隨著數位相機、手機相機的興起，影像感測元件已成為半導體業中最耀眼的明星產品之一，而在影像感測元件中，日商所寡佔的CCD感測器與百家爭鳴的CMOS感測器亦不斷試圖改善自身的缺點，希望成為市場上的主流技術。有鑑於此，本篇文章將首先簡介CCD與CMOS感測器運作原理之差異，再藉由探討領導廠商的技術發展藍圖，了解這些不同的影像感測元件在主要應用市場上的發展趨勢。《註：本篇文章所提及的CCD與CMOS感測器均為Array（或Area）Image Sensor（矩陣式影像感測器），並不包含Linear Image Sensor（直線式影像感測器）。》

CCD與CMOS感測器技術簡介

CCD與CMOS感測器是當前最被普遍採用的兩種影像感測元件，基本上兩者都是利用感光二極體（photodiode）進行光與電轉換，將影像轉換為數位資料，而其主要差異則在數位資料傳送方式的不同。

如(圖一)所示，CCD感測器每一行中每一個畫素（pixel）的電荷資料都會依序傳送到下一個畫素中，由最底端的部分輸出，再經由感測器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS感測器中，每個畫素都會連接一個放大器及類比/數位轉換電路，用類似記憶體電路的方式將資料輸出。

造成這種差異的原因，在於CCD的特殊製程可保持資料在傳送時不會失真，因此各個畫素的資料可集合至邊緣處再做放大處理；而CMOS製程的資料在傳送較長的距離時會產生雜訊，因此必須先行放大再整合各個畫素的資料。

《圖一　CCD與CMOS感測器之結構》 資料來源：Sharp

由於資料傳送方式不同，因此CCD與CMOS感測器在效能與應用上亦有諸多差異，這些差異包括靈敏度、成本、解析度、雜訊與耗電量等。

靈敏度差異

由於CMOS感測器每個畫素由四個電晶體與一個感光二極體所構成（含放大器與A/D轉換電路），使得每個畫素的感光區域遠小於畫素本身的表面積，因此在畫素尺寸（pixel size）相同的情況下，CMOS感測器的靈敏度會低於CCD感測器。

成本差異

由於CMOS感測器採用一般半導體電路最常用的CMOS製程，可以輕易地將周邊電路（如AGC、CDS、Timing generator或DSP等）整合到感測器晶片中，因此可以節省週邊晶片所需負擔的成本；而CCD由於採用電荷傳遞的方式傳送資料，只要其中有一個畫素不能運作，就會導致一整排的資料不能傳送，因此控制CCD感測器的良率比CMOS感測器更加困難，即使有經驗的廠商也很難在產品問世的半年內就突破50％的水準，因此通常CCD感測器的成本會高於CMOS感測器。

解析度差異

如上所述，CMOS感測器的每個畫素都比CCD感測器更加複雜，其pixel size很難達到CCD感測器的水準，因此，當我們比較相同尺寸的CCD與CMOS感測器時，CCD感測器的解析度通常會優於CMOS感測器的水準。舉例來說，目前市面上CMOS感測器最高可達到210萬畫素的水準（OmniVision的OV2610，2002/6推出），其尺寸為1/2吋，pixel size為4.25微米，但Sony在2002/12推出的ICX452，其尺寸與OV2610相差不多（1/1.8吋），但解析度卻能高達513萬畫素，pixel size亦只有2.78微米的水準。

雜訊差異

由於CMOS感測器每個感光二極體都需搭配一個放大器，而放大器屬於類比電路，很難讓每個放大器所得到的結果維持一致性，因此與只有一個放大器放在晶片邊緣的CCD感測器比較之下，CMOS感測器的雜訊就會增加很多，影響影像品質。

耗電量差異

CMOS感測器的影像擷取方式為主動式，感光二極體所產生的電荷會直接由旁邊的電晶體放大輸出，但CCD感測器則為被動式擷取，需外加電壓讓每個畫素中的電荷移動，而這外加電壓通常需要12～18V的水準；因此，CCD感測器除了在電源管理線路設計上的難度更高之外（需外加power IC），高驅動電壓更使其耗電量遠高於CMOS感測器。舉例來說，OmniVision近期推出的OV7640（1/4吋、VGA），在30fps的速度運作之下，耗電量僅40mW；而致力於低耗電CCD感測器的Sanyo，去年推出的1/7吋、CIF等級的產品，其耗電量卻仍維持在90mW以上，雖然該公司近期將推出35mW的新版產品，但基本上仍與CMOS感測器有些差距，且還處於送樣階段，正式產品尚未上市。

綜合以上分析，CCD感測器在靈敏度、解析度、以及雜訊控制等方面均優於CMOS感測器，而CMOS感測器則具有低成本、低耗電以及高整合度的特性。不過，隨著CCD與CMOS感測器技術的進步，兩者的差異似乎有逐漸縮小的態勢，例如CCD感測器持續在耗電量上作改進，以期應用於行動通訊市場（這方面的代表業者為Sanyo）；CMOS感測器則持續改善解析度與靈敏度的不足，以期應用於更高階的影像產品市場，我們可以從以下各主要廠商的產品規劃來看出一些端倪。

主要業者產品藍圖分析

根據市場統計資料（日經BP、Mizuho證券）顯示，2002年Sony、Matsushita、Sharp三家日商在全球CCD感測器市場的佔有率已達85％，其中Sony就佔了45％以上；同時In-Stat、Dataquest等機構亦統計出Agilent、OmniVision這兩家廠商在CMOS感測器上的市佔率超過60％，不過由於Agilent以光學滑鼠的應用為主，與相機的關聯性不大，故以下我們將介紹Sony與OmniVision這兩家CCD/CMOS感測器領導業者之技術藍圖。

Sony

Sony是全球CCD感測器第一大廠，也是第一家投入12吋晶圓、第一家推出600萬畫素CCD的業者，目前Sony約有30～40％的CCD感測器給自有品牌產品使用，其他則外賣Canon、Sanyo、Casio以及台灣的新虹、普利爾、詮訊（與台灣佳能合併）等廠商。

根據Sony的產品技術藍圖，如(圖二)所示，2003年除了一顆更高畫素（800萬畫素的ICX456）的產品外，並無其他微縮製程的產品問世。產品尺寸將大致維持現有水準，取而代之的是強化攝影功能與支援progressive scan（連續式掃描），例如500萬畫素的ICX455/465、330萬畫素的ICX451/481以及210萬畫素的ICX461等，讓高畫素產品也能輕易達到30fps以上的資料傳送速率。

由於目前高畫素產品仍由Sony佔有絕大部分的市場，再加上市場仍處於供不應求的狀況下，因此該公司並未急於作降低成本的動作，不過，一旦Sony目前最先進的製程（畫素尺寸2.6～2.8微米）成熟後（良率超過50％），該公司勢必近一步將此製程應用到其他產品上（目前仍只有1/1.8吋、500萬畫素產品使用此製程），屆時可能會有1/2.7吋、400萬畫素產品問世。

《圖二　Sony的影像感測器產品線與技術藍圖》 資料來源：Sony，元大京華證券整理，2003年1月

OmniVision

OmniVision成立於1995年（以下簡稱OV），2002年6月領先其他同業率先推出210萬畫素的OV2610震驚市場，雖然目前採用此顆感測器量產的產品仍不多，但這已代表CMOS感測器可以開始滲透原本屬於CCD感測器的中高階數位相機市場；據OV的資料顯示，目前已有天瀚、明碁、鴻友等台灣數位相機業者開始採用該公司的OV2610。展望2003年的規劃，OV將在1Q03～2Q03之間推出330萬畫素、1/2吋的產品，採TSMC 0.18微米製程生產，再次擴張CMOS感測器的應用範圍。

在低耗電產品方面，OV亦在2002/12推出了OV7640，可以在2.5V的環境下運作，為目前VGA產品中耗電量最低的一顆晶片。而在2003年新規劃的產品方面，OV計畫在2H03推出130萬畫素、1/4吋，以及VGA、1/7吋的產品，希望在CCD業者仍未推出低耗電之130萬素產品前，先行搶佔市場先機。

《圖三　OmniVision的影像感測器產品線與技術藍圖》 資料來源：OmniVision，元大京華證券整理，2003年1月

除了Sony與OmniVision外，其他業者對影像感測器產品的計畫則如(表一)所示。其中最具特色的業者為Sanyo，該公司以改善CCD感測器之耗電量、以便用於相機電話為主要目標，之前J-Phone率先推出市場的Sharp J-SHxx系列便是採用Sanyo的CIF級CCD感測器，Sharp、Toshiba等手機業者更計畫在4Q02～1Q03之間陸續導入Sanyo的VGA級產品。Matsushita、Sharp的產品規劃則與Sony相差不多，主要差異在於Matsushita有計畫推出更小的400萬畫素（1/2.7吋）與130萬畫素（1/4吋）產品。

結論

由於數位相機與相機電話為影像感測模組的主要應用領域，故以下將分別從這兩個領域來分析影像感測元件之應用趨勢。

在數位相機方面

數位相機產品通常可劃分為高階（400萬畫素以上）、中階（330、210萬畫素）與低階（百萬畫素以下）三部分，而根據IDC、Dataquest、資策會MIC等研究機構預測，預估在2003年時，中階相機將佔有市場約65％的銷售量；因此，在OV陸續推出210萬、330萬畫素的產品之後，CMOS影像感測器將可正式在市場量最龐大的中階產品市場逐步成長，而這亦將對CMOS感測器的佔有率有正面的助益。

CCD感測器業者也了解這樣的狀況，因此，為了避免其產品效能被CMOS感測器追上，2002年已有許多業者推出500萬畫素以上產品，Sony更計畫在2003年推出800萬畫素的ICX 465，希望帶動消費者升級到更高畫素的產品；不過，由於人的眼睛不易看出400萬畫素照片所帶來的差異，故消費者對更高階產品的市場接受度仍有相當多人持懷疑態度，再加上400萬畫素照出來的相片檔案常常達2MB以上，若以600萬畫素去照則更為驚人，一張128MB的記憶卡可能只能存取幾十張照片（相當於一捲底片的量），因此，消費者持續往高畫素產品邁進的趨勢可能會受到影響，而這亦是對CMOS感測器有正面幫助的發展。

但這不表示CMOS感測器將一帆風順的取代CCD感測器。CMOS感測器仍有以下問題需要克服。

成本

根據業者所規劃的技術藍圖顯示，計畫於1H03推出的330萬畫素的CMOS感測器晶片尺寸為1/2吋左右，但相較於目前市面上可見的1/2吋CCD感測器，其最高解析度已可達500萬畫素以上；再者，目前330萬畫素的CCD感測器的尺寸已可縮小到1/2.7吋左右，理論上要推出1/3.2吋的330萬畫素CCD亦不是一件難事；因此，這些高階的CMOS感測器在量產初期仍很難在成本上與CCD感測器競爭。

影像品質與週邊零組件的配合

根據下游業者對220萬畫素CMOS感測器評估的結果，目前CMOS感測器的影像品質仍與CCD有一段相當大的差距；除此之外，週邊零組件（如鏡頭）是否能配合高畫素的CMOS感測器推出對應產品，也是影響CMOS感測器普及率的重要因素之一。

在相機電話方面

CMOS感測器是一般市場上認為較適合相機電話的解決方案，不過CCD感測器在Sanyo的大力推廣下，藉由採用frame transmission的方式來降低其耗電量，反而成為目前日本相機電話的主流選擇。

展望2003年，隨著Sanyo推出VGA級的低耗電CCD感測器，相機電話應該仍會以CCD感測器為大宗，CMOS感測器則以外掛式的相機模組為其主要應用；不過，2004年後，當相機電話用CMOS感測器邁入130萬畫素時代時，CCD感測器能否迎頭趕上卻成了未知之數；根據Sanyo的資料顯示，目前該公司亦沒有把握讓百萬畫素以上之CCD感測器的耗電量降至手機可接受的80～100mW，因此，相機電話未來是否仍有CCD發展的空間，目前仍難以下定論。

目前看來，許多CMOS感測器的業者大多已計畫在2H03之前推出百萬畫素級、1/4吋的相機電話用感測器，屆時CIF等級的產品更可望縮小至1/14吋，大幅降低採用的成本。筆者認為，在越來越多手機業者將相機模組導入其低階手機後，CMOS感測器有機會超越CCD感測器成為市場上的主流產品。

（作者為元大京華證券產業分析師）