圖像感測器是利用光電器件的光電轉換功能。將感光面上的光像轉換為與光像成相應比例關係的電信號。與光敏二極體，光敏三極體等“點”光源的光敏元件相比，圖像感測器是將其受光面上的光像，分成許多小單元，將其轉換成可用的電信號的一種功能器件。圖像感測器分為光導攝像管和固態圖像感測器。與光導攝像管相比，固態圖像感測器具有體積小、重量輕、集成度高、解析度高、功耗低、壽命長、價格低等特點。因此在各個行業得到了廣泛套用。
基本介紹
- 中文名：圖像感測器
- 外文名：image sensor
- 分類：CCD，CMOS
- 定義：組成數字攝像頭的重要組成部分
- 別稱：感光元件
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CCD
CCD是套用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則套用於較低影像品質的產品中，它的優點是製造成本較CCD更低，功耗也低得多，這也是市場很多採用USB接口的產品無須外接電源且價格便宜的原因。儘管在技術上有較大的不同，但CCD和CMOS兩者性能差距不是很大，只是CMOS攝像頭對光源的要求要高一些，但該問題已經基本得到解決。CCD元件的尺寸多為1/3英寸或者1/4英寸，在相同的解析度下，宜選擇元件尺寸較大的為好。圖像感測器又叫感光元件。
套用
圖像感測器，或稱感光元件，是一種將光學圖像轉換成電子信號的設備，它被廣泛地套用在數位相機和其他電子光學設備中。早期的圖像感測器採用模擬信號，如攝像管（video camera tube）。隨著數位技術、半導體製造技術以及網路的迅速發展，市場和業界都面臨著跨越各平台的視訊、影音、通訊大整合時代的到來，勾劃著名未來人類的日常生活的美景。以其在日常生活中的套用，無疑要屬數位相機產品，其發展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數位相機就由幾十萬像素，發展到400、500萬像素甚至更高。不僅在發達的歐美國家，數位相機已經占有很大的市場，就是在發展中的中國，數位相機的市場也在以驚人的速度在增長，因此，其關鍵零部件——圖像感測器產品就成為當前以及未來業界關注的對象，吸引著眾多廠商投入。以產品類別區分，圖像感測器產品主要分為CCD、CMOS以及CIS感測器三種。本文將主要簡介CCD以及CMOS感測器的技術和產業發展現狀。
CMOS圖像感測器
CMOS圖像感測器歷史
感光器件是工業攝像機最為核心的部件，圖像感測器有CMOS和CCD兩種。CCD特有的工藝，具有低照度效果好、信噪比高、通透感強、色彩還原能力佳等優點，在交通、醫療等高端領域中廣泛套用。由於其成像方面的優勢，在很長時間內還會延續採用，但同時由於其成本高、功耗大也制約了其市場發展的空間。
CCD與CMOS在不同的套用場景下各有優勢，但隨著CMOS工藝和技術的不斷提升，以及高端CMOS價格的不斷下降，相信在安防行業高清攝像機未來的發展中，CMOS將占據越來越重要的地位。
CCD（Charged Coupled Device）於1969年在貝爾試驗室研製成功，之後由日商等公司開始量產，其發展歷程已經將近30多。CCD又可分為線型（Linear）與面型（Area）兩種，其中線型套用於影像掃瞄器及傳真機上，而面型主要套用於數位相機（DSC）、攝錄影機、監視攝影機等多項影像輸入產品上。
特點
一般認為，CCD感測器有以下優點：
高解析度
（High Resolution）：像點的大小為μm級，可感測及識別精細物體，提高影像品質。從1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到推出的1/9寸，像素數目從10多萬增加到400～500萬像素；
低雜訊
（Low Noise）高敏感度：CCD具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊，因此提高了信噪比（SNR），同時又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測到，其訊號不會被掩蓋，使CCD的套用較不受天候拘束；
動態範圍廣
（High Dynamic Range）：同時偵測及分辨強光和弱光，提高系統環境的使用範圍，不因亮度差異大而造成信號反差現象。
良好的線性特性曲線
（Linearity）：入射光源強度和輸出訊號大小成良好的正比關係，物體資訊不致損失，降低信號補償處理成本；
高光子轉換效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合影像增強管及投光器，即使在暗夜遠處的景物仍然還可以偵測得到；
大面積感光
（Large Field of View）：利用半導體技術已可製造大面積的CCD晶片，與傳統底片尺寸相當的35mm的CCD已經開始套用在數位相機中，成為取代專業有利光學相機的關鍵元件；
光譜回響廣（Broad Spectral Response）：能檢測很寬波長範圍的光，增加系統使用彈性，擴大系統套用領域；
低影像失真
（Low Image Distortion）：使用CCD感測器，其影像處理不會有失真的情形，使原物體資訊忠實地反應出來；
體積小、重量輕
CCD具備體積小且重量輕的特性，因此，可容易地裝置在人造衛星及各式導航系統上；
低秏電力
不受強電磁場影響；
9. 電荷傳輸效率佳：該效率係數影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊；
10. 可大批量生產，品質穩定，堅固，不易老化，使用方便及保養容易。
CMOS
特點
CMOS感測器採用一般半導體電路最常用的CMOS工藝，具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特點，最近幾年在寬動態、低照度方面發展迅速。CMOS即互補性金屬氧化物半導體，主要是利用矽和鍺兩種元素所做成的半導體，通過CMOS上帶負電和帶正電的電晶體來實現基本的功能。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理晶片記錄和解讀成影像。
在模擬攝像機以及標清網路攝像機中，CCD的使用最為廣泛，長期以來都在市場上占有主導地位。CCD的特點是靈敏度高，但回響速度較低，不適用於高清監控攝像機採用的高解析度逐行掃描方式，因此進入高清監控時代以後，CMOS逐漸被人們所認識，高清監控攝像機普遍採用CMOS感光器件。
CMOS針對CCD最主要的優勢就是非常省電。不像由二級管組成的CCD，CMOS電路幾乎沒有靜態電量消耗。這就使得CMOS的耗電量只有普通CCD的1/3左右，CMOS重要問題是在處理快速變換的影像時，由於電流變換過於頻繁而過熱，暗電流抑制的好就問題不大，如果抑制的不好就十分容易出現噪點。
已經研發出720P與1080P專用的背照式CMOS器件，其靈敏度性能已經與CCD接近。與表面照射型CMOS感測器相比，背照式CMOS在靈敏度（S/N）上具有很大優勢，顯著提高低光照條件下的拍攝效果，因此在低照度環境下拍攝，能夠大幅降低噪點。
雖然以CMOS技術為基礎的百萬像素攝像機產品在低照度環境和信噪處理方面存在不足，但這並不會根本上影響它的套用前景。而且相關國際大企業正在加大力度解決這兩個問題，相信在不久的將來，CMOS的效果會越來越接近CCD的效果，並且CMOS設備的價格會低於CCD設備。
安防行業使用CMOS多於CCD已經成為不爭的事實，儘管相同尺寸的CCD感測器解析度優於CMOS感測器，但如果不考慮尺寸限制，CMOS在量率上的優勢可以有效克服大尺寸感光原件製造的困難，這樣CMOS在更高解析度下將更有優勢。另外，CMOS回響速度比CCD快，因此更適合高清監控的大數據量特點。
歷史
與CCD相比，CMOS具有體積小，耗電量不到CCD的1/10，售價也比CCD便宜1/3的優點。
與CCD產品相比，CMOS是標準工藝製程，可利用現有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨著半導體技術的提升而進步。同時，全球晶圓廠的CMOS生產線較多，日後量產時也有利於成本的降低。另外，CMOS感測器的最大優勢，是它具有高度系統整合的條件。理論上，所有圖像感測器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC…等，都可放在集成在一顆晶片上，甚至於所有的晶片包括後端晶片（Back-end Chip）、快閃記憶體（Flash RAM）等也可整合成單晶片（SYSTEM-ON-CHIP），以達到降低整機生產成本的目的。
正因為此，投入研發、生產的廠商較多，美國有30多家，歐洲7家，日本約8家，韓國1家，台灣有8家。而居全球翹楚地位的廠商是Agilent(HP)，其市場占有率51%、ST(VLSI Vision)占16%、Omni Vision占13%、現代占8%、Photobit約占5%，這五家合計市占率達93%。
根據In-Stat統計資料顯示，CMOS感測器的全球銷售額到2004年可望突破18億美元，CMOS將以62%的年複合成長率快速成長，逐步侵占CCD器件的套用領域。特別是在2013年快速發展的手機套用領域中，以CMOS圖像感測器為主的攝相模組將占領其80%以上的套用市場。
市場
CMOS圖像感測器屬於新興產品市場，其市場占有率變化不如成熟產業那般恆常不變，例如在1999年時，CMOS市場中，按照出貨比例排名依序為Agilent、OmniVision、STM和Hyundai，其市場占有率分別為24%、22%、14%和14%，其中STM是歐洲廠商，Hyundai是韓國廠商；但只經過一年後的市場競爭，Agilent和OmniVision出貨排名順序仍然分居一、二，且市場占有率分別提升到37.7%和30.8%，而STM落居第四，市場占有率大幅滑落至4.8%，至於Hyundai更是大幅衰退只剩2.1%的市場占有率，值得一提的是Photobi在2000年度的大幅成長，全球市場占有率快速成長至13.7%，排名全球第三。這三家廠商出貨量就占全球出貨量的82.2%。從中可以分析，這個產業的廠商集中度相當密集，所以觀察上述三家廠商的動態和發展，可看出許產業和技術未來發展方向。
Agilent主要的產品為第二代的CIF（352*288）HDCS-1020和第二代的VGA（640*480）HDCS-2020，主要套用在數位相機 、行動電話、PDA、PC Camera等新興的資訊家電產品之中，此外Agilent在2000年另一成功策略是和Logitech與Microsoft這兩家公司策略聯盟，打入了光學滑鼠產品領域，但是這是非常低階的CMOS產品，而且不是為了捕捉影像 ，所以在做影像感測器的全球統計時並未將此數量一併加入，但是此舉可看出Agilent以CMOS技術為基礎進軍光學元件的規劃意圖。
OmniVision它主要的產品包括︰CIF（352 x 288）、VGA（640 x 480）、SVGA（800 x 600）和SXGA（1280 x 1024）。Omnivision開發的130萬像素等級的CMOS圖像感測器正在被業界大量套用在數位相機中。業界一般認為，百萬像素為使用CMOS和CCD的分水嶺，CMOS成功跨進這一市場，足以說明CMOS技術發展對市場的滲透度，未來可能將取代CCD成為中低檔影像產品的不留套用。Omnivision在2001年5月開發的CIF(352 x 288)等級的CMOS感測器，其特色為低秏電，目標市場定位在行動電話上，其產品發展策略和各大研究調查機構不謀而合，在行動電話市場上，CMOS模組的攝相模組已經成為移動通訊套用的最大量產品。
Photobit在2000年獲得較大成功。2001年Photobit率先研發出PB-0330產品型號的CMOS圖像感測器，此產品特色具備單一晶片邏輯轉數位的變頻器，它是第二代1/4寸的VGA（640 x 480），同時也推出PB-0111產品型號的CMOS影像感測器，是第二代1/5寸的CIF（352 x 288）。Photobit推出這兩種產品主要針對數位相機和PC Camera的數位化產品，和OmniVision CIF（352 x 288）定位在行動電話市場上有所區隔，其推出CIF（352 x 288）和VGA（640 x 480）這兩種不同解析程度的影像感測器，行銷範圍意圖含蓋低階和中高階市場。
發展
2013年業界發展了CMOS圖像感測器新技術--C3D。C3D技術的最大特點就是像素反應的均一性。C3D技術重新定義了成像器的性能（即把系統的整體性能包括在內）並提高了CMOS圖像感測器在均一性和暗電流方面的標準性能。
2014年初，美國Foveon公司公開展示了其最新發展的Foveon X3技術，立即引起業界的高度關注。Foveon X3是全球第一款可以在一個像素上捕捉全部色彩的圖像感測器陣列。傳統的光電耦合器件只能感應光線強度，不能感應色彩信息，需要通過濾色鏡來感應色彩信息，我們稱之為Bayer濾鏡。而Foveon X3在一個像素上通過不同的深度來感應色彩，最表面一層感應藍色、第二層可以感應綠色，第三層感應紅色。它是根據矽對不同波長光線的吸收效應來達到一個像素感應全部色彩信息，已經有了使用這種技術的CMOS圖像感測器，其套用產品是“Sigma SD9”數位相機。
這項革新技術可以提供更加銳利的圖像，更好的色彩，比起以前的圖像感測器，X3是第一款通過內置矽光電感測器來檢測色彩的。Foveon X3的技術對於傳統半導體感光技術來說有很大的突破，也有顛覆傳統技術的效果，相信Foveon X3會有很好的前景。
在高解析度像素產品方面，日前台灣銳視科技已領先業界批量推出了210萬像素的CMOS圖像感測器，而且已有美商與台灣的光學鏡頭廠合作，將在第三季推出此款CMOS感測器結合鏡頭的模組，CMOS套用已經開始在200萬像素數位相機產品中套用。
對比
CCD提供很好的圖像質量、抗噪能力和相機設計時的靈活性。儘管由於增加了外部電路使得系統的尺寸變大，複雜性提高，但在電路設計時可更加靈活，可以儘可能的提升CCD相機的某些特別關注的性能。CCD更適合於對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的套用領域，如天文，高清晰度的醫療X光影像、和其他需要長時間曝光，對圖像噪聲要求嚴格的科學套用。
CMOS是能套用當代大規模半導體積體電路生產工藝來生產的圖像感測器，具有成品率高、集成度高、功耗小、價格低等特點。CMOS技術是世界上許多圖像感測器半導體研發企業試圖用來替代CCD的技術。經過多年的努力，作為圖像感測器，CMOS已經克服早期的許多缺點，發展到了在圖像品質方面可以與CCD技術較量的水平。CMOS的水平使它們更適合套用於要求空間小、體積小、功耗低而對圖像噪聲和質量要求不是特別高的場合。如大部分有輔助光照明的工業檢測套用、安防保全套用、和大多數消費型商業數位相機套用。
技術參數
了解CCD和CMOS晶片的成像原理和主要參數對於產品的選型時非常重要的。同樣，相同的晶片經過不同的設計製造出的相機性能也可能有所差別。
CCD和CMOS的主要參數有以下幾個：
1. 像元尺寸
像元尺寸指晶片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um, 9um , 7um , 6.45um ,3.75um 等。像元尺寸從某種程度上反映了晶片的對光的回響能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。對於弱光成像而言，像元尺寸是晶片靈敏度的一種表征。
2. 靈敏度
靈敏度是晶片的重要參數之一，它具有兩種物理意義。一種指光器件的光電轉換能力，與回響率的意義相同。即晶片的靈敏度指在一定光譜範圍內，單位曝光量的輸出信號電壓（電流），單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一種是指器件所能感測的對地輻射功率（或照度），與探測率的意義相同，。單位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。
3. 壞點數
由於受到製造工藝的限制，對於有幾百萬像素點的感測器而言，所有的像元都是好的情況幾乎不太可能，壞點數是指晶片中壞點（不能有效成像的像元或相應不一致性大於參數允許範圍的像元）的數量，壞點數是衡量晶片質量的重要參數。
4. 光譜回響
光譜回響是指晶片對於不同光波長光線的回響能力，通常用光譜回響曲線給出。
CCD和CMOS的主要參數有以下幾個：
1. 像元尺寸
像元尺寸指晶片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，通常的尺寸包括14um,10um, 9um , 7um , 6.45um ,3.75um 等。像元尺寸從某種程度上反映了晶片的對光的回響能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多。對於弱光成像而言，像元尺寸是晶片靈敏度的一種表征。
2. 靈敏度
靈敏度是晶片的重要參數之一，它具有兩種物理意義。一種指光器件的光電轉換能力，與回響率的意義相同。即晶片的靈敏度指在一定光譜範圍內，單位曝光量的輸出信號電壓（電流），單位可以為納安/勒克斯nA/Lux、伏/瓦（V/W）、伏/勒克斯（V/Lux）、伏/流明（V/lm）。另一種是指器件所能感測的對地輻射功率（或照度），與探測率的意義相同，。單位可用瓦（W）或勒克斯（Lux）表示。
3. 壞點數
由於受到製造工藝的限制，對於有幾百萬像素點的感測器而言，所有的像元都是好的情況幾乎不太可能，壞點數是指晶片中壞點（不能有效成像的像元或相應不一致性大於參數允許範圍的像元）的數量，壞點數是衡量晶片質量的重要參數。
4. 光譜回響
光譜回響是指晶片對於不同光波長光線的回響能力，通常用光譜回響曲線給出。
從產品的技術發展趨勢看，無論是CCD還是CMOS，其體積小型化及高像素化仍是業界積極研發的目標。因為像素尺寸小則圖像產品的解析度越高、清晰度越好、體積越小，其套用面更廣泛。
從上述二種圖像感測器解析度來看，未來將有幾年時間，以130萬像素至200萬像素為界，之上的套用領域中，將仍以CCD主流，之下的產品中，將開始以CMOS感測器為主流。業界分析2014年底至2015初，將有300萬像素的CMOS上市，預測CMOS市場套用超越CCD的時機一般在2004年-2005年。
發展現狀
圖像感測器的視訊比現在是給定的，使用高清(HD)解析度1080p，攝像機設計正朝使用更小的光學格式發展，導致需要更小的像素結構，以降低整體系統成本，同時不影響圖像性能或光靈敏度。
CCD圖像感測器由於靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像感測器的主流。但由於工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一晶片上，造成由CCD圖像 感測器組裝的攝像機體積大、功耗大。CMOS圖像感測器以其體積小、功耗低在圖像感測器市場上獨樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像感測器，一直沒有擺脫 光照靈敏度低和圖像解析度低的缺點，圖像質量還無法與CCD圖像感測器相比。
如果把CMOS圖像感測器的光照靈敏度再提高5倍～10 倍，把噪聲進一步降低，CMOS圖像感測器的圖像質量就可以達到或略微超過CCD圖像感測器的水平，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低 等優點，如此，CMOS圖像感測器就會取代CCD圖像感測器，並且發展出更好的功效。
由於CMOS圖像感測器的套用，新一代圖像系統的開發研製得到了 極大的發展，並且隨著經濟規模的形成，其生產成本也得到降低。現在，CMOS圖像感測器的畫面質量也能與CCD圖像感測器相媲美，這主要歸功於圖像感測器 晶片設計的改進，以及亞微米和深亞微米級設計增加了像素內部的新功能。實際上，更確切地說，CMOS圖像感測器應當是一個圖像系統。一 個典型的CMOS圖像感測器通常包含：一個圖像感測器核心(是將離散信號電平多路傳輸到一個單一的輸出，這與CCD圖像感測器很相似)，所有的時序邏輯、 單一時鐘及晶片內的可程式功能，比如增益調節、積分時間、視窗和模數轉換器。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像感測器後，他得到的是一個包括圖像陣 列邏輯暫存器、存儲器、定時脈衝發生器和轉換器在內的全部系統。與傳統的CCD 圖像系統相比，把整個圖像系統集成在一塊晶片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價格更低的優點。
