随着影音多媒体的盛行，影像数字化已渐渐成为趋势。数字相机、数字摄影机等产品的推出，代表着影像数字化时代的来临。上述产品中，重要的关键零组件就是面型影像传感器。CCD长期为日商所掌控，其特殊制程之关键技术为日方重要资产，也是日本视讯产业之重要基础之一。台湾厂商无法切入进入障碍较高的CCD产业，选择日本较少着力CMOS影像感测组件，近年来台湾CMOS影像感测组件产业已经逐渐成形。以下将针对面型影像感测组件的现况作一介绍，并探讨产品发展趋势。
制程与设备是CMOS与CCD最大的差异
　　CMOS影像传感器与CCD最大的不同，在于所使用的制程及设备。由于CCD的讯号须一行一行的读出，离输出放大器较远的画素，电荷必须经过多次的传递才能被读出，因此在制作CCD时，必须使每个画素都完美无缺，否则某一列的讯号便无法完整读出；另外，每次电荷传递必须非常干净，即电荷传递效率要非常高，否则因电荷的屯积而造成影像污点。因此CCD虽然是以硅芯片为材料，但必须发展特殊的制程技术，以确保高画素的良率及高电荷传输效率，所以CCD的制造需累积相当的经验，制造商也必须各自发展其特有的制程技术，因而形成市场由少数厂商所垄断的局面。
　　CMOS影像传感器的制作，使用一般的半导体制程技术与设备即可，开发CMOS影像传感器的厂商，不必自备昂贵的半导体制程设备，只需将CMOS线路设计好，请半导体厂代工即可，在开发及制造成本上很具竞争力。除了在开发及制造成本上具竞争力外，CMOS还有以下的优点：
系统整合性佳
　　由于CMOS影像传感器，是使用标准的半导体制程制作，因此可将传感器所需的周边电路(如timing、control、multiplexer、A/D转换、影像压缩、计算机接口等)，一起制作在一片硅芯片上，甚至可将相机所有的电路，整合在单一个芯片上，制成所谓的「单芯片相机(Camera on a chip)」，不但可降低系统的成本及组装所需的时间，亦可缩小系统的体积及复杂度。
低消耗功率
　　CCD画素为MOS电容构成的，读取电荷讯号时需要使用电压相当大(5~15V)的时序(clock)信号，才能有效地达到电荷传递的功能，因此使用CCD的取像系统，除了要有多个电源外，CCD的周边电路也会消耗相当大的功率。CMOS传感器则只需要单一个5V(或3.3V)电源，能大幅提高电源的使用效率。典型的CCD取像系统须消耗2~5W的功率，而有些使用CMOS的取像系统则只须消耗20~50mW的功率。
区域读取的灵活性
　　CMOS影像传感器各画素感光所产生电荷后，随即由画素上的放大器转换成电压的讯号，此讯号可用行、列式的电极读出，因此可以选择随机读取传感器上任何区域的讯号，可增加取像的灵活性。CCD影像传感器则无此功能。
Anti-blooming
　　CCD的blooming是指某个画素受到强光照射时，因电位井内积存的电荷饱和而扩散到邻近画素的现象，CMOS影像传感器画素之间各自独立，不会发生blooming的现象。
高frame rate
　　CMOS传感器的行、列电极可以被高速地驱动，加上在同一芯片上做A/D转换，影像讯号可以快速地取出，因此可在相当高的frame rate下?#092;作，有些设计用来做机器视觉应用的CMOS，声称高达每秒1000个画面的frame rate。
智能型画素
　　Active Pixel CMOS画素上的电路除了基本的讯号转换及放大功能外，还可以将一些简单的影像处理功能如边缘辨识(edge detection)、移动侦测(motion detection)等做在电路里，构成所谓的智能型画素，可简化系统结构及增加信号处理的速度。
　　跟CCD比起来，CMOS的主要缺点为噪声高及灵敏度低，噪声的问题可用Active pixel设计及噪声补正线路加以降低，已有厂商声称所开发出来的技术，影像品?#124;已不比CCD差；灵敏度低是因为画素部份面积，须被用来制作放大器的线路，在固定的芯片面积上，除非采用更精细的制程技术，否则为了维持相当水平的灵敏度，传感器分辨率不能做得太高(反过来说，固定分辨率的传感器，芯片尺寸无法做得太小)，因此在超高分辨率(数百万画素以上)及高灵敏度方面的应用，CCD仍将是较佳的选择。表1为CCD与CMOS的特性比较。
产品现况与趋势分析
　　数字相机推动商用CCD技术发展
　　CCD的发展已有30年的历史，可说是相当成熟的产品，其技术的演进已过了突飞猛进期，目前技术的发展主要在于如何缩小传感器面积、降低生产成本及提高商业用CCD的性能。
CCD的主流应用正逐渐从模拟摄影机、安全监控摄影机等，演进到数字多媒体应用，如数字摄影机(Digital Video Camcorder)、数字相机(Digital Still Camera, DSC)等，这些新的应用领域对CCD的性能要求提升，尤其是在数字相机上的应用，更是要求高画?#124;(高分辨率、色彩逼真)、快速取像、低消耗电力及轻薄短小，使DSC的应用成为商用CCD技术发展的原动力。
　　高精细化走入消费性市场
　　早期的数字相机分辨率，大都在25万到40万之间，只适于用来作为计算机影像输入的装置，无法取代传统的傻瓜相机，因为打印出来的照片尺寸太小，一般认为数字相机要走入消费性市场，其分辨率至少要在数百万画素以上。由于看好数字相机在消费性市场的潜力，日本三大主要面型CCD制造商Sony、Sharp及Matsushita均采用次微米制程夹g，推出低价位的百万画素(Megapixel)级产品。
小型化并整合周边电路
　　可携式数字相机讲求的是轻、薄、短、小，因此CCD亦往小尺寸发展，中、低分辨率CCD尺寸从90年代初期的2/3"发展到目前1/4"(甚至于1/5")已是很平常的规格，而百万画素级的CCD目前也已经能够做到1/3"的大小。相信随着半导体制程技术的进步，未来商用CCD的尺寸将继续朝1/8"甚至于1/10"发展。
CCD摄影机小型化另外一个有趣的发展，是将CCD芯片与周边电路整合，松下电子利用Multichip Module的技术，将CCD芯片与周边电路的芯片整合在一块基板上，构成所谓「近似」单芯片摄影机，希望与CMOS的单芯片摄影机相抗衡。
　　方正画素与逐行扫描
　　模拟式摄录像机所用的CCD为了配合NTSC/PAL的4：3 长宽比及隔行扫描(interlace)信号格式，画素长宽比亦为4：3，且信号读取亦采隔行读取的方式，数字相机专用的CCD则强调方正画素及逐行扫描(progressive scan)，方正画素可以减少信号处理所需的时间，而逐行扫描则可提升取像的速度。
以三原色滤光片提升色彩再现性
　　配合电视使用的CCD摄录像机，所用的彩色滤光片多为补色型滤光薄膜，因色彩纯度差，拍摄出来的影像色彩饱和度不高。新发展的CCD改用红、绿、蓝三原色彩色滤光片，可提升影像的色彩再现性。2001年5月CANON推出IXY DIGITAL 200所采用的211万画素CCD，就是采用原色CCD。
CIF与VGA为CMOS sensor主力
　　目前CMOS影像传感器的主力产品多集中于CIF与VGA等级的产品。CIF等级的CMOS影像传感器大小，由2000年的1/3'至1/4"渐渐转至1/4"到1/5"；1/7"的CIF等级CMOS影像传感器多应用于手机上，且出货多集中于SHARP与TOSHIBA两家厂商。1/7"的CIF等级CMOS影像传感器的耗电量已降至30mW以下，符合手机等可携式产品低耗电的要求。
　　VGA等级的CMOS影像传感器大小，由2000年的1/3"至1/4"渐渐转至1/4"。Conexant采用0.18μm制程做出业界最小的1/5"。CMOS影像传感器的主要应用之一PC camera，过去CIF和VGA都具一定的比例，现在VGA等级则占了绝大部分，主因是VGA价格颇具竞争力。VGA等级CMOS影像传感器的耗电量由过去的300mW降至100mW左右。2002年初日商计划将以VGA等级的CMOS影像传感器，取代现有的CIF等级的CMOS影像传感器。
　　CMOS影像传感器在VGA等级以上的画?#124;表现，一直不如CCD来得优异。随着CCD不断地往高画素发展，CMOS影像传感器则计划以价格取代低阶CCD的市场。原本台湾数字相机业者打算在2001年上半年以1.3M的CMOS影像传感器切入百万画素数字相机的市场，却因为1.3MCMOS影像传感器的良率只有两成，无法交货；延至2001年下半年才开始出货。2002年将是百万画素CCD与CMOS影像传感器决裂点。
　　至于在更高画素的部分，除了有Y Media的317万画素及Photobit的4百万画素CMOS影像传感器，早在2000年9月Foveon就推出了1680万画素的CMOS影像传感器；不过都仅止于开发试产的阶段。
　　CIF等级以下的CMOS影像传感器的应用市场较小，例如手表型数字相机之类的利基市场。CIF等级以下的CMOS影像传感器所依赖的就是较CIF等级更小的体积与耗电；QCIF等级CMOS影像传感器的耗电量目前在25mW左右。随着CIF和VGA等级在体积与耗电愈来愈小的趋势下，CIF等级以下的产品将会随时间淡出市场。
低耗电与积体化为未来技术重点
　　为了配合CMOS影像传感器在可携式产品市场的发展，低耗电与积体化的要求仍为未来技术发展的重点。CMOS影像传感器在VGA的等级，耗电量已经往100mW以下发展；CIF等级往40mW以下、QCIF等级往25mW以下突破。低工作电压是CMOS影像传感器另一优点，目前已有厂商开发出2.8V。针对百万画素以上的应用市场，降低噪声与提高感度则是必须加以考虑的地方，如此才能面对CCD的竞争。结合感光与影像处理或辨识的功能，使CMOS影像传感器成为高附加价值的智能型传感器，应用在一些较特殊的用途上，如机器视觉、指纹辨识、动态检测、交互式玩具等，与CCD市场做一区隔(图1)。
　　影像传感器市场持续成长
　　面型CCD 2001年成长19.6%
　　根据电波新闻的数据，2001年全球CCD影像传感器市场量是55000千个，比2000年的46000千个成长了19.6%，未来市场将持续稳定成长。其中高、中分辨率CCD需求量将因为数字摄录像机及数字相机的普及而大幅成长，复合年成长率超过两成；低分辨率CCD的市场则由于CMOS影像传感器的兴起，逐年衰退(图2)。
CCD长期以来，一直是摄影机、数字相机、监视器等影像产品的主要影像感测组件。主要原因，一是因为CCD制程技术成熟，二是CCD提供了优异的影像品?#124;。但对于一些新兴产品，如计算机相机（PC Camera）、行动电话（Mobile phone）等，CCD无法满足在电源消耗、体积等条件的要求，因此CCD在此类市场掌握度较低。
SONY仍是市场占有率最大的厂商，根据PIDA的资料，SONY在2001年的市场占有率为5成，其次为MATSUSHITA和SHARP各占2成，接着是FUJIFILM MICRO DEVICE、SANYO和其它厂商。
　　CMOS sensor 2001年成长70%
到目前为止，CMOS影像传感器仍属新兴的光电产品，市场不大但成长率却相当惊人。根据Techno Systems Research Co., Ltd.的数据，2001年全球CMOS影像传感器市场量是36626千个，比2000年的21493千个成长了70%，未来二、三年内由于应用领域扩大，市场将持续高度成长，估计到2005年市场量是205146千个(图3)。
　　由于生产CMOS影像传感器的厂商日益增多，且面临CCD的降价竞争，价格战无法避免。2001年下半年因为Hynix将数以百万的库存释出，价格再次探底。VGA等级CMOS影像传感器的市场价格从年初的5.5美元，降到4.5至3.5美元；CIF等级CMOS影像传感器的市场价格从年初的4.5美元，降到3美元以下。1.3M等级CMOS影像传感器在2001年底才开始供货，价格约在12美元；而CCD在2001年报价早已跌破10美元。2002年1.3M等级CMOS影像传感器正式与百万画素CCD交战，未来利润将快速萎缩。
Agilent仍是市场占有率最大的厂商，根据Techno Systems Research Co., Ltd.的资料，Agilent在市场占有率为24%，其次为ST和Omnivision各占16%，接着是Photobit的13%和Hynix的12%，台湾的泰视科技与宜霖科技各占6%及3%(图4)。
　　CCD、CMOS竞逐各应用市场
　　目前已商业化的CMOS影像传感器，所撷取的影像虽然品?#124;不是很好(噪声大、分辨率低、动态范围小)，但由于制作简单、价格低廉，因此大都被用在影像品?#124;要求不高，但具成本压力的产品上，例如PC camera、玩具等。未来CMOS在此类应用的市场继续成长，并拓展新的应用。
根据Techno Systems Research Co., Ltd.的数据显示，PC camera是CMOS影像传感器主要的应用市场，占了36%。由此可看出近年来CMOS影像传感器市场快速成长，PC camera市场的兴起是主要原因之一。其次DSC、PHS及TOY也是主要应用之一(图5)。而2000年CCD的市场分布中，DSC是主要的应用市场，占了4成；其次是Camcorder，占了35%；接着是Security Camera，占了2成(图6)。
　　PC Camera着重低成本
　　近年来由于多媒体计算机及因特网的蓬勃发展，PC Camera多媒体应用纷纷兴起，此类应用对影像品?#124;的要求不是很高，但却必须是低成本，这些要求正好与CMOS的特性相符。PC camera目前有将近9成的比例都使用CMOS影像传感器，未来CMOS影像传感器在PC camera的应用上完全取代CCD的可能性相当大。2001年PC CAMERA市场的表现并不如预期理想，未来市场是否如预估的乐观，有待观察。
数字相机/摄影机要求高影像品?#124;
　　由于数字相机及摄影机应用市场相当庞大，因此吸引不少厂商投入开发高画素的CMOS影像传感器，目前已有Motorola等厂商开发出1.3Mega pixel数字相机等级的传感器。但是数字相机及摄影机的应用，对影像品?#124;要求较高。以目前百万画素以上的CCD与CMOS影像传感器做比较，CCD的画?#124;仍优于CMOS影像传感器，CMOS影像传感器的影像品?#124;无法满足此类应用的需求。目前百万画素以上的高阶产品仍是CCD传感器的天下，未来CMOS影像传感器想要在百万画素数字相机与数字摄影机市场取代CCD，首先必须在画?#124;上有所突破。
不过未来两年内，随着数字相机画素不断地向上发展，百万画素数字相机可能取代目前VGA等级的数字相机，1.3 Mega Pixel的CMOS传感器将随之成为主流。1.3 Mega Pixel CMOS传感器可做成Dual Mode产品，同时具备DSC和PC Camera的功能，增加附加价值。不过，CMOS传感器若要继续维持成本优势，业者就必须正视CCD传感器逐渐降价的事实，并做出适当的响应，否则在百万画像素以上产品，与CCD传感器抗衡将略显疲态。目前CMOS传感器制程向下推进、加上后段IC的整合度提高，未来仍相当具有降价空间。
　　Security Camera不再为CCD独占
　　Security Camera的应用市场占面型影像传感器市场值1成至2成之间，2000年7成以上的Security Camera仍使用CCD作为影像传感器。近年来CMOS影像传感器开始打入这个长久以来为CCD独占的市场，主要是偏向一些低价的家用Security Camera；工业用或是商业用的Security Camera还是以CCD为主。CCD在感度方面的表现仍较CMOS影像感测鲀灏悺MOS影像传感器的影像处理或辨识功能，则是未来发展的利基。预估在2005年CMOS影像传感器占Security Camera应用市场的6成以上。
　　CMOS成为互动玩具的眼睛
　　玩具市场是许多厂商认为最具潜力的市场，近年来交互式玩具渐渐形成风潮，CMOS影像传感器将成为交互式玩具的「眼睛」，吸引更多消费者的购买意愿。SONY于2001年11月8日发表了机器宠物「AIBO」的新款式「ERS-220」。其主要的特点是：用户可以一边看着AIBO配备的相机拍摄到的画像，一边进行遥控操作。ERS-220定位于高阶机种，可活动的关节为16个，配备64位RISC处理器、10万像素CMOS影像传感器等。价格为18万日元，11月23日面市。
　　CMOS符合手机低耗电、小体积之需求
　　CMOS传感器具备价格优势，加上耗电量低，因此有意藉此打开手持式产品的厂商众多。目前有些厂商已推出CMOS传感器加上镜头与后端IC设计的配套方案，面对手持式产品市场，可说人人有信心、个个没把握，只要抢先推出低耗电CMOS传感器，就掌握致胜的关键。
　　CMOS影像传感器未来在手机市场之应用，是大家关注的焦点。受全球经济衰退的影响，CMOS影像传感器之全球手机应用市场成长的时点有可能延至2003年底以后。诺基亚仍持续看好电信市场后势，预估全球3G市场将于2003年底开始大幅成长。虽然国际电信大环境不景气，不过国际大型的电信业者，并未延迟3G系统建置时程，而是放慢扩张的速度。在系统技术方面，诺基亚在全球已签下25个3G系统合约，并且开始进行包括终端设备、基地台和转换系统的测试，3G基地台到2001年10月的出货量，每个月可达4000座，并将于2002年1月开始按业界标准进行商业量产。目前诺基亚在全球GSM系统的市场占有率为3成，GPRS系统则有35%，预估未来诺基亚在全球3G系统的市占率也可达到35%。
　　在3G手机部份，诺基亚将于2002年下半年开始生产GSM(含GPRS)和WCDMA的双模手机。手机将具有高分辨率的彩色屏幕手机，同时大量的发展Java作业平台，以加速应用服务发展，同时也会内建新型XHTML格式浏灠器，以方便有、无线网络上信息浏览。
　　CMOS影像传感器之手机应用市场在日本已经开始成长。日本电信业者J-Phone推出具数字相机功能手机热卖，使得具数字相机功能手机需求日增，连带使手机用CMOS及CCD影像传感器需求逐步攀升。各电子厂商因看好该市场，相继投产手机用小型高画?#124;CMOS及CCD传感器，但市场预期，在整体产能持续增加下，价格将向下滑落。
　　J-Phone具数字相机功能手机自2001年3月推出至2001年10月，销售量已突破200万支，预计2001年度(2001年4月至2002年3月)销售量将达600~700万支。市场预期，其它电信业者亦会跟进，推出具数字相机功能之手机，预计2002年春季，市面上具数字相机功能手机的款式将会暴增。富士通表示，具数字相机功能手机市场规模将自2002年度快速成长，预计2005年全球具数字相机功能手机市场规模将达1.5?#124;支。
为抢攻手机用数字相机市场商机，富士通、SHARP等日本半导体厂商已陆续量产11万画素CMOS影像传感器模块。CCD影像传感器大厂三洋电机亦于2001年7月投产11万画素CCD影像传感器，以竞逐市场商机。另外，多数厂商预计于2002年推出更高阶35万画素的手机用数字相机传感器模块。日本电信业者J-Phone从2002年起将推出由SHARP制造的J-SH51手机及由KENWOOD制造的J-K51手机，两者皆具有31万画素的CMOS影像传感器模块，可拍摄640 x 480分辨率的画面，售价约在60000日圆，与目前手机的价格相当。
　　CMOS影像传感器体积较CCD影像传感器小，生产成本较低，使其于手机用数字相机市场上较具竞争优势。而CCD影像传感器则以画?#124;优于CMOS影像传感器取胜，两者各擅胜场。同时生产CMOS及CCD影像传感器的SHARP则预测，未来CMOS影像传感器将成为手机用数字相机市场主流。
　　PDA之CMOS配件将被手机取代
　　CMOS影像传感器在PDA市场的考虑，也是与可携式产品一样，轻巧与耗电低是首要的要求。CMOS影像传感器在PDA市场中，多属于配件，且搭配率不高，2000年CMOS影像传感器应用在PDA上，估计只有50000个；未来具CMOS影像传感器的手机普及后，消费者可能不需要随身携带功能相近的CMOS影像传感器PDA配件。
智能判别功能可应用于汽车市场。
　　车用市场是一潜力应用市场。配合车用LCD显示器，CMOS影像传感器可以具备后视、侧视或是夜视的功能，方便驾驶者看到一些平常看不到的死角，或是夜间能更清楚地看清路况。近年来安全气囊的使用纠纷频传，安全气囊不当引爆可能伤害到儿童；未来可利用CMOS影像传感器作为智能性判别系统，判别乘客是大人或小孩，决定是否启动安全气囊。但是车用CMOS影像传感器必须能配合户外多变的环境条件，例如高温对CMOS影像传感器的影响就很大，如果无法克服此一条件限制，未来此一市场发展有限。
　　医疗市场值得关注
　　医疗市场也是一个值得注意的市场。由以色列Given Imaging Ltd.生产的用后即丢式摄影机Given Imaging Diagnostic System，对?#092;断小肠癌病变、息肉、出血、及缺血衰弱等症状，将大有帮助。对现在通用的检查器材来说，廿呎长的小肠一直是一个「盲点」，而小肠检查摄影机可拍摄整个小肠内部照片。病人只要吞下摄影机，它就会经过胃、小肠及大肠，在小肠完成拍摄任务后，随粪便排出体外。当摄影机穿越体内时，它会自己发光照明，每秒钟拍摄两张照片，并以无线电波传到病人皮带上戴着的一个记录器。医生再把数据化的影像传送到计算机上。他们可以在计算机上一张一张的审视小肠照片，或者像录像带一样迅速的查看照片。摄影机的电池使用时间是8个小时，足以拍摄整个的小肠，但是不能拍摄到大肠。
未来技术发展为成败关键
　　将CMOS传感器与周边电路整合成为单芯片，以小体积、低成本、低消耗电力、单一电源等优势，以扩大在行动影像通讯设备(如笔记型计算机、PDA、PHS等)应用市场的占有率。为了配合CMOS影像传感器在可携式产品市场的发展，低耗电与积体化的要求仍为未来技术发展的重点。CMOS影像传感器在VGA的等级，耗电量已经往100mW以下发展；CIF等级往40mW以下、QCIF等级往25mW以下突破。低工作电压是CMOS影像传感器另一优点，目前已有厂商开发出2.8V。针对百万画素以上的应用市场，降低噪声与提高感度则是必须加以考虑的地方，如此才能面对CCD的竞争。
　　CMOS影像传感器的特殊利基在于低电源消耗与小体积，以配合未来行动电话特殊需求的市场，但CMOS影像传感器首要解决的问题，便是降低噪声的产生。根据最新的信息，Sanyo已开发出iGT99263 CIF画?#124;的CCD，整个模块的体积在11.2mm x 11.2mm x 6.7mm，包括Signal Processing LSI及Lens，电源消耗量在15fps为90mW；此CCD优良的特性对CMOS影像传感器是一大威胁。CMOS影像传感器是否能改变长久以来被CCD压抑的宿命，往后技术的发展将是一大关键。
　　另一个发展方向，则是结合感光与影像处理或辨识的功能，使CMOS影像传感器成为高附加价值的智能型传感器，应用在一些较特殊的用途上，如机器视觉、指纹辨识、动态检测、交互式玩具等，与CCD市场做一区隔。