[轉載] CMOS Image Sensor發展應用趨勢

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標題:	[轉載] CMOS Image Sensor發展應用趨勢

作者:	jjdai　(jjdai)
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時間:	2008-06-24 00:35:21
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CMOS Image Sensor發展應用趨勢

施漢青
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早期CMOS影像感測器與CCD的影像品質相比確實遜色很多，所以CMOS影像感測器主要是在低階的應用，例如手機相機、網路監視器等；但是CMOS影像感測器與CCD相較之下有電路簡單、省電與成本低的優勢，並隨著消費型電子的成長逐漸受到市場的重視，相關的應用也持續擴展中。目前許多安全監控設備已逐漸採用CMOS影像感測器，並且逐漸切入汽車電子的倒車或是死角的監視功能，甚至高階的數位相機也有採用CMOS影像感測器的趨勢，未來隨著技術的進步將逐漸侵蝕CCD的市場，市場前景相當看好。

CMOS影像感測器產值預估

Source：拓墣產業研究所，2008/06

一. CMOS影像感測器市場趨勢

(一) 應用逐漸廣泛

CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互補性氧化金屬半導體)，和CCD(Charge Coupled Device，感光耦合元件)是目前市場最主要的數位影像感測元件。CMOS的製造技術和CCD不同，CMOS影像感測器類似一般半導體晶片，其材質主要是利用矽和鍺這2種元素所做成的半導體，使其在CMOS影像感測器上共存著帶N(帶–電)和P(帶+電)級，這2個互補效應所產生的電流，即可被數位處理晶片紀錄和轉換成影像。

CMOS跟CCD的比較上有成本低、耗電少、製造容易、能與影像處理電路整合成單晶片的優勢；但是CMOS也有一些缺點，與CCD相比解析度與敏感度較差，如果加個放大器，會造成雜訊增強等的副作用，所以CMOS影像感測器早期主要應用在低階的數位相機市場、玩具市場與照相手機。

隨著技術的進步，CMOS的一些缺點也慢慢解決，例如「Fill Factor CMOS」技術，這技術在於提高Fill Factor(單一畫素中可吸收光的面積對整個畫素的比例)、提升敏感度、增加CMOS影像感測器面積和降低雜訊的效果，所以CMOS影像感測器不再只是應用在低階的數位相機市場與手機相機市場，除了低階的光學滑鼠等應用之外，已經逐步朝向高階的應用，例如車用市場、高階數位相機、醫療市場、監控市場等，未來有逐漸取代CCD的架勢，一旦缺點逐漸消除加上原有的優點，CCD將會面臨一場苦戰。

圖一　CMOS影像感測器的應用

Source：ADLINK；拓墣產業研究所整理，2008/06

雖然CMOS影像感測器應用逐漸廣泛，但是每一個應用對於影像大小的需求，以及CMOS影像感測器大小的需求也有所差異，比如說手機解析度不用太高，但是CMOS影像感測器越小越好，PC Camera、低階監控與玩具市場，則是解析度低CMOS影像感測器的大小需求也不高；高階數位相機則是對於這2種規格要求都很高；數位錄影機則是對這2種規格要求中等而已。所以未來CMOS影像感測器廠商意圖擴張這些市場，必須朝向高解析度與縮小空間逐步研發，滿足各種市場的需求，才有機會擴大市佔率。

圖二　各項應用對CMOS影像感測器所需的規格

Source：TSMC；拓墣產業研究所整理，2008/06

(二) 朝高畫素發展

依據Danawa這家公司抽樣765位手機使用者進行調查，詢問這765位受訪人員，對於未來他們最希望增加或提升照相手機的功能，其中第一名共有44%的受訪人員對於未來照相手機應提升其解析度，第二名是防手震約有21%，接下來是自動對焦、閃光燈與臉部辨識等功能。由此調查顯示出高解析度的需求，不只是在高階數位相機等產品，就連一般的手機使用者也期望能有高的解析度，其主要原因是一般大眾認為高解析度就是代表高畫質，雖然這不是一個絕對的關係，因為高畫質有2個意義高畫素與高品質，但是一般人直覺認為3M的影像一定比2M好，5M的影像一定比3M好，所以廠商為了商機一直往高階解析度的產品去開發，逐漸成為未來的趨勢。至於其他功能像是防手震、閃光燈、臉部辨識等都屬於ISP(Image Signal Processing，影像訊號處理)的功能，與CMOS影像感測器關係不大，但是未來CMOS影像感測器會逐漸內建ISP，將來這些功能的加入也是未來的趨勢。

圖三　44%的使用者期望高解析度的照相手機

Source：Danawa；拓墣產業研究所整理，2008/06

除了手機有這個趨勢，其他產品也有相同的情況，使用者認為高解析度就是高畫質，例如數位相機、網路攝影機、監控產品等。一般使用者並無判斷高畫質的能力，只能用影像的解析度去做判斷，所以迫使廠商加速將整個CMOS影像感測器的版圖，逐漸朝向高解析度前進。

從2008年開始3M的CMOS影像感測器，與5M以上的CMOS影像感測器的成長率，都高於整個CMOS影像感測器市場的成長率；而VGA的CMOS影像感測器與1.3M的CMOS影像感測器，其成長率皆低於整個CMOS影像感測器市場的成長率，其主要的原因是因為價格下滑迅速，能應用的市場也逐漸朝向高解析度的CMOS影像感測器，甚至1.3M的CMOS影像感測器還有負成長的跡象。所以未來中間解析的CMOS影像感測器極，有可能遭到市場淘汰，而最小的VGA未來主要的應用是在於電子裝置上的第二個CMOS影像感測器，例如目前高階手機都有裝置2個CMOS影像感測器：(1)高解析度用於照相之用；(2)用於影像電話不需要太高的影像解析度，因為太高的畫素網路頻寬也不足以傳輸該影像，以致於低階的CMOS影像感測器依然有其市場。

圖四　CMOS影像感測器依解析度市場分佈預測

Source：Samsung；拓墣產業研究所整理，2008/06

(三) CMOS影像感測器市場應用統計

目前CMOS影像感測器最主要的應用還是以手機為主，佔全部市場的一半以上，其他產品也有逐年提高的趨勢，其中PC、車用與安全監控屬於較低階的市場，使用CMOS影像感測器不讓人意外；但是數位相機與數位錄影機等，較高階的應用也逐漸使用CMOS影像感測器，表示出CMOS影像感測器的畫質有與CCD影像感測器爭鋒的意味。但是就價格與省電等因素，CCD影像感測器完全無法與其抗衡，一般人依然會有先入為主的觀念認為，CCD影像感測器的畫質比CMOS影像感測器還要好，所以CMOS影像感測器與CCD影像感測器的戰爭還很難這麼早下定論。而CMOS影像感測器逐漸侵蝕CCD影像感測器的市場是事實，但遲遲未見CCD影像感測器反攻CMOS影像感測器版圖的跡象，對於CCD影像感測器的後市極度不樂觀。

圖五　CMOS影像感測器產值預估

Source：iSuppli，Gartner，TSR；拓墣產業研究所整理，2008/06

二. CMOS影像感測器未來規格趨勢

(一) 每秒畫面速率提升

除了高解析度的需求之外，未來高畫面速率也是很重要的一環，因為在靜態的數位攝影設備下，畫面速率或許不是一個很重要的因素，但是未來越來越多的產品都提供動態攝影的功能，例如手機現在幾乎都有錄影的功能，並且也有數位攝影機逐漸使用CMOS影像感測器，所以CMOS影像感測器的畫面速率日漸重要。早期2006年手機相機的規格大約是VGA大小每秒30張畫面，到了2007年已逐漸提升到720p每秒30張畫面，現在最新的規格則是720p每秒60張畫面，未來2009年與2010年將會提升到1080p每秒30張畫面，和1080p每秒60張畫面。

至於數位相機與數位攝影機部分，對於畫面速率的要求也從2006年的720p每秒30張畫面，到2007年的720p每秒60張畫面，2008年將會到達1080p每秒60張畫面，不遠的將來2009年與2010年將會提升到1080p每秒120張畫面，和1080p每秒240張畫面。

圖六　手機相機與數位相機對於畫面速率的演進

Source：拓墣產業研究所，2008/06

(二) 點面積下降

由於整個製成技術的改進，每單位點的面積逐漸縮小，整個厚度也有縮小的狀況。就以目前照相手機最流型的2M與3M的CMOS影像感測器而言，2005年起2M從面積為1/3.2吋厚度6mm，一直演進到2008年的面積為1/6吋厚度3mm；在3M的部分也自2006年起從面積為1/3吋厚度8mm，一直演進到2008年的面積為1/5吋厚度4mm，就面積部分已經到達2005年1.3M CMOS影像感測器的水準，這趨勢對於行動裝置等消費型電子裝置而言，是非常大的優勢。未來手持式裝置越來越傾向輕薄短小，所以其中的元件越小越佔優勢，5M與8M的CMOS影像感測器也會逐漸縮小，已經有高階的手機開出5M的相機功能，之後內建8M照相功能的手機應該也會出現。

圖七　CMOS影像感測器畫素面積的演進

Source：Samsung；拓墣產業研究所整理，2008/06

(三) 低亮度環境下降低雜訊

低亮度環境下的雜訊，一直是CMOS影像感測器被市場詬病的一個主要因素，經過不斷的改良已經有很明顯的改善，主要是有2個技術：(1)BackSide illumination；(2)新型的Color Filter Array。透過這2種技術讓整個CMOS影像感測器在亮度低的地方，也能夠捕捉到比之前更好的畫質。

BackSide illumination就是將影像感測器上層的部分往下移動，將色彩濾光片與鏡頭放置於CMOS感光元件的後面，如此一來影像感測器從背後收集光，這種新的方式與傳統方式截然不同，傳統的方式是從前面收集光。這個新的技術可以帶來許多好處，例如增加每單位面積的敏感度、改進亮度的效率與降低光學反應不一致性的問題，更寬廣的角度可以使鏡頭的厚度變薄，也讓照相模組變的更薄，非常適合未來下一代產品的趨勢。

圖八　BackSide illumination示意圖

Source：OmniVision；拓墣產業研究所整理，2008/06

BackSide illumination這技術已經提出被大眾研究20幾年了，直到最近才有成功的例子，之前並沒有任何一家成功將其商業化的廠商，而豪威(OmniVision)與台積電(TSMC)最近公佈他們集合影像與製成的專業人士共同研發，成功的將這技術用於量產，產品將於2008年中推出。

Kodak (柯達)也於2007年推出新的創意，修改原有Color Filter的排列方式，舊有的排列方式稱為Bayer Pattern，新的Color Filter Array增加了一個新的顏色-白色，換句話說就是在Color Filter上沒有塗上任何顏色，並將原有的RGB的排列方式改變，這樣的新型的Color Filter Array可以增加感測器的敏感度並且降低雜訊。

圖九　新型的Color Filter Array

Source：Kodak；拓墣產業研究所整理，2008/06

但是使用這種新的Color Filter Array必需要修改一個地方，那就是影像處理的演算法，由於新的Color Filter Array在演算法部分，需要增加新的設計技巧，新演算法比較針對亮度部分做處理，彩度部分就稍微微弱，但是人眼對亮度比較敏感，對彩度比較不敏感，所以這樣新型的Color Filter Array搭配新型的演算法所做出來的效果，比原來的改善許多，尤其是對於較暗環境下的效果更是明顯。

圖十　新型的Color Filter Array出來的影像與先前的差異

Source：Kodak；拓墣產業研究所整理，2008/06

三. TRI觀點

(一) CMOS影像感測器應用持續擴張，車用與玩具市場成長性高

CMOS影像感測器已由低階應用逐漸轉向高階應用，早期許多使用者無法接受CMOS影像感測器應用在高階數位相機與安全監控上，現在已逐漸能夠接受，未來成長率最高的乃是車用市場，像是警視系統(Distance Warning System)、盲點或是停車系統(Blindspot/Parking System)、道路偏離影像警視系統(Lane Departure Warning System)、車內監視系統(Interior Monitoring Systems)都需要用到CMOS影像感測器。

未來玩具市場也有很大的潛力，之前風靡一時的電子寵物小恐龍(Pleo)，設計上就包含了2個CMOS影像感測器，在搭配人工智慧與影像辨識軟體，就能辨識一些簡單的物體作一些反映。未來玩具朝向與人互動的發展趨勢下，CMOS影像感測器必定是基本必要之元件，所以CMOS影像感測器的應用市場可說是無窮無盡。

(二) CMOS影像感測器應用新技術提升畫質

由於CMOS影像感測器的缺點，已隨著技術的演進逐漸改善，秉持原有低成本與低功耗的優勢，外加改善畫質與降低雜訊的功能，影像品質已經逐漸被市場接受，與半導體整合性高，高階市場也已經逐漸採用，CMOS影像感測器已經慢慢侵蝕CCD影像感測器的市場。目前新技術已經被各大廠逐漸採用，但影像品質好壞沒有標準，各家新技術有缺點也備受爭議，未來各家依然會研發新技術加強畫面品質。

(三) 新技術不斷演進，台灣廠商難跟進應力求其他利基市場

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