CCD图像传感器发展及市场

关键词：CCD图像传感器；市场；预测；数字照像机；

　　1. 引言

　　自从1970年美国贝尔实验室研制成功第一只电荷耦合器件(CCD)以来，依靠业已成熟的MOS集成电路工艺，CCD技术得以迅速发展。CCD图像传感器作为一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。作为摄像器件，与摄像管相比，CCD图像传感器有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态范围宽、光敏元的几何精度高、光谱响应范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁场干扰和可靠性高等一系列优点。其应用领域也极其广泛，涉及到航天、航空、遥感、卫星侦察、天文观测、通讯、交通、机械、钢铁、电子、计算机、机器人视觉、新闻、广播、电影、电视、金融、医疗、出版、印刷、纺织、医学、食品、照相、文教、公安、保卫、家电、旅游等各个领域(见表1)。

　　目前，CCD图像传感器已成为摄录一体机、打印机、传真机、摄像机、数码相机、扫描仪、数字摄像机和多媒体系统的核心部件。

　　在世界已进入信息时代的今天，以数字化、计算机、通讯、电视和多媒体为主要特征的信息革命正在兴起。作为视觉传感器的CCD摄像器件，在光电图像信息获取与处理中起着极其重要的作用。CCD图像传感器的市场十分广阔，前景十分看好。

　　2. CCD图像传感器及数字照像机市场分析与预测[1]～[7]

　　1988年日本《技术市场》期刊把CCD图像传感器列为未来10年可能增益100倍的高技术。据有关专家估计：1987年CCD图像传感器的世界市场规模为16亿美元，到1997年已达50亿美元。

　　日本松下公司对CCD摄像机的市场进行了统计和预测[1][2]：预计到2000年，市场对CCD摄像机的总需求量将达到8825万台，约为1995年总需求量1106.5万台的8倍。

　　据卡西欧计算机公司预测，2000年世界PC机市场将增加到1亿台，若每2台PC机有一台用CCD摄像机作图像输入装置，那么，CCD摄像机仅和PC机相结合就可使CCD摄像机市场量达到5000万台。同时，CCD摄像机能达到140万像元，像质可达到35mm摄像机的水平。2000年CCD摄像机的市场总量将达到7000万台以上[1][2]。

　　采用CCD图像传感器的主要产品有扫描仪、传真机、线阵CCD摄像机、视频摄像机(普通黑白与彩色、广播级、HDTV级)、摄录一体机(黑白、彩色、广播级、HDTV级)和数字照相机(普及型与专业型)等。这些产品在国内外的市场前景均非常好，尤其是家用传真机、摄像机、摄录一体机，现已大量进入家庭，家用CCD数字照相机也将很快步入家庭。

　　2.1 全球CCD图像传感器市场的总销售形势

　　随着高性能CCD图像传感器的推出，市场的总销售额不断上升。据Frost＆sulliva的统计，从1988年到1998年，每年的总销售额增长率大约为10％，到1998年，CCD图像传感器的总销售额已达15.521亿美元。销售额的增长，主要是由于高性能CCD图像传感器用在非一般和非商业方面的机会增多，有关数据见表2。

　　1998年，CCD图像传感器平均价格约为每只23美元，这一价格直到1991年都没有大的变化，其平均价格在23美元至24美元之间。市场人士分析，随着高性能CCD图像传感器使用率的增加，其平均价格将有所上升。

　　CCD图像传感器的市场主要分布在日本、欧洲、北美以及新冒起的韩国和中国***地区。表3列出了世界市场的总销售形势，可供参考。日本是CCD图像传感器的最大市场，1998年总销售额占全球市场的62％。近年因为欧美等地的高性能CCD图像传感器的需求增加，而日本市场则主要以慢慢萎缩的低性能CCD图像传感器为主。因此，日本1995年的销售额降至世界销售额的50％，而1998年的百分比已降至约40％。

　　美国1988年的销售额占CCD图像传感器市场总销售额的29％，1991年上升到30％，1998年，美国的销售额占总销售额的25％，基本保持了世界第二大市场的地位。

　　欧洲的市场总销售额排在第三，1988年占市场销售总额的8.5％，1995年增加到13.5％，1998年升至20％左右，逞上升趋势。

　　2.2 采用CCD图像传感器的数字照相机

　　CCD数字照相机是照相机家族中的新成员，它能把被拍摄景物和图文用CCD图像传感器技术以数字形式而非银盐胶片形式记录下来。因此，它是一种新型的数字式照像机，有人把这类照相机记录的图像称之为“电子像”。

　　数字照相机(Digital Camera)和摄录一体(Camcorder)的基本区别是前者记录的一般是静像，而后者记录的一般是动像。

　　自1990年第一台数字照相机问世以来，数字摄影技术发展迅速，早期美国曾用它通过卫星向地面传送太空照片，以后转为民用，并不断拓宽应用范围，目前已具有逐步占领部分传统光学相机市场的势头。

　　数字照相机的成像质量已经超过常规照相机的像质，另外数字照相机还有许多优点，它不需要胶卷、无须冲洗、无须洗印、重复拍摄和调整不浪费任何胶卷、药水和相纸；影像可无限次复制，不会降低质量，可以方便地、永久地保存，并可用于电子传送和电子处理，因此，它将使摄像技术真正开始一场革命。

　　数字照相机不用胶卷，而是采用光敏CCD或CMOS图像传感器将光信号经过模数转换(A/D转换器)进行数字处理和压缩，最后将图像文件保存在存储器内。图像可以通过计算机显示器或电视屏幕显示，也可以通过彩色打印输出，整个过程无需暗室，操作十分方便。数字照相机可以利用电脑对所拍影像进行数字化加工处理，因此比传统照片快捷、精确、多样、无耗，具有极大的优越性。数字照相机拍摄的照片信息可用计算机实现传输、处理和存贮，很受新闻界、工业界以及普通消费者的欢迎。日本公司的CCD数字照相机的像元在40万左右，价格在20万日元左右或更低。

　　低档数字照相机通常使用40万像元左右的CCD图像传感器，如768×492、572×582的面阵CCD图像传感器，相当于普通CCD摄像机或家庭彩电的分辨率。一个3.5英寸、20M的磁光盘可存储约50张照片。这种相机的售价在300～1200美元左右。

　　中档数字照相机一般采用100万像元以上的CCD图像传感器。如美国柯达公司的DCS－200型相机采用1552×1032 CCD图像传感器芯片，采用800M硬盘，一次可存储50张照片，相当于高清晰度电视(HDTV)的分辨率，其售价在1万美元左右。

　　高档数字照相机一般采用400万像元以上的CCD图像传感器芯片。如有的高档相机采用2048×2048像元的CCD图像传感器，如用3.5英寸128M可读写光盘，可存32张高清晰度照片，若用256M硬盘，一般可存60张照片。高档数字照相机一般售价在4万美元左右。

　　据美国仙童公司预测[18]：美国国内以及美国以外的CCD数字照相机市场发展情况如表4所列。可以预见，CCD数字照相机的市场前景非常广阔。

　　目前CCD数字照相机的主要市场在日本，因为日本生产厂商多，市场接受程度高。欧美市场近来有逐渐升温的迹象。***普丽光电计划在1999年8月正式生产150万像元的CCD数字照相机，最初产量为1万台左右。

　　CCD数字照相机在我国的应用已开始出现。目前主要用在新闻业、旅游业和家用电脑方面。

　　3. CCD的最新状况及发展趋势

　　3.1 国外CCD图像传感器的现状与发展趋势[10][13]

　　CCD图像传感器经过近30年的发展，目前已经成熟并实现了商品化。CCD图像传感器从最初简单的8像元移位寄存器发展至今，已具有数百万至上千万像元。由于CCD图像传感器具有很大的潜在市场和广阔的应用前景，因此，近年来国际上在这方面的研究工作进行得相当活跃，美国、日本、英国、荷兰、德国、加拿大、俄罗斯、南韩等国家均投入了大量的人力、物力和财力，并在CCD图像传感器的研究和应用方面取得了令人瞩目的成果。美国和日本的器件和整机系统已进入了商品化阶段。

　　从1993年德州仪器公司报道1024×1024像元虚相CCD开始，目前CCD像元数已从100万像元提高到2000万像元以上。福特空间公司还推出了2048×2048、4096×4096像元帧转移CCD。在摄像机方面，日电公司制成了4096×5200像元的超高分辨率CCD数字摄像机，分辨率高达1000×1000条TV线。加拿大达尔萨(Dalsa)公司报道了5120×5120像元帧转移CCD。荷兰菲利浦成像技术公司研制成功了7000×9000像元CCD。1997年美国EG＆G·Retion研制出6144×6144、8192×8192像元高分辨率CCD图像传感器。亚利桑那大学报道了9126×9126像元CCD，1999年欧洲南部天文开发成功8184×8196像元多光谱、宽视场CCD摄像器件，并计划在2001年开发出16000×16000像元的CCD。1998年日本采用拼接技术开发成功了16384×12288像元即(4096×3072)×4像元的CCD图像传感器。目前美国、日本、德国和法国的部分公司已开发出长线阵和大面阵可见光CCD图像传感器，其主要技术指标如表5所列。另外，法国、美国和日本的部分公司还研制出具有多针相模式工作的CCD(即MPP－CCD)图像传感器，其发展状况如表6所列。表5和表6所列的CCD图像传感器均为目前最新的摄像器件。

　　从近几年的发展趋势看，CCD图像传感器像元数的竞争实际上等于像元尺寸缩小的竞争。比如：1998年日本松下电器产业开发出微型CCD图像传感器，其芯片尺寸为1.1mm×1.34mm，组装后的尺寸小至1.2mm×1.5mm。这一小型CCD技术可广泛用于视频摄像机以外的领域，其市场规模为：1997年视频摄像机用1000万个，PC用300万个，PDA用100万个，数字静物摄像机用200万个，监视用100万个，其它用240万个，预计到2005年，视频摄像机用1500万个，PC用2500万个，PDA用5000万个，数字静物摄像机用1200万个，监视用700万个，其他用2400万个。

　　CCD传感器在视频影像机以外的应用显著增多，其主要原因是器件超小型之故。以前封装的整体外形尺寸较大，而通过将芯片焊接在柔软的带上实现了小型化。其像元尺寸为4μm×4μm，也比原来有大幅度减小。总像元数为231(H)×217(V)，分辨率为水平200TV线，垂直160TV线(都是理论值)，功耗5mW。因此，对CCD图像传感器来讲，其像元数的竞争实际上是像元尺寸缩小的竞争。

　　CCD是目前技术最成熟，应用最广泛的图像传感器。自80年代中期实现40万以下像元CCD的规模生产后，目前CCD已转向大面阵、小像元、紫外光谱响应方面，以便能适应数字照相机、数字摄像机、扫描仪以及其它科学领域的需要。

　　在科学应用领域，1024×1024像元以上大面阵CCD图像传感器大量用于太空探测、地质、医学、生物科学以及遥感、遥测、低空侦察等。泰克公司和喷气推进实验室的2048×2048像元面阵CCD最早用于新一代哈勃太空望远镜摄谱仪和固定天文观测站。美国Recon光学公司开发的5040×5040像元CCD摄像机能在一万米高空进行拍摄试验，空间分辨率达1.57英寸。继美国轨道公司和加拿大达尔莎传感器公司1994年研制成功单片集成5120×5120像元CCD后，荷兰菲利浦光电子中心在6英寸晶片上研制出9000×7000像元CCD阵列，最近美国亚利那大学研制的CCD芯片，分辨率已达9126×9126的空前高度。CCD的成本高低与像元大小和大面阵有关，目前最小像元尺寸为3.24μm×3.275μm，38万像元阵列正趋向于1/6英寸以下芯片尺寸。X射线CCD以非晶硅材料为主，可见光至紫外区扩展光谱则以普通CCD背面减薄技术为主。

　　为了开发单片式低成本摄像机，目前的CCD传感器的研究重点也更多地转向互补金属氧化物半导体(CMOS)有源像素图像传感器(APS)[10][11]方面，这种器件在21世纪将成为数字照相机、摄像机和高清晰度电视(HDTV)的关键器件。CMOS－APS的最大优点是在工作中勿需电荷逐级转移，回避了影响CCD性能的主要参数—电荷转换效率（CTE)。90年代初，美国的洛克威尔公司、得克萨斯仪器公司、喷气推进实验室/加洲理工学院(JPL/Caltech)及日本的东芝、奥林巴斯、佳能等公司均开发了多种APS的基本结构。目前最成熟的有CMOS－APS和电荷调制器件(CMD)[11][15]。APS的另一突出优点是无需CCD那样高的驱动电压，能使各种信号处理电路与摄像器件实现单片集成，这是未来相机小型化、低成本、低功耗的关键。目前成像阵列已取得突破性进展，1996年德州仪器的体电荷调制器件(BCMD)图像传感器阵列达到687(H)×499(V)像素，奥林巴斯光学公司的CMD图像传感器达2048(H)×2048(V)像素。其后，贝尔实验室、MIT、JPL、Photobit等相继报道了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，由三个晶体管和一个光电二极管构成。现在把时钟电路、A/D转换器，输出放大器等与传感器阵列集成在一个单片衬底上的研究也在同时进行之中。

　　3.2 国内研制水平及状况

　　国内CCD图像传感器的研制工作也在稳步地进行。目前第一代普通线阵CCD图像传感器(光敏元为MOS结构)和第二代对蓝光响应特性好的(光敏元为光电二极管阵列)CCPD均已形成128、256、512、1024、1728、2048、2500像元的系列产品，在实验室已做出了3456、4096像元的CCPD样品；面阵CCD图像传感器已研制出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。在实验室已研制出了1024×1024，2048×2048像元的器件，基本上形成了系列化产品。随着器件性能的改进，CCD摄像机也将得到迅速发展。

　　除可见光CCD图像传感器外，国内目前还研制出了线阵64、128、256、1024像元和面阵32×64、128×128、256×256像元硅化铂肖特基势垒红外CCD(Ptsi桽BIR CCD)。目前国内正在研制和开发的CCD有：512×512像元X射线CCD、512×512像元光纤面板耦合CCD像敏器件、512×512像元帧转移可见光CCD、1024×1024像元紫外CCD、1024像元X射线CCD、 512×512像元PtSi桽BIR CCD、微光CCD和多光谱红外CCD等。但由于受经费、设备等因素影响，国内CCD图像传感器的研究进展尚不够迅速，目前还没有生产能力，与国际先进水平相比差距很大。就CCD的应用潜力而言，也最多不过发挥了1％左右。据悉，信息产业部下属研究所目前已从美国和俄罗斯引进可见光和红外CCD芯片生产线并开展试验工作，这将大大促进我国CCD芯片的产业化进程。

　　3.3 国内CCD图像传感器的市场分析与预测

　　目前我国尚未形成规模化的CCD图像传感器产业，因而缺乏行业的统计资料。在综合了有关资料数据后认为：2000年我国市场的总需求约为1008.14万台，大约占全球市场需求量8825万台的11.4％、将比1995年增长约6.5倍。

　　随着我国经济建设的高速增长以及国民经济信息化进程的加快，我国存在着应用CCD图像传感器的巨大市场。根据民用、产业用的需要、建议优先选择的CCD图像传感器芯片类型如表7所列。

　　在CCD图像传感器的生产中，需采用超净，光刻、高能离子注入微细加工技术。预计世界市场2000年CCD相机达1500万台。国内市场目前处于启动阶段。总产量仅数万台，预计2000年后国内CCD摄像机市场将达数百万台。

　　由于受工艺设备和工艺技术的限制，到目前为止，国内CCD图像传感器还未形成批量生产能力，国内市场上所见到的CCD摄像机和数字照相机以及数字摄录机目前尚需进口。

　　4.结论

　　可见光CCD图像传感器已经发展成熟，以后主要是应用开发。与此同时，其性能将进一步改善，结构更简单，可以预见，CCD图像传感器将在我国航天、遥感、天文、工业、农业、商业、医学、交通、通讯等领域得到更广泛的应用。