CCD圖像傳感器的市場與發展

1. 引言

    隨著微電子技術的發展，CCD圖像傳感器的產量不斷增加，應用領域不斷擴展。本文對CCD圖像傳感器的市場情況進行了分析與預測。對影響CCD傳感器市場未來發展具有重要作用的數字照像機的市場情況作了專門的介紹，并在充分描述了CCD圖像傳感器市場情況的基礎上，對目前國內外CCD圖像傳感器的發展趨勢作了初步探索。

　　自從1970年美國貝爾實驗室研制成功第一只電荷耦合器件(CCD)以來，依靠業已成熟的MOS集成電路工藝，CCD技術得以迅速發展。CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉換器現已被廣泛應用于攝像、圖像采集、掃描儀以及工業測量等領域。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、動態范圍寬、光敏元的幾何精度高、光譜響應范圍寬、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點。其應用領域也極其廣泛，涉及到航天、航空、遙感、衛星偵察、天文觀測、通訊、交通、機械、鋼鐵、電子、計算機、機器人視覺、新聞、廣播、電影、電視、金融、醫療、出版、印刷、紡織、醫學、食品、照相、文教、公安、保衛、家電、旅游等各個領域(見表1)。
                                                     

目前，CCD圖像傳感器已成為攝錄一體機、打印機、傳真機、攝像機、數碼相機、掃描儀、數字攝像機和多媒體系統的核心部件。

　　在世界已進入信息時代的今天，以數字化、計算機、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圖像傳感器及數字照像機市場分析與預測

　　1988年日本《技術市場》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。據有關專家估計：1987年CCD圖像傳感器的世界市場規模為16億美元，到1997年已達50億美元。
　　日本松下公司對CCD攝像機的市場進行了統計和預測：預計到2000年，市場對CCD攝像機的總需求量將達到8825萬臺，約為1995年總需求量1106.5萬臺的8倍。
　　據卡西歐計算機公司預測，2000年世界PC機市場將增加到1億臺，若每2臺PC機有一臺用CCD攝像機作圖像輸入裝置，那么，CCD攝像機僅和PC機相結合就可使CCD攝像機市場量達到5000萬臺。同時，CCD攝像機能達到140萬像元，像質可達到35mm攝像機的水平。2000年CCD攝像機的市場總量將達到7000萬臺以上。
                                                                  

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

　　2.1 全球CCD圖像傳感器市場的總銷售形勢
　　
　　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Frost＆sulliva的統計，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方面的機會增多，有關數據見表2。
                                                                
1998年，CCD圖像傳感器平均價格約為每只23美元，這一價格直到1991年都沒有大的變化，其平均價格在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臺灣地區。表3列出了世界市場的總銷售形勢，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％。近年因為歐美等地的高性能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。

　　2.2 采用CCD圖像傳感器的數字照相機
　　
　　CCD數字照相機是照相機家族中的新成員，它能把被拍攝景物和圖文用CCD圖像傳感器技術以數字形式而非銀鹽膠片形式記錄下來。因此，它是一種新型的數字式照像機，有人把這類照相機記錄的圖像稱之為“電子像”。
　　
　　數字照相機(Digital Camera)和攝錄一體(Camcorder)的基本區別是前者記錄的一般是靜像，而后者記錄的一般是動像。
　　
　　自1990年第一臺數字照相機問世以來，數字攝影技術發展迅速，早期美國曾用它通過衛星向地面傳送太空照片，以后轉為民用，并不斷拓寬應用范圍，目前已具有逐步占領部分傳統光學相機市場的勢頭。
　　
　　數字照相機的成像質量已經超過常規照相機的像質，另外數字照相機還有許多優點，它不需要膠卷、無須沖洗、無須洗印、重復拍攝和調整不浪費任何膠卷、藥水和相紙；影像可無限次復制，不會降低質量，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，它將使攝像技術真正開始一場革命。
　　
　　數字照相機不用膠卷，而是采用光敏CCD或CMOS圖像傳感器將光信號經過模數轉換(A/D轉換器)進行數字處理和壓縮，最后將圖像文件保存在存儲器內。圖像可以通過計算機顯示器或電視屏幕顯示，也可以通過彩色打印輸出，整個過程無需暗室，操作十分方便。數字照相機可以利用電腦對所拍影像進行數字化加工處理，因此比傳統照片快捷、精確、多樣、無耗，具有極大的優越性。數字照相機拍攝的照片信息可用計算機實現傳輸、處理和存貯，很受新聞界、工業界以及普通消費者的歡迎。日本公司的CCD數字照相機的像元在40萬左右，價格在20萬日元左右或更低。
　　
　　低檔數字照相機通常使用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，相當于普通CCD攝像機或家庭彩電的分辨率。一個3.5英寸、20M的磁光盤可存儲約50張照片。這種相機的售價在300～1200美元左右。
　　                                                      
　　中檔數字照相機一般采用100萬像元以上的CCD圖像傳感器。如美國柯達公司的DCS－200型相機采用1552×1032 CCD圖像傳感器芯片，采用800M硬盤，一次可存儲50張照片，相當于高清晰度電視(HDTV)的分辨率，其售價在1萬美元左右。
　　
　　高檔數字照相機一般采用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。高檔數字照相機一般售價在4萬美元左右。

據美國仙童公司預測[18]：美國國內以及美國以外的CCD數字照相機市場發展情況如表4所列。可以預見，CCD數字照相機的市場前景非常廣闊。
　　
　　目前CCD數字照相機的主要市場在日本，因為日本生產廠商多，市場接受程度高。歐美市場近來有逐漸升溫的跡象。臺灣普麗光電計劃在1999年8月正式生產150萬像元的CCD數字照相機，最初產量為1萬臺左右。
　　
　　CCD數字照相機在我國的應用已開始出現。目前主要用在新聞業、旅游業和家用電腦方面。


　　3. CCD的最新狀況及發展趨勢


　　3.1 國外CCD圖像傳感器的現狀與發展趨勢

　　CCD圖像傳感器經過近30年的發展，目前已經成熟并實現了商品化。CCD圖像傳感器從最初簡單的8像元移位寄存器發展至今，已具有數百萬至上千萬像元。由于CCD圖像傳感器具有很大的潛在市場和廣闊的應用前景，因此，近年來國際上在這方面的研究工作進行得相當活躍，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、物力和財力，并在CCD圖像傳感器的研究和應用方面取得了令人矚目的成果。美國和日本的器件和整機系統已進入了商品化階段。
　　
　　從1993年德州儀器公司報道1024×1024像元虛相CCD開始，目前CCD像元數已從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像元幀轉移CCD。在攝像機方面，日電公司制成了4096×5200像元的超高分辨率CCD數字攝像機，分辨率高達1000×1000條TV線。加拿大達爾薩(Dalsa)公司報道了5120×5120像元幀轉移CCD。荷蘭菲利浦成像技術公司研制成功了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。亞利桑那大學報道了9126×9126像元CCD，1999年歐洲南部天文開發成功8184×8196像元多光譜、寬視場CCD攝像器件，并計劃在2001年開發出16000×16000像元的CCD。1998年日本采用拼接技術開發成功了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出長線陣和大面陣可見光CCD圖像傳感器，其主要技術指標如表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，其發展狀況如表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。
                                                                 

                                                                    
從近幾年的發展趨勢看，CCD圖像傳感器像元數的競爭實際上等于像元尺寸縮小的競爭。比如：1998年日本松下電器產業開發出微型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技術可廣泛用于視頻攝像機以外的領域，其市場規模為：1997年視頻攝像機用1000萬個，PC用300萬個，PDA用100萬個，數字靜物攝像機用200萬個，監視用100萬個，其它用240萬個，預計到2005年，視頻攝像機用1500萬個，PC用2500萬個，PDA用5000萬個，數字靜物攝像機用1200萬個，監視用700萬個，其他用2400萬個。
　　
　　CCD傳感器在視頻影像機以外的應用顯著增多，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現了小型化。其像元尺寸為4μm×4μm，也比原來有大幅度減小。總像元數為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CCD圖像傳感器來講，其像元數的競爭實際上是像元尺寸縮小的競爭。
　　
　　CCD是目前技術最成熟，應用最廣泛的圖像傳感器。自80年代中期實現40萬以下像元CCD的規模生產后，目前CCD已轉向大面陣、小像元、紫外光譜響應方面，以便能適應數字照相機、數字攝像機、掃描儀以及其它科學領域的需要。
　　
　　在科學應用領域，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、醫學、生物科學以及遙感、遙測、低空偵察等。泰克公司和噴氣推進實驗室的2048×2048像元面陣CCD最早用于新一代哈勃太空望遠鏡攝譜儀和固定天文觀測站。美國Recon光學公司開發的5040×5040像元CCD攝像機能在一萬米高空進行拍攝試驗，空間分辨率達1.57英寸。繼美國軌道公司和加拿大達爾莎傳感器公司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研制的CCD芯片，分辨率已達9126×9126的空前高度。CCD的成本高低與像元大小和大面陣有關，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，可見光至紫外區擴展光譜則以普通CCD背面減薄技術為主。
　　
　　為了開發單片式低成本攝像機，目前的CCD傳感器的研究重點也更多地轉向互補金屬氧化物半導體(CMOS)有源像素圖像傳感器(APS)[10][11]方面，這種器件在21世紀將成為數字照相機、攝像機和高清晰度電視(HDTV)的關鍵器件。CMOS－APS的最大優點是在工作中勿需電荷逐級轉移，回避了影響CCD性能的主要參數—電荷轉換效率（CTE)。90年代初，美國的洛克威爾公司、得克薩斯儀器公司、噴氣推進實驗室/加洲理工學院(JPL/Caltech)及日本的東芝、奧林巴斯、佳能等公司均開發了多種APS的基本結構。目前最成熟的有CMOS－APS和電荷調制器件(CMD)[11][15]。APS的另一突出優點是無需CCD那樣高的驅動電壓，能使各種信號處理電路與攝像器件實現單片集成，這是未來相機小型化、低成本、低功耗的關鍵。目前成像陣列已取得突破性進展，1996年德州儀器的體電荷調制器件(BCMD)圖像傳感器陣列達到687(H)×499(V)像素，奧林巴斯光學公司的CMD圖像傳感器達2048(H)×2048(V)像素。其后，貝爾實驗室、MIT、JPL、Photobit等相繼報道了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，由三個晶體管和一個光電二極管構成。現在把時鐘電路、A/D轉換器，輸出放大器等與傳感器陣列集成在一個單片襯底上的研究也在同時進行之中。

　　3.2 國內研制水平及狀況
　　
　　國內CCD圖像傳感器的研制工作也在穩步地進行。目前第一代普通線陣CCD圖像傳感器(光敏元為MOS結構)和第二代對藍光響應特性好的(光敏元為光電二極管陣列)CCPD均已形成128、256、512、1024、1728、2048、2500像元的系列產品，在實驗室已做出了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。在實驗室已研制出了1024×1024，2048×2048像元的器件，基本上形成了系列化產品。隨著器件性能的改進，CCD攝像機也將得到迅速發展。
　　除可見光CCD圖像傳感器外，國內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壘紅外CCD(Ptsi桽BIR CCD)。目前國內正在研制和開發的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。但由于受經費、設備等因素影響，國內CCD圖像傳感器的研究進展尚不夠迅速，目前還沒有生產能力，與國際先進水平相比差距很大。就CCD的應用潛力而言，也最多不過發揮了1％左右。據悉，信息產業部下屬研究所目前已從美國和俄羅斯引進可見光和紅外CCD芯片生產線并開展試驗工作，這將大大促進我國CCD芯片的產業化進程。

　　3.3 國內CCD圖像傳感器的市場分析與預測
　　
　　目前我國尚未形成規模化的CCD圖像傳感器產業，因而缺乏行業的統計資料。在綜合了有關資料數據后認為：2000年我國市場的總需求約為1008.14萬臺，大約占全球市場需求量8825萬臺的11.4％、將比1995年增長約6.5倍。
　　隨著我國經濟建設的高速增長以及國民經濟信息化進程的加快，我國存在著應用CCD圖像傳感器的巨大市場。根據民用、產業用的需要、建議優先選擇的CCD圖像傳感器芯片類型如表7所列。
                                                                     

在CCD圖像傳感器的生產中，需采用超凈，光刻、高能離子注入微細加工技術。預計世界市場2000年CCD相機達1500萬臺。國內市場目前處于啟動階段。總產量僅數萬臺，預計2000年后國內CCD攝像機市場將達數百萬臺。
　　由于受工藝設備和工藝技術的限制，到目前為止，國內CCD圖像傳感器還未形成批量生產能力，國內市場上所見到的CCD攝像機和數字照相機以及數字攝錄機目前尚需進口。


　　4.結論
　　可見光CCD圖像傳感器已經發展成熟，以后主要是應用開發。與此同時，其性能將進一步改善，結構更簡單，可以預見，CCD圖像傳感器將在我國航天、遙感、天文、工業、農業、商業、醫學、交通、通訊等領域得到更廣泛的應用。