CCD图像传感器市场茁壮成长

上网时间: 2015年02月12日? 我来评论 【字号: ? ?小】

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图象传感器(image sensor)可将图象资料经由光信号转换成电的信号,是进入影象世界不可或缺的取象元件。相对于传统的摄象管来说,电荷耦合器件图象传感器(charge cou-pled devices image sensor, CCD)具有重量轻、体积小、省电、寿命长、价格便宜、不受磁场的影响及耐振动等优点。

因此,CCD图象传感器取代了摄象管成为电子影象输入的最佳元件。目前,从录象机、打印机、传真机,到高清晰度电视机和多媒体应用等方面,都需要用到图象传感器。由于应用范围广泛,此器件日益普及,产量曰增,厂商更不断推出高性能产品。在市场方面,以往是由日本雄踞的,近年台湾、韩国、欧美等国家和地区都积极参与。本文将介绍CCD图象传感器的应用,以及其市场的发展形势。CCD传感器应用范围广泛图象传感器可分为电荷耦合器件类、 非电荷耦合器件类、彩色图象传感器 和红外线类。

当中以电荷耦合器件类(CCD)图 象传感器的产量较多,占整个图象传 感器的最大份额。基本上,CCD图象传感器的结构 可分为摄象区、存储区和输出区3大 部分,分别负责感光、传送及输出的工作,其中传送部分的结构与动作是 CCD的核心所在。其基本构造是在硅 基板的表面绝缘层上,布置平行排列 的许多电极,构成并排的MOS电容。 当任何一象素(感光元件)吸收光并依 光强度比例产生一定数量的电荷后, 此电荷便会储存于电位井(电容)内, 而电位井是电极加上电压而形成的。 电位井随着脉冲电压的时序传送,即 是说摄象区的电荷经存储区移至输出 _部分,再经过片上放大器将电荷转换 成电压信号后,那便完成全部影象的光电转换工作。

^ CCD的种类可从其构造来分成线 性型(linear)和区域型(area)两类。线 '性型CCD图象传感器能以黑白或彩色 操作,最高的分辨率可达12, 000图 素。区域型CCD图象传感器以垂直及 水平的方向搜取图象,虽然一般都是 以黑白操作,但以彩色操作的区域型 CCD图象传感器已渐受市场人士欢 迎,最近特别流行应用于彩色手提摄 I录机。现在,市面上区域图象传感器的最高分辨率是4,096 X 4,096。

CCD亦可以用光谱来分类,一般 1分为可见光及不可见光。不可见光 "CCD大多应用于军事太空科学方面,例如太空望远镜、飞弹寻标器和红外光摄影机(热影象传感器)等。可见光CCD多用于办公室设备产品和消费性产品,例如传真机、复印机、图象扫描器、摄录放影机、电视对讲机等。在工业上的应用则有机器视觉、热影象分析、安全监视等,皆需要使用CCD图象传感器。

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未来仍有许多产品需要使用CCD,例如视象电话、电子照相机、汽车后视镜及电子会议系统等皆是。就市场来说,一般以高低性能来区分图象传感器,低性能的图象传感器包括线 性型图象感应器和较低分辨率的区域 型图象传感器,他们一般应用在商业 及办公室设备方面,例如摄录机、复印机、传真机等。

至于高性能的产品,则包括较高分辨率的区域型图象传感器,以及应用在医疗、天文、工业机器视频装置等范围的线性型图象传感器。现在市场上仍以低性能产品为主流,但预期高性能图象传感器的需求将会逐渐地增加。总营业额不断提高。

随着高性能图象传感器的推出,市场 的总营业额不断上升。据Frost & Sullivan提供的统计显示,由1988年 至1991年,每年的总营业额增长率大 约10%。在1991年,图象传感器的总 总营业额达7.953亿美元。营业额的 增长,是由于高性能图象传感器用在 非一般和非商业方面的机会增多,有关数字请见表1。

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自1988年起增长率有轻微下跌, 主要原因是低性能图象传感器的市场 增长率下降。因为高性能图象传感器 的价格比低性能的产品高,所以图象传感器的总营业额,也因高性能图象传感器的使用率增加而不断增高。预计1991年至1998年的每年增 长复率会达10%,图象传感器在1994 年的总营业额估计会有10亿美元,并 且预计1998年的总营业额会达15亿 美元。

至于在付运数目方面,1988年共 付运了近2, 600万只图象传感器。 1988至1991年这段期间,每年付运增长率平均超过11%,令1991年的付运 数目增加至3,500万以上。

预计1991年至1998年,每年的 付运增长复率将约为9.4%,而1995 年的付运量将会超过5,000万。调查 显示,这个数目在1998年将会增加至 6,650 万。

1988 年,图象传感器的平均价格约为每只23美元,这价格直至1991年都维持不变。在这两年间,平均价格仍徘徊在23至24美元之间。目前低性能图象传感器约占市场的90%。市场人士认为,随着高性能型号的使用率增加,平均价格都会上升。

低性能型号仍是主流

1988年,市场上差不多全都是低性能 图象传感器。美国及西欧国家对高性能图象传感器的需求逐年增加,才令 低性能图象传感器的市场占有率稍 减,但预期低性能图象传感器在曰本 等地区的使用率会继续增加,令低性 能型号仍是主流。

在1994年,低性能图象传感器占 总付运数量的99.98%。预计到1998 年,该数字仍会保持在99.97%的水 平。高性能图象传感器能有微小的增 长,是因为预期光谱学、天文学、显微学等方面,将来会大量应用高性能图象传感器的缘故。

虽然以付运数量来说,高性能图 象传感器实在是与低性能者相比败下 阵来的,但如从总营业额方面看,形 势也不是完全没有反击的机会。在1994年,高性能图象传感器约占市场总营业额的16%,预计该数字在1998 年会升至超过26%。

世界市场形势

CCD图象传感器市场主要包括日,本、 欧洲、北美以及新冒起的台湾和南 韩。表2中列出了世界市场的总营销 形势,可供参考。1988年,日本是图象传感器的最大市场,总营业额占世界市场62%。因为欧美等地对价格较 高的高性能图象传感器的需求日增,而曰本市场主要以慢慢萎缩的低性能 图象传感器为主,因此预料其市场总 营业额的百分比会下降,统计数字显 示,日本在1995年的营业额约占世界 总营业额的50%,而1998年的百分比 就刚刚超过40%。

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至于美国,1988年的营业额占图 象传感器市场总营业额29%,1991年 已上升至30%,调查研究结果认为, 到1’998年,美国的营业额将占总营业 额的35%。

欧洲的市场总营业额排列第三, 1988年占总市场营业额的8. 5%,预 计今年会递增至13.5%,在1998年更 会攀升至20 %左右。

高性能图象传感器使用率递增

在过去几年里,许多CCD图象传感器 制造商,都集中研究图象传感器的非商业应用,特别是价格较高的高性能图象传感器。由于不断改良此类高性能图象传传感器,而且功能亦得以增强,所以预计高性能图象传感器的需求将会大增,特别应用在医疗图象方面的。

在医疗方面,高性能图象传感器 主要应用在牙科图象、早期胸部肿瘤 X射线透视、全身摄影、电脑轴向层 析X射线摄影术(CAT)扫描等,这些应用都注重高分辨率、时序延迟、综合能力及多接脚相位技术等的应用。

CCD图象传感器利用硅晶片制 造,因此图象传感器的尺寸往往决定 于硅晶片的成本。在图象传感器的价 格方面来说,一般都不会只考虑传感 器本身的性能,而是会注重其尺寸。 图象传感器的尺寸越大,价格越高。 因此制造商都努力研制出尺寸更小的图象传感器,除了减低成本,还迎合现在商品趋向短小轻薄的潮流。

以往,放在摄录机里的图象传感 器的尺寸为三分之二英寸,但现在大 部分摄录机厂商都已采用二分之一英寸的图象传感器。至于现今推出更轻 巧的摄录机,里面的CCD区域图象传感器,只有二分之一英寸。

在高性能图象传感器的市场,其 尺寸主要决定于应用范围。例如是用 在内诊镜检查上,图象传感器便需要 非常细小。但是如果是应用在医疗摄 影的话,就需要用到最小为2英寸的 图象传感器。

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研发的目标也会根据使用范围的 不同而有别。例如应用在传真机、复 印机、扫描器等办公室设备的线性 图象传感器,研发工作将集中在更高的 灵敏度、分辨率、信噪比,以及更快 的定位速度和更佳的颜色定位能力等 方面。

曰商仍占市场最大份额

曰本在图象传感器的世界市场发展、 生产数量和应用方面,都占领导的地 位。虽然有些人指出,日本厂商只注 重低性能图象传感器的市场,忽略了 高性能产品的应用和研制。但实际上,日本厂商非常重视研制高性能的 产品,其中包括四分之一英寸和三分 之一英寸的彩色、黑白CCD区域图象传感器、反射映象CCD传感器等。

市场上比较有名厂商包括索尼 (Sony)、松下(Matsushita Electric Ind. Co. Ltd.)、夏普(Sharp Corp.)、东芝(Toshiba Corp.)、NEC Corp ?等。以下是 Sony、Sharp 及 Toshiba几家日本公司在CCD图象传 感器市场的发展和最新产品。

Sony成立于1946年,于70年代 初已开始开发CCD图象传感器,其产 品包括线性型及区域型CCD图象传感。该公司多年前已生产应用在摄录 机的区域型CCD图象传感器,并应用 在他们的产品之内。于1993年更推出 专为办公设备而设计的线性型CCD图 象传感器,其中包括彩色和单色的型号。

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彩色型号具备二分之一英寸、三分之一英寸和四分之一英寸3种尺寸,适用于NTSC和PAL的电视制 式。这些型号的特点包括具备互补镶 嵌式滤波器及各种速度的电子快门。 至于单色型则有三分之二英寸、二分 之一英寸和三分之一英寸3种尺寸, 适用于EIA及CCIR广播系统,所有 型号都具备各种快门速度。

在众多产品当中,三分之一英寸 的产品占索尼CCD图象传感器总产量 约70%,该公司的研发工作目标将会 集中在研制新的四分之一英寸产品, 以及改良应用在保安和广播摄录机上 的三分之一英寸产品。

Sony的最新产品包括ICX068AK 及ICX069AK,两款都是四分之一英寸彩色CCD图象传感器,前者应用在 NTSC制式,后者适用于PAL制式, 两者的分辨率都达410,000图素。内置新开发的片上滤波器*能改进绿色 的显示,令画面的品质得以改善。

产品不断改进

Sharp在1935年成立,开发CCD图象传感器已超过10年,其手提摄录 机、Viewcam等产品都有利用该公司 生产的区域型CCD图象传感器。据其 业务部总经理大谷先生表示,Sharp在 CCD图象传感器的月产量达25万单 元,在1993年的总销售额约达3,979 万美元(40亿日元),他预料1994年应 有超过20%的增长。

Sharp以往都有提供线性型及区域 型CCD图象传感器,但因他们觉得线 性型的产品在应用方面局限很大,只 适用于传真机、复印机数种产品。而 另一方面,区域型CCD图象传感器的 应用范围很广,发展空间较大,因此 他们决定停止研制及生产线性型CCD 图象传感器,转而集中研制区域型 CCD图象传感器。

他们在CCD图象传感器的发展策 略包括要生产高性能、高分辨率及尺 寸更小的产品。高性能即表示利用新的CCD技术,制造更高敏感度和低模糊程度的CCD图象传感器。在高分辨率方面,他们已经可以大批量生产 410,000、470,000图素的三分之一英 寸CCD图象传感器,实现百万图素的 分辨率。

在图象传感器尺寸方面亦不断有 改进,由二分之一英寸至三分之一英寸的型号,到最近这两年才推出的四分之一英寸微小型号,都是一大突 破。而且在电源供应方面,都由- 8V、5V、17V及22V这多电源供应 改良到只用5V和12V,再进展而采 用单一电源供应。

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据大谷先生表示,每家公司都有 其特别强的市场,例如Sharp在曰本 及南韩市场都是主要的CCD图象传感器供应商,他更估计,该公司在南韩的占有率约有50至60的百分比。至 于Sony,就活跃于日本及台湾市场。 另外,Matsushita在用于手提摄录机的CCD图象传感器的发展很不错,因 此对Sharp来说是一强敌。

其实Sharp不但供应CCD图象传感器,还按客户产品的需要而提供有 关的外围1C,这包括垂直驱动器、信 号处理器、时序1C及信号产生器,成 为一套芯片集。

该公司已为各种客户安排好每种 配搭方案,省却客户向其他公司购买 外围1C的时间。

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而且,Sharp黑白及彩色的三分 之一英寸CCD图象传感器能显示27 万、32万、41万或47万图素,水平 分辨率达到330、380、480或560电视行(TV lines)。所有三分之一英寸1 CCD图象传感器都是以16接脚小型 陶瓷 DIP (shrink DIP,SDIP)封装。 他们还计划于1994年第四季及1995 年第一季大量生产四分之一英寸的 CCD图象传感器,黑白和彩色的型号 都能显示27万、32万、41万或47万h 图素。所有四分之一英寸CCD图象传感器都是以14接脚塑料DIP(PDIP) ' 封装的,与三分一英寸型号相比小卜 30%。

大谷氏表示,Sharp最新的产品, 包括LZ2453彩色CCD图象传感器,此为去年年中推出的产品,应用范围 包括手提摄录机、监视器摄录机、工 业用摄录机、视频电话等。适用于 NTSC电视格式,尺寸为四分之一英 寸,能显示41万图素,这是目前四分 之一尺寸产品所能显示的最高图素。 LZ2453已应用在Sharp最新VL - HL3Viewcam上,这型号比其他具备 三分之一英寸的Viewcam的体积小 30% 。

另外,Sharp的图象传感器的一个 独特之处便是具有输出反射图象的能 力,这样的CCD图象传感器十分适用 于车上反照摄录机。这是利用反射图象驱动脉冲,令水平CCD传输转换方向。

当谈及Sharp对开拓中国CCD图 象传感器的策略,大谷氏表示,据 Sharp所作的调查资料显示,中国在应用于保安设备上的CCD图象传感器市场潜力很大,1993年中国对保安设备用的CCD图象传感器的需求约为80 万只。预料1994年有20个至30个百分 比的增长,因此他们准备大力地推广。

产品趋向微型化

Toshiba在1875年成立,早在1973年已开始研发CCD图象传感器,现今已 成为该市场具竞争力的对手。现在, 他们已能供应5,000图素的线性型彩 色传感器、高敏度线性型传感器、27 万至60万图素的区域型图象传感器等。

该公司的线性型CCD图象传感器 主要应用在传真机、数字复印机、手 提扫描器、条码阅读器、摄影机等设 备上,具备彩色及黑白的型号。最新 的线性型CCD图象传感器产品 TCD2502C及TCD2550C都属于彩色 的型号。这两款都属高敏度、低暗流产品,前者具备5000图素X 3行的光电 二极管,后者则具备5340图素x 3行 的光电二极管,两者皆以24接脚DIP 封装,适用于彩色扫描器。

另外,Toshiba的区域型CCD图 象传感器的应用范围很广,包括消 费、工业、医疗,、广播等用途,主要 应用的设备包括手提摄录机、应门电 话(door phone)、录影厂摄录机、静 止视频照相机、电子内窥检查仪器 等。具备四分之一英寸、三分之一英 寸、二分之一英寸及三分之二英寸不 同尺寸的产品。

四分之一英寸、三分之一英寸、 二分之一英寸系列的产品都具有黑白及彩色的型号,黑白型号适用于EIA 及CCIR电视系统,而彩色的型号则 适用于NTSC和PAL电视制式。至于 三分之二英寸的产品,就只设有黑白 型号。以分辨率来说,三分之一英寸的 产品有27万和32万图素两种分辨率;二分之一英寸产品的分辨率则达 36万或43万图素;三分之二英寸型号 则有40万、47万及60万图素的分辨率。

最新推出了两款四分之一英寸的 CCD区域图象传感器产品TCD5391P 和TCD5381P,两款产品的光感度都 是590mV。内置这两款传感器的照相 机能够在光线非常暗的环境下操作。

TCD5391P适用于NTSC系统, 能显示27万图素;TCD5381P适用于 PAL系统,能显示32万图素。这两 款新产品已将每一个单元中的光电二 极管和纵向电阻的相对尺寸最佳化, 以尽量发挥CCD图象传感器的效率及 提高灵敏度。此产品经过最佳化的单元结构, 可在无需增加电荷-电压转换增益的 条件下,达到更高的灵敏度,而且能' 提供更高的光感度和更低的噪声水 平。

Toshiba公司的其他产品还包括TCD5319D和TCD5381D两款四分之一英寸的产品,前者分辨率达32万图 素,后者则达27万。另外TCD5381D 还有三分之一英寸的选用品,分辨率 为57万图素。除了产品以CCD图象' 传感器之外,Toshiba公司还提供相应 的时序产生器。

欧美厂商急起直追

欧美厂商近年在研制CCD图象传感器 方面努力不懈Thomson - CSF以及 Texas Instruments便是其中的代表者。Texas Instruments很早已开始研 制CCD图象传感器,现能供应线性型 及区域型的产品。

无论是线性型或区域型的产品, 都应用了该公司的虚拟相位(virtual phase)的技术,这技术能够确保图象 传感器达至更佳的灵敏度和S/N比 率,而且暗流更低,并容许采用单相 位的时钟。

该公司的线性型CCD图象传感器 主要用在文件阅读、光学字元辨认等 应用范围上,而区域型的产品应用范 围较广,其中包括保安设备、机械视 觉、电脑视象输入、电视摄录机、工 业检测等,该公司的区域式产品还应 用在科学的范围上,如太空望远镜等 等。

除了一系列的CCD图象传感器,他们也有相应的驱动器、时序产生 器、视频处理器、测试工具等,供应 给不同需要的客户。

Thomson - CSF在70年代初期已 经开始研制CCD图象传感器,产品包 括线性以及区域CCD图象传感器。他 们的区域图象传感器利用n - MOS埋 层通道技术(nMOS buried channel technology),达到低噪声和最高传输 效率。具有电视模式的区域图象传感器 产品共有7款,当中有4款符合CCIR标准,有1款符合EIA - RS170标准,还有2款符合HDTV的标准。除 了 2款适用于HDTV的尺寸是1英寸 外,其余的都是三分之二英寸或二分 之一英寸。

符合CCIR标准的产品中最高分 辨率的型号是TH7864B,共有2 x 288 行线,每行线有768图素。至于符合 HDTV标准的2个型号,两者的分辨 率都是一样,共有2 x 576行线’每行 线有1260图素。

该公司还有线性 图象传感器产 品,他们所有的线性 图象传感器都内 置一个线性光电二极管阵列,放在图 象传感器的中间部分,两旁且有模拟 位移寄存器。

光电二极管接受光射后,便会产 生电荷,位移寄存器负责将这些电荷 转换成最终读出信号。

韩国厂商冒出头来

二星电子(Samsung Electronics)是韩 国首家亦是暂时唯一一家生产CCD图 象传感器的公司。

据其香港分公司半导体部门经理 金明茁表示,他们在1992年下半年度 才开始正式批量生产黑白区域型CCD 图象传感器°到1991年,他们成功研 发垂直驱动器。及至去年,他们成功 生产时序及同步信号产生器,以及视 频处理器。即由1994年下半年度开 始,Samsung已能提供整套芯片组, 包括CCD图象传感器及外围1C,一 共4颗芯片。

Samsung现只能提供黑白区域型 CCD图象传感器,对于彩色的型号, 金氏表示,他们也有生产,但只供应 给其专造CCD摄录机的姊妹公司,暂 时并不供应给对外的厂商。

但因Samsung公司打算今年增加 其生产力,所以在今年下半年该公司 计划开始大量生产彩色区域型CCD图 象传感器。

该公司的黑白区域型CCD图象传 感器一共有4个型号,其中 KC73125 - BW 及 KC73125 - M 适用 于EIA电视系统,KC73129 - BW及 KC73125 - M适用于CCIR系统,而 BW跟M的分别在于后者具备微透镜 (microlens),令分辨率更佳,当然价 钱亦会高一些。产品皆是三分之一尺 寸,典型分辨率达350电视行,操作 电压为+ 15V及-9V ,以16接脚陶 瓷DIP封装。

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客户不能单独购买CCD图象传感 器,而要整套芯片组购买,价格约为 27至30美元,金氏预计,会因竞争激 烈而降价至25美元左右。Samsung更 会按客户的需要而提供设计电路板的 服务,尽量向客户提供技术上的服务。金氏还表不,Samsung目前生产 的黑白CCD图象传感器大部分都作保 安用途,其中应用在应门电话上最为 普遍。

他估计,他们现时在韩国黑白 CCD图象传感器市场的占有率超过 60%,有关1994年的生产量,他表示 他们每月的总生产量约为5万件,其 中约有2万至3万件是供应给其主客 户Kocom的。在其总生产量中,80% 至90%的产品内销韩国,其余的出口 到欧美国家去,他们并已开始进军亚 洲市场,特别是新加坡、台湾及中国 大陆,不让日本专美。就大陆市场来 说,Samsung目前在上海设有一办事 处,另外还有两个分销商。

由于CCD的发展已成为图象传感 器中的最大市场,不但应用产品相当 广泛,并且与人类的生活息息相关。 未来随着电子取象技术的进展,人类 生活对于影象信息得需求将日益增 加,因此CCD的重要性将更显得突 出,而且令人瞩目。

本文为《国际电子商情》原创,版权所有,谢绝转载


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