传送方式的不同。

如(图一)所示，CCD传感器每一行中每一个画素（pixel）的电荷数据都会依序传送到下一个画素中，由最底端的部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个画素都会连接一个放大器及模拟/数字转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。

造成这种差异的原因，在于CCD的特殊制程可保持数据在传送时不会失真，因此各个画素的数据可集合至边缘处再做放大处理；而CMOS制程的数据在传送较长的距离时会产生噪声，因此必须先行放大再整合各个画素的数据。

《图一 CCD与CMOS传感器之结构》 数据源：Sharp

由于数据传送方式不同，因此CCD与CMOS传感器在效能与应用上亦有诸多差异，这些差异包括灵敏度、成本、分辨率、噪声与耗电量等。

灵敏度差异

由于CMOS传感器每个画素由四个晶体管与一个感光二极管所构成（含放大器与A/D转换电路），使得每个画素的感光区域远小于画素本身的表面积，因此在画素尺寸（pixel size）相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度会低于CCD传感器。

成本差异

由于CMOS传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS制程，可以轻易地将周边电路（如AGC、CDS、Timing generator或DSP等）整合到传感器芯片中，因此可以节省外围芯片所需负担的成本；而CCD由于采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一个画素不能运作，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制CCD传感器的良率比CMOS传感器更加困难，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内就突破50％的水平，因此通常CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

分辨率差异

如上所述，CMOS传感器的每个画素都比CCD传感器更加复杂，其pixel size很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。举例来说，目前市面上CMOS传感器最高可达到210万画素的水平（OmniVision的OV2610，2002/6推出），其尺寸为1/2吋，pixel size为4.25微米，但Sony在2002/12推出的ICX452，其尺寸与OV2610相差不多（1/1.8吋），但分辨率却能高达513万画素，pixel size亦只有2.78微米的水平。

噪声差异

由于CMOS传感器每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果维持一致性，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器比较之下，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响影像质量。

耗电量差异

CMOS传感器的影像撷取方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的晶体管放大输出，但CCD传感器则为被动式撷取，需外加电压让每个画素中的电荷移动，而这外加电压通常需要12～18V的水平；因此，CCD传感器除了在电源管理线路设计上的难度更高之外（需外加power IC），高驱动电压更使其耗电量远高于CMOS传感器。举例来说，OmniVision近期推出的OV7640（1/4吋、VGA），在30fps的速度运作之下，耗电量仅40mW；而致力于低耗电CCD传感器的Sanyo，去年推出的1/7吋、CIF等级的产品，其耗电量却仍维持在90mW以上，虽然该公司近期将推出35mW的新版产品，但基本上仍与CMOS传感器有些差距，且还处于送样阶段，正式产品尚未上市。

综合以上分析，CCD传感器在灵敏度、分辨率、以及噪声控制等方面均优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异似乎有逐渐缩小的态势，例如CCD传感器持续在耗电量上作改进，以期应用于行动通讯市场（这方面的代表业者为Sanyo）；CMOS传感器则持续改善分辨率与灵敏度的不足，以期应用于更高阶的影像产品市场，我们可以从以下各主要厂商的产品规划来看出一些端倪。

主要业者产品蓝图分析

根据市场统计数据（日经BP、Mizuho证券）显示，2002年Sony、Matsushita、Sharp三家日商在全球CCD传感器市场的占有率已达85％，其中Sony就占了45％以上；同时In-Stat、Dataquest等机构亦统计出Agilent、OmniVision这两家厂商在CMOS传感器上的市占率超过60％，不过由于Agilent以光学鼠标的应用为主，与相机的关联性不大，故以下我们将介绍Sony与OmniVision这两家CCD/CMOS传感器领导业者之技术蓝图。

Sony

Sony是全球CCD传感器第一大厂，也是第一家投入12吋晶圆、第一家推出600万画素CCD的业者，目前Sony约有30～40％的CCD传感器给自有品牌产品使用，其他则外卖Canon、Sanyo、Casio以及台湾的新虹、普利尔、诠讯（与台湾佳能合并）等厂商。

根据Sony的产品技术蓝图，如(图二)所示，2003年除了一颗更高画素（800万画素的ICX456）的产品外，并无其他微缩制程的产品问世。产品尺寸将大致维持现有水平，取而代之的是强化摄影功能与支持progressive scan（连续式扫描），例如500万画素的ICX455/465、330万画素的ICX451/481以及210万画素的ICX461等，让高画素产品也能轻易达到30fps以上的数据传输速度。

由于目前高画素产品仍由Sony占有绝大部分的市场，再加上市场仍处于供不应求的状况下，因此该公司并未急于作降低成本的动作，不过，一旦Sony目前最先进的制程（画素尺寸2.6～2.8微米）成熟后（良率超过50％），该公司势必近一步将此制程应用到其他产品上（目前仍只有1/1.8吋、500万画素产品使用此制程），届时可能会有1/2.7吋、400万画素产品问世。

《图二 Sony的影像传感器产品线与技术蓝图》 数据源：Sony，元大京华证券整理，2003年1月

OmniVision

OmniVision成立于1995年（以下简称OV），2002年6月领先其他同业率先推出210万画素的OV2610震惊市场，虽然目前采用此颗传感器量产的产品仍不多，但这已代表CMOS传感器可以开始渗透原本属于CCD传感器的中高阶数字相机市场；据OV的数据显示，目前已有天瀚、明碁、鸿友等台湾数字相机业者开始采用该公司的OV2610。展望2003年的规划，OV将在1Q03～2Q03之间推出330万画素、1/2吋的产品，采TSMC 0.18微米制程生产，再次扩张CMOS传感器的应用范围。

在低耗电产品方面，OV亦在2002/12推出了OV7640，可以在2.5V的环境下运作，为目前VGA产品中耗电量最低的一颗芯片。而在2003年新规划的产品方面，OV计划在2H03推出130万画素、1/4吋，以及VGA、1/7吋的产品，希望在CCD业者仍未推出低耗电之130万素产品前，先行抢占市场先机。

《图三 OmniVision的影像传感器产品线与技术蓝图》 数据源：OmniVision，元大京华证券整理，2003年1月

除了Sony与OmniVision外，其他业者对影像传感器产品的计划则如(表一)所示。其中最具特色的业者为Sanyo，该公司以改善CCD传感器之耗电量、以便用于相机电话为主要目标，之前J-Phone率先推出市场的Sharp J-SHxx系列便是采用Sanyo的CIF级CCD传感器，Sharp、Toshiba等手机业者更计划在4Q02～1Q03之间陆续导入Sanyo的VGA级产品。Matsushita、Sharp的产品规划则与Sony相差不多，主要差异在于Matsushita有计划推出更小的400万画素（1/2.7吋）与130万画素（1/4吋）产品。

结论

由于数字相机与相机电话为影像感测模块的主要应用领域，故以下将分别从这两个领域来分析影像感测组件之应用趋势。

在数字相机方面

数字相机产品通常可划分为高阶（400万画素以上）、中阶（330、210万画素）与低阶（百万画素以下）三部分，而根据IDC、Dataquest、资策会MIC等研究机构预测，预估在2003年时，中阶相机将占有市场约65％的销售量；因此，在OV陆续推出210万、330万画素的产品之后，CMOS影像传感器将可正式在市场量最庞大的中阶产品市场逐步成长，而这亦将对CMOS传感器的占有率有正面的帮助。

CCD传感器业者也了解这样的状况，因此，为了避免其产品效能被CMOS传感器追上，2002年已有许多业者推出500万画素以上产品，Sony更计划在2003年推出800万画素的ICX 465，希望带动消费者升级到更高画素的产品；不过，由于人的眼睛不易看出400万画素照片所带来的差异，故消费者对更高阶产品的市场接受度仍有相当多人持怀疑态度，再加上400万画素照出来的相片档案常常达2MB以上，若以600万画素去照则更为惊人，一张128MB的记忆卡可能只能存取几十张照片（相当于一卷底片的量），因此，消费者持续往高画素产品迈进的趋势可能会受到影响，而这亦是对CMOS传感器有正面帮助的发展。

但这不表示CMOS传感器将一帆风顺的取代CCD传感器。CMOS传感器仍有以下问题需要克服。

成本

根据业者所规划的技术蓝图显示，计划于1H03推出的330万画素的CMOS传感器芯片尺寸为1/2吋左右，但相较于目前市面上可见的1/2吋CCD传感器，其最高分辨率已可达500万画素以上；再者，目前330万画素的CCD传感器的尺寸已可缩小到1/2.7吋左右，理论上要推出1/3.2吋的330万画素CCD亦不是一件难事；因此，这些高阶的CMOS传感器在量产初期仍很难在成本上与CCD传感器竞争。

影像质量与外围零组件的配合

根据下游业者对220万画素CMOS传感器评估的结果，目前CMOS传感器的影像质量仍与CCD有一段相当大的差距；除此之外，外围零组件（如镜头）是否能配合高画素的CMOS传感器推出对应产品，也是影响CMOS传感器普及率的重要因素之一。

在相机电话方面

CMOS传感器是一般市场上认为较适合相机电话的解决方案，不过CCD传感器在Sanyo的大力推广下，藉由采用frame transmission的方式来降低其耗电量，反而成为目前日本相机电话的主流选择。

展望2003年，随着Sanyo推出VGA级的低耗电CCD传感器，相机电话应该仍会以CCD传感器为大宗，CMOS传感器则以外挂式的相机模块为其主要应用；不过，2004年后，当相机电话用CMOS传感器迈入130万画素时代时，CCD传感器能否迎头赶上却成了未知之数；根据Sanyo的数据显示，目前该公司亦没有把握让百万画素以上之CCD传感器的耗电量降至手机可接受的80～100mW，因此，相机电话未来是否仍有CCD发展的空间，目前仍难以下定论。

目前看来，许多CMOS传感器的业者大多已计划在2H03之前推出百万画素级、1/4吋的相机电话用传感器，届时CIF等级的产品更可望缩小至1/14吋，大幅降低采用的成本。笔者认为，在越来越多手机业者将相机模块导入其低阶手机后，CMOS传感器有机会超越CCD传感器成为市场上的主流产品。

（作者为元大京华证券产业分析师）