CCD圖像傳感器發(fā)展及市場

關(guān)鍵詞：CCD圖像傳感器；市場；預(yù)測；數(shù)字照像機(jī)；

　　1. 引言

　　自從1970年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功第一只電荷耦合器件(CCD)以來，依靠業(yè)已成熟的MOS集成電路工藝，CCD技術(shù)得以迅速發(fā)展。CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業(yè)測量等領(lǐng)域。作為攝像器件，與攝像管相比，CCD圖像傳感器有體積小、重量輕、分辨率高、靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應(yīng)范圍寬、工作電壓低、功耗小、壽命長、抗震性和抗沖擊性好、不受電磁場干擾和可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)。其應(yīng)用領(lǐng)域也極其廣泛，涉及到航天、航空、遙感、衛(wèi)星偵察、天文觀測、通訊、交通、機(jī)械、鋼鐵、電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)器人視覺、新聞、廣播、電影、電視、金融、醫(yī)療、出版、印刷、紡織、醫(yī)學(xué)、食品、照相、文教、公安、保衛(wèi)、家電、旅游等各個(gè)領(lǐng)域(見表1)。

　　目前，CCD圖像傳感器已成為攝錄一體機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、掃描儀、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和多媒體系統(tǒng)的核心部件。

　　在世界已進(jìn)入信息時(shí)代的今天，以數(shù)字化、計(jì)算機(jī)、通訊、電視和多媒體為主要特征的信息革命正在興起。作為視覺傳感器的CCD攝像器件，在光電圖像信息獲取與處理中起著極其重要的作用。CCD圖像傳感器的市場十分廣闊，前景十分看好。

　　2. CCD圖像傳感器及數(shù)字照像機(jī)市場分析與預(yù)測[1]～[7]

　　1988年日本《技術(shù)市場》期刊把CCD圖像傳感器列為未來10年可能增益100倍的高技術(shù)。據(jù)有關(guān)專家估計(jì)：1987年CCD圖像傳感器的世界市場規(guī)模為16億美元，到1997年已達(dá)50億美元。

　　日本松下公司對(duì)CCD攝像機(jī)的市場進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和預(yù)測[1][2]：預(yù)計(jì)到2000年，市場對(duì)CCD攝像機(jī)的總需求量將達(dá)到8825萬臺(tái)，約為1995年總需求量1106.5萬臺(tái)的8倍。

　　據(jù)卡西歐計(jì)算機(jī)公司預(yù)測，2000年世界PC機(jī)市場將增加到1億臺(tái)，若每2臺(tái)PC機(jī)有一臺(tái)用CCD攝像機(jī)作圖像輸入裝置，那么，CCD攝像機(jī)僅和PC機(jī)相結(jié)合就可使CCD攝像機(jī)市場量達(dá)到5000萬臺(tái)。同時(shí)，CCD攝像機(jī)能達(dá)到140萬像元，像質(zhì)可達(dá)到35mm攝像機(jī)的水平。2000年CCD攝像機(jī)的市場總量將達(dá)到7000萬臺(tái)以上[1][2]。

　　采用CCD圖像傳感器的主要產(chǎn)品有掃描儀、傳真機(jī)、線陣CCD攝像機(jī)、視頻攝像機(jī)(普通黑白與彩色、廣播級(jí)、HDTV級(jí))、攝錄一體機(jī)(黑白、彩色、廣播級(jí)、HDTV級(jí))和數(shù)字照相機(jī)(普及型與專業(yè)型)等。這些產(chǎn)品在國內(nèi)外的市場前景均非常好，尤其是家用傳真機(jī)、攝像機(jī)、攝錄一體機(jī)，現(xiàn)已大量進(jìn)入家庭，家用CCD數(shù)字照相機(jī)也將很快步入家庭。

　　2.1 全球CCD圖像傳感器市場的總銷售形勢(shì)

　　隨著高性能CCD圖像傳感器的推出，市場的總銷售額不斷上升。據(jù)Frost＆sulliva的統(tǒng)計(jì)，從1988年到1998年，每年的總銷售額增長率大約為10％，到1998年，CCD圖像傳感器的總銷售額已達(dá)15.521億美元。銷售額的增長，主要是由于高性能CCD圖像傳感器用在非一般和非商業(yè)方面的機(jī)會(huì)增多，有關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

　　1998年，CCD圖像傳感器平均價(jià)格約為每只23美元，這一價(jià)格直到1991年都沒有大的變化，其平均價(jià)格在23美元至24美元之間。市場人士分析，隨著高性能CCD圖像傳感器使用率的增加，其平均價(jià)格將有所上升。

　　CCD圖像傳感器的市場主要分布在日本、歐洲、北美以及新冒起的韓國和中國***地區(qū)。表3列出了世界市場的總銷售形勢(shì)，可供參考。日本是CCD圖像傳感器的最大市場，1998年總銷售額占全球市場的62％。近年因?yàn)闅W美等地的高性能CCD圖像傳感器的需求增加，而日本市場則主要以慢慢萎縮的低性能CCD圖像傳感器為主。因此，日本1995年的銷售額降至世界銷售額的50％，而1998年的百分比已降至約40％。

　　美國1988年的銷售額占CCD圖像傳感器市場總銷售額的29％，1991年上升到30％，1998年，美國的銷售額占總銷售額的25％，基本保持了世界第二大市場的地位。

　　歐洲的市場總銷售額排在第三，1988年占市場銷售總額的8.5％，1995年增加到13.5％，1998年升至20％左右，逞上升趨勢(shì)。

　　2.2 采用CCD圖像傳感器的數(shù)字照相機(jī)

　　CCD數(shù)字照相機(jī)是照相機(jī)家族中的新成員，它能把被拍攝景物和圖文用CCD圖像傳感器技術(shù)以數(shù)字形式而非銀鹽膠片形式記錄下來。因此，它是一種新型的數(shù)字式照像機(jī)，有人把這類照相機(jī)記錄的圖像稱之為“電子像”。

　　數(shù)字照相機(jī)(Digital Camera)和攝錄一體(Camcorder)的基本區(qū)別是前者記錄的一般是靜像，而后者記錄的一般是動(dòng)像。

　　自1990年第一臺(tái)數(shù)字照相機(jī)問世以來，數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)發(fā)展迅速，早期美國曾用它通過衛(wèi)星向地面?zhèn)魉吞照掌?，以后轉(zhuǎn)為民用，并不斷拓寬應(yīng)用范圍，目前已具有逐步占領(lǐng)部分傳統(tǒng)光學(xué)相機(jī)市場的勢(shì)頭。

　　數(shù)字照相機(jī)的成像質(zhì)量已經(jīng)超過常規(guī)照相機(jī)的像質(zhì)，另外數(shù)字照相機(jī)還有許多優(yōu)點(diǎn)，它不需要膠卷、無須沖洗、無須洗印、重復(fù)拍攝和調(diào)整不浪費(fèi)任何膠卷、藥水和相紙；影像可無限次復(fù)制，不會(huì)降低質(zhì)量，可以方便地、永久地保存，并可用于電子傳送和電子處理，因此，它將使攝像技術(shù)真正開始一場革命。

　　數(shù)字照相機(jī)不用膠卷，而是采用光敏CCD或CMOS圖像傳感器將光信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換器)進(jìn)行數(shù)字處理和壓縮，最后將圖像文件保存在存儲(chǔ)器內(nèi)。圖像可以通過計(jì)算機(jī)顯示器或電視屏幕顯示，也可以通過彩色打印輸出，整個(gè)過程無需暗室，操作十分方便。數(shù)字照相機(jī)可以利用電腦對(duì)所拍影像進(jìn)行數(shù)字化加工處理，因此比傳統(tǒng)照片快捷、精確、多樣、無耗，具有極大的優(yōu)越性。數(shù)字照相機(jī)拍攝的照片信息可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)傳輸、處理和存貯，很受新聞界、工業(yè)界以及普通消費(fèi)者的歡迎。日本公司的CCD數(shù)字照相機(jī)的像元在40萬左右，價(jià)格在20萬日元左右或更低。

　　低檔數(shù)字照相機(jī)通常使用40萬像元左右的CCD圖像傳感器，如768×492、572×582的面陣CCD圖像傳感器，相當(dāng)于普通CCD攝像機(jī)或家庭彩電的分辨率。一個(gè)3.5英寸、20M的磁光盤可存儲(chǔ)約50張照片。這種相機(jī)的售價(jià)在300～1200美元左右。

　　中檔數(shù)字照相機(jī)一般采用100萬像元以上的CCD圖像傳感器。如美國柯達(dá)公司的DCS－200型相機(jī)采用1552×1032 CCD圖像傳感器芯片，采用800M硬盤，一次可存儲(chǔ)50張照片，相當(dāng)于高清晰度電視(HDTV)的分辨率，其售價(jià)在1萬美元左右。

　　高檔數(shù)字照相機(jī)一般采用400萬像元以上的CCD圖像傳感器芯片。如有的高檔相機(jī)采用2048×2048像元的CCD圖像傳感器，如用3.5英寸128M可讀寫光盤，可存32張高清晰度照片，若用256M硬盤，一般可存60張照片。高檔數(shù)字照相機(jī)一般售價(jià)在4萬美元左右。

　　據(jù)美國仙童公司預(yù)測[18]：美國國內(nèi)以及美國以外的CCD數(shù)字照相機(jī)市場發(fā)展情況如表4所列。可以預(yù)見，CCD數(shù)字照相機(jī)的市場前景非常廣闊。

　　目前CCD數(shù)字照相機(jī)的主要市場在日本，因?yàn)槿毡旧a(chǎn)廠商多，市場接受程度高。歐美市場近來有逐漸升溫的跡象。***普麗光電計(jì)劃在1999年8月正式生產(chǎn)150萬像元的CCD數(shù)字照相機(jī)，最初產(chǎn)量為1萬臺(tái)左右。

　　CCD數(shù)字照相機(jī)在我國的應(yīng)用已開始出現(xiàn)。目前主要用在新聞業(yè)、旅游業(yè)和家用電腦方面。

　　3. CCD的最新狀況及發(fā)展趨勢(shì)

　　3.1 國外CCD圖像傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[10][13]

　　CCD圖像傳感器經(jīng)過近30年的發(fā)展，目前已經(jīng)成熟并實(shí)現(xiàn)了商品化。CCD圖像傳感器從最初簡單的8像元移位寄存器發(fā)展至今，已具有數(shù)百萬至上千萬像元。由于CCD圖像傳感器具有很大的潛在市場和廣闊的應(yīng)用前景，因此，近年來國際上在這方面的研究工作進(jìn)行得相當(dāng)活躍，美國、日本、英國、荷蘭、德國、加拿大、俄羅斯、南韓等國家均投入了大量的人力、物力和財(cái)力，并在CCD圖像傳感器的研究和應(yīng)用方面取得了令人矚目的成果。美國和日本的器件和整機(jī)系統(tǒng)已進(jìn)入了商品化階段。

　　從1993年德州儀器公司報(bào)道1024×1024像元虛相CCD開始，目前CCD像元數(shù)已從100萬像元提高到2000萬像元以上。福特空間公司還推出了2048×2048、4096×4096像元幀轉(zhuǎn)移CCD。在攝像機(jī)方面，日電公司制成了4096×5200像元的超高分辨率CCD數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，分辨率高達(dá)1000×1000條TV線。加拿大達(dá)爾薩(Dalsa)公司報(bào)道了5120×5120像元幀轉(zhuǎn)移CCD。荷蘭菲利浦成像技術(shù)公司研制成功了7000×9000像元CCD。1997年美國EG＆G·Retion研制出6144×6144、8192×8192像元高分辨率CCD圖像傳感器。亞利桑那大學(xué)報(bào)道了9126×9126像元CCD，1999年歐洲南部天文開發(fā)成功8184×8196像元多光譜、寬視場CCD攝像器件，并計(jì)劃在2001年開發(fā)出16000×16000像元的CCD。1998年日本采用拼接技術(shù)開發(fā)成功了16384×12288像元即(4096×3072)×4像元的CCD圖像傳感器。目前美國、日本、德國和法國的部分公司已開發(fā)出長線陣和大面陣可見光CCD圖像傳感器，其主要技術(shù)指標(biāo)如表5所列。另外，法國、美國和日本的部分公司還研制出具有多針相模式工作的CCD(即MPP－CCD)圖像傳感器，其發(fā)展?fàn)顩r如表6所列。表5和表6所列的CCD圖像傳感器均為目前最新的攝像器件。

　　從近幾年的發(fā)展趨勢(shì)看，CCD圖像傳感器像元數(shù)的競爭實(shí)際上等于像元尺寸縮小的競爭。比如：1998年日本松下電器產(chǎn)業(yè)開發(fā)出微型CCD圖像傳感器，其芯片尺寸為1.1mm×1.34mm，組裝后的尺寸小至1.2mm×1.5mm。這一小型CCD技術(shù)可廣泛用于視頻攝像機(jī)以外的領(lǐng)域，其市場規(guī)模為：1997年視頻攝像機(jī)用1000萬個(gè)，PC用300萬個(gè)，PDA用100萬個(gè)，數(shù)字靜物攝像機(jī)用200萬個(gè)，監(jiān)視用100萬個(gè)，其它用240萬個(gè)，預(yù)計(jì)到2005年，視頻攝像機(jī)用1500萬個(gè)，PC用2500萬個(gè)，PDA用5000萬個(gè)，數(shù)字靜物攝像機(jī)用1200萬個(gè)，監(jiān)視用700萬個(gè)，其他用2400萬個(gè)。

　　CCD傳感器在視頻影像機(jī)以外的應(yīng)用顯著增多，其主要原因是器件超小型之故。以前封裝的整體外形尺寸較大，而通過將芯片焊接在柔軟的帶上實(shí)現(xiàn)了小型化。其像元尺寸為4μm×4μm，也比原來有大幅度減小?？傁裨獢?shù)為231(H)×217(V)，分辨率為水平200TV線，垂直160TV線(都是理論值)，功耗5mW。因此，對(duì)CCD圖像傳感器來講，其像元數(shù)的競爭實(shí)際上是像元尺寸縮小的競爭。

　　CCD是目前技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的圖像傳感器。自80年代中期實(shí)現(xiàn)40萬以下像元CCD的規(guī)模生產(chǎn)后，目前CCD已轉(zhuǎn)向大面陣、小像元、紫外光譜響應(yīng)方面，以便能適應(yīng)數(shù)字照相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、掃描儀以及其它科學(xué)領(lǐng)域的需要。

　　在科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，1024×1024像元以上大面陣CCD圖像傳感器大量用于太空探測、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)以及遙感、遙測、低空偵察等。泰克公司和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的2048×2048像元面陣CCD最早用于新一代哈勃太空望遠(yuǎn)鏡攝譜儀和固定天文觀測站。美國Recon光學(xué)公司開發(fā)的5040×5040像元CCD攝像機(jī)能在一萬米高空進(jìn)行拍攝試驗(yàn)，空間分辨率達(dá)1.57英寸。繼美國軌道公司和加拿大達(dá)爾莎傳感器公司1994年研制成功單片集成5120×5120像元CCD后，荷蘭菲利浦光電子中心在6英寸晶片上研制出9000×7000像元CCD陣列，最近美國亞利那大學(xué)研制的CCD芯片，分辨率已達(dá)9126×9126的空前高度。CCD的成本高低與像元大小和大面陣有關(guān)，目前最小像元尺寸為3.24μm×3.275μm，38萬像元陣列正趨向于1/6英寸以下芯片尺寸。X射線CCD以非晶硅材料為主，可見光至紫外區(qū)擴(kuò)展光譜則以普通CCD背面減薄技術(shù)為主。

　　為了開發(fā)單片式低成本攝像機(jī)，目前的CCD傳感器的研究重點(diǎn)也更多地轉(zhuǎn)向互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)有源像素圖像傳感器(APS)[10][11]方面，這種器件在21世紀(jì)將成為數(shù)字照相機(jī)、攝像機(jī)和高清晰度電視(HDTV)的關(guān)鍵器件。CMOS－APS的最大優(yōu)點(diǎn)是在工作中勿需電荷逐級(jí)轉(zhuǎn)移，回避了影響CCD性能的主要參數(shù)—電荷轉(zhuǎn)換效率（CTE)。90年代初，美國的洛克威爾公司、得克薩斯儀器公司、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室/加洲理工學(xué)院(JPL/Caltech)及日本的東芝、奧林巴斯、佳能等公司均開發(fā)了多種APS的基本結(jié)構(gòu)。目前最成熟的有CMOS－APS和電荷調(diào)制器件(CMD)[11][15]。APS的另一突出優(yōu)點(diǎn)是無需CCD那樣高的驅(qū)動(dòng)電壓，能使各種信號(hào)處理電路與攝像器件實(shí)現(xiàn)單片集成，這是未來相機(jī)小型化、低成本、低功耗的關(guān)鍵。目前成像陣列已取得突破性進(jìn)展，1996年德州儀器的體電荷調(diào)制器件(BCMD)圖像傳感器陣列達(dá)到687(H)×499(V)像素，奧林巴斯光學(xué)公司的CMD圖像傳感器達(dá)2048(H)×2048(V)像素。其后，貝爾實(shí)驗(yàn)室、MIT、JPL、Photobit等相繼報(bào)道了256×256、512×512、1024×1024、1040×1040、1296×750像元的CMOS－APS，像元尺寸7.5μm×7.5μm，芯片尺寸16.3mm×16.3mm，由三個(gè)晶體管和一個(gè)光電二極管構(gòu)成。現(xiàn)在把時(shí)鐘電路、A/D轉(zhuǎn)換器，輸出放大器等與傳感器陣列集成在一個(gè)單片襯底上的研究也在同時(shí)進(jìn)行之中。

　　3.2 國內(nèi)研制水平及狀況

　　國內(nèi)CCD圖像傳感器的研制工作也在穩(wěn)步地進(jìn)行。目前第一代普通線陣CCD圖像傳感器(光敏元為MOS結(jié)構(gòu))和第二代對(duì)藍(lán)光響應(yīng)特性好的(光敏元為光電二極管陣列)CCPD均已形成128、256、512、1024、1728、2048、2500像元的系列產(chǎn)品，在實(shí)驗(yàn)室已做出了3456、4096像元的CCPD樣品；面陣CCD圖像傳感器已研制出32×32、75×100、108×108、150×150、320×230、256×320、512×320、491×384、580×394、512×512、600×500、756×581、800×800像元器件。在實(shí)驗(yàn)室已研制出了1024×1024，2048×2048像元的器件，基本上形成了系列化產(chǎn)品。隨著器件性能的改進(jìn)，CCD攝像機(jī)也將得到迅速發(fā)展。

　　除可見光CCD圖像傳感器外，國內(nèi)目前還研制出了線陣64、128、256、1024像元和面陣32×64、128×128、256×256像元硅化鉑肖特基勢(shì)壘紅外CCD(Ptsi桽BIR CCD)。目前國內(nèi)正在研制和開發(fā)的CCD有：512×512像元X射線CCD、512×512像元光纖面板耦合CCD像敏器件、512×512像元幀轉(zhuǎn)移可見光CCD、1024×1024像元紫外CCD、1024像元X射線CCD、 512×512像元PtSi桽BIR CCD、微光CCD和多光譜紅外CCD等。但由于受經(jīng)費(fèi)、設(shè)備等因素影響，國內(nèi)CCD圖像傳感器的研究進(jìn)展尚不夠迅速，目前還沒有生產(chǎn)能力，與國際先進(jìn)水平相比差距很大。就CCD的應(yīng)用潛力而言，也最多不過發(fā)揮了1％左右。據(jù)悉，信息產(chǎn)業(yè)部下屬研究所目前已從美國和俄羅斯引進(jìn)可見光和紅外CCD芯片生產(chǎn)線并開展試驗(yàn)工作，這將大大促進(jìn)我國CCD芯片的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

　　3.3 國內(nèi)CCD圖像傳感器的市場分析與預(yù)測

　　目前我國尚未形成規(guī)模化的CCD圖像傳感器產(chǎn)業(yè)，因而缺乏行業(yè)的統(tǒng)計(jì)資料。在綜合了有關(guān)資料數(shù)據(jù)后認(rèn)為：2000年我國市場的總需求約為1008.14萬臺(tái)，大約占全球市場需求量8825萬臺(tái)的11.4％、將比1995年增長約6.5倍。

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速增長以及國民經(jīng)濟(jì)信息化進(jìn)程的加快，我國存在著應(yīng)用CCD圖像傳感器的巨大市場。根據(jù)民用、產(chǎn)業(yè)用的需要、建議優(yōu)先選擇的CCD圖像傳感器芯片類型如表7所列。

　　在CCD圖像傳感器的生產(chǎn)中，需采用超凈，光刻、高能離子注入微細(xì)加工技術(shù)。預(yù)計(jì)世界市場2000年CCD相機(jī)達(dá)1500萬臺(tái)。國內(nèi)市場目前處于啟動(dòng)階段?？偖a(chǎn)量僅數(shù)萬臺(tái)，預(yù)計(jì)2000年后國內(nèi)CCD攝像機(jī)市場將達(dá)數(shù)百萬臺(tái)。

　　由于受工藝設(shè)備和工藝技術(shù)的限制，到目前為止，國內(nèi)CCD圖像傳感器還未形成批量生產(chǎn)能力，國內(nèi)市場上所見到的CCD攝像機(jī)和數(shù)字照相機(jī)以及數(shù)字?jǐn)z錄機(jī)目前尚需進(jìn)口。

　　4.結(jié)論

　　可見光CCD圖像傳感器已經(jīng)發(fā)展成熟，以后主要是應(yīng)用開發(fā)。與此同時(shí)，其性能將進(jìn)一步改善，結(jié)構(gòu)更簡單，可以預(yù)見，CCD圖像傳感器將在我國航天、遙感、天文、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、交通、通訊等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。