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手机照相感测元件的技术概观

52RD.com 2007年1月19日 digitimes            评论:10条 查看 我来说两句
  

照相手机趋势现况


图说:照相手机的出货量。

手机应用已经逐渐超脱通信上的需求,而逐渐迈向多媒体与数字影像的整合。除了多媒体特性的支援以外,数字相机的功能也成为目前手机主打的趋势之一。早期(2004年以前)手机内建相机功能大多仅为30画素左右,而且缺乏外部扩充储存媒体,首先从画质来说,由于制程技术的限制,早期照相元件微缩不易,照相手机为了顾虑体积,内建的感光元件无法做得太复杂,除了画素低以外,颜色解像力也明显不足,加上当时缺乏储存媒体的扩充能力,因此虽然当时就已经有厂商喊出取代传统数字相机的口号,但是实际上,即使画素已经进展到300万,且平价记忆卡动辄2GB以上的储存胃纳量的现在,相较起传统的数位相机,在照相功能与品质上仍要有所不及。

价格与定位因素 取代传统数字相机效应仍弱


图说:高画素相机最高已突破1000万画素。

迈入2007之后,相机的功能在手机中,仍然只是起点缀的作用,而非主打,不过即便如此,照相手机的主流画素已经迈入300万,2007年第一季可望走向500万画素,并且在少数高阶机种中,逐渐进逼目前数字相机的主流画素,虽然早从2004年起,以照相手机取代传统数位相机的论调声就已经不断,但是笔者认为,一款中低阶数字相机价格可能在5,000元台币以内,如果以整合了照相元件的手机来说,要达到中低阶数字相机的画素以及解像能力(假定为500万画素),以手机厂商的定价思维来看,大约会接近2万元台币左右的等级,这对于有基本照相以及手机通信需求的消费者而言,是个与照相品质不相称的相对高价位,以消费者的角度来看,倒不如转而采购价位低很多的中低阶手机,再以剩余的预算购买单纯的数字相机。


图说:K800i的320万画素虽非前无古人,但是其拍照为导向的功能设计,却使其成为真正的300万画素照相手机普及推手。

照相手机厂商大多将高画素照相能力定位为高阶手机的推手,厂商为了将产品定位区隔开来,因此照相元件所佔成本也是考量之一,要将高画素照相能力内建到中低阶手机中,其实有执行上的困难。2006年,200万画素才算勉强普及到中阶机种,至于到2007年,则是可望见到300万画素逐渐普及到中阶产品。就目前来讲,有能力量产300万画素的CMOS元件的厂商虽然有逐渐增加的趋势,不过速度不算快,但随着供货渐趋稳定,以及平价化的状况下,中低阶照相手机往300万画素前进应该是必然的,且在2007年第一季就会发生。但是能取代低阶相机吗?笔者认为不能,2007年后,低阶相机的画素规格也将推进到超过700万画素,影像品质也不是300万画素或500万画素高阶照相手机所能及得上,毕竟照相手机考虑到体型大小,採用的照相模组元件势必也要缩小,在先天不良的情况之下,解析度与敏感度无法依然与低阶相机相提并论,更不用说价格上的差距了。

两大感光元件核心CMOS与CCD 影系感测器在技术上的区别


图说:cmos影像感测器的结构。

CCD与CMOS 两者都是利用感光二极管( photodiode )来进行光电转换的技术,也就是将影像从模拟表现转换成数字形式,而其主要差异就在于资料传送方式的不同。CCD影像感测器中每一行中每一个画素的电荷数据都会依次传送到下一个画素中,并由最底端部分输出,再经由影像感测器边缘的放大器进行放大输出,简单的说,当CCD表面接受到因快门开启,而从镜头进来的光线照射时, 即会将光线的能量转换成电荷,光线越强、电荷也就越多,这些电荷就成为判断光线强弱大小的依据。


图说:CCD影像感测器的结构。

CCD元件上内建有通道线路,藉以将这些电荷传输至放大解码元件,使之能还原所有CCD上感光元件产生的信号,并构成了一幅完整的画面。由于此一特性,使得CCD被广泛应用在数字相机与扫瞄器上,并成为目前最大宗之感光元件来源;而在CMOS影像感测器中,每个画素都会接邻一个放大器及A/D转换电路,用类似存储器电路的方式进行资料输出的动作。


图说:CCD与CMOS电路结构的比较。

这两种不同感光元件在画质上表现造成差异的原因在于:CCD的特殊架构可确保证影像资料在传送时不会失真,各个画素的资料可匯聚至边缘再进行放大处理;而CMOS架构之下,资料在传送距离较长时会产生噪音,也就是常见的噪点,因此,必须预先做放大的动作,再整合各个画素的资料。

而在功耗方面,CMOS影像感测器的影像采集方式为主动式,感光二极管所产生的电荷会直接由电晶体放大输出,但CCD影像感测器为被动式采集,需外加电压让每个画素中的电荷移动,而此外加电压通常需要达到12∼18V;因此,CCD影像感测器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外(需外加 power IC),高驱动电压更使其功耗远高于CMOS影像感测器的水平。

元件小、成本低、画质改善空间大 COMS崛起 CCD渐被取代


图说:照相手机相机模组的封装方式。

虽然就目前来说,CCD在品质上超越CMOS,但是在功耗、元件成本与尺寸大小上,却不如 CMOS,加上照相手机需要低耗电、小尺寸、高整合且低成本的影像感测器时,CMOS便成为照相手机的首选方案。虽然说少数照相手机仍有采用CCD的架构,但是其定价普遍不便宜,体积及功耗也较大,对于手机成本控制以及连续使用时间有不良的影响。而CMOS影像感测器除了在照相手机市场有非常大的成长空间以外,汽车电子、医疗、监视、电视游乐器等应用领域,都是值得开发的市场。


图说:CMOS影像感测器。

在CMOS的画质方面,应用到照相手机的先进技术虽然仍然有限,但是其潜力无穷。 新近的High Fill Factor CMOS属于CMOS感测元件中最先进的制程技术。最大的差别在于提高 Fill Factor(单一画素中可吸收光的面积对整个画素的比例),有效做到提升敏感度、并且放大CMOS面积(可达全片幅)以及降低噪音的影响。我们将 High Fill Factor CMOS与CCD感测元件比较发现,CCD受限于良率和结构制程,面积越小,画素越高,相对成本也就越低;High Fill Factor CMOS刚好相反,由于感光开口加大,High Fill Factor CMOS可以挑战更高画素,更大面积(全片幅),甚至就产出比例来说,High Fill Factor CMOS单一晶圆的附加价值更大。不过这个技术主要是应用于高阶单眼相机,由于High Fill Factor CMOS元件非常大,目前仍不可能应用到照相手机中。

在一般数字相机方面,目前仍是CCD为主流,由于CCD(Charge Coupled Device;电荷耦合元件)的生产技术主要集中在少数日系厂商中,在针对照相手机这块市场时,CCD虽然在解像度拥有较佳的表现能力,不过CMOS技术在经过加强之后,理论上也具有与CCD技术一较长短的能力。CCD大厂Sony早已跨足CMOS感测元件领域,并将之应用于高阶的DSC产品中,比如说Nikon D2X APS便是使用Sony的CMOS影像感测元件。除了Nikon以外,Canon发佈过的各款DSLR相机中,包含EOS 30D、10D等,以及拥有全片幅尺寸、画素数在1000万以上的EOS 1Ds、5D都采用了CMOS感光元件。虽然CCD仍占据有一般消费型数位相机的绝大部分市场,但是高阶机种已经逐渐往CMOS的方向倾斜,加上照相手机几乎一面倒的采用CMOS影像感测元件,CCD亟需在技术与制程方面做出大变革,才有办法与CMOS竞争。

CMOS影像感测器尺寸的微缩方式

现今提供照相手机影像感测元件的厂商方面,在主流的的300画素等级产品中,其内建照相模组尺寸大多为画素大小2.25微米、三分之一吋左右的规格,目前美光(Micron)、豪威(OV)以及韩国三星电子(Samsung Electronics)都已经研发出进一步微缩尺寸的产品模组,可以将手机的照相模组进一步缩小30%以上,有利于高画素照相手机体型的缩小、以及制造成本的缩减。据说三星可望在2007年第一季抢先一步量产该尺寸的产品,实际规格:画素大小仅1.75微米、镜头(Lens)直径为四分之一吋的CMOS影像感测器,该元件将以90nm制程生产,藉由制程的微缩,也可可大幅减少微镜片(Micro lens)与感光二极管(Photo diode)之间的距离,大幅改善聚光效率,藉以防止因画素变小,使得噪点增加的情形。三星也将可因此在手机高画素市场中,领先对手一步。


图说:CMOS影像感测器的Micro Lens结构。

为了实现画素大小的微缩需求,目前的CMOS影像感测器处理技术正变得越来越独特。其方法之一便是建构微透镜(Micro Lens),藉以将更多的光线聚焦在更小的光电二极管上。而在前端制造制程,也可以采用更敏感、噪讯更低的感光二极管。

由于CMOS制程中,MOSFET的沟槽表面干扰非常大,把光转换为电荷的效率也将因而降低。因此,大多数现代影像感测器供应商都把掺杂剂注入到硅片表面上。这种称为pinning layer的架构能够把光线吸收区域更深地推进到硅晶片内部,远离受干扰的表面。这种pinned photodiode的成效非常显着,但是这样的制程会增加额外的处理成本。

照相手机的下一步 整合更先进的影像处理方式

虽然在画素规格上已经逐渐赶上一般消费型数位相机产品,但是实际拍照品质方面仍有落差,这主要是因为数位相机在成像过程中,通常会经过特定的影像处理器进行处理,而照相手机的影像处理功能通常是内嵌在通用SoC处理晶片中,功能通常较为阳春,无法进行较为高阶的处理与加速。一般来说,手机所採用的整合型处理器效能偏弱,在处理CMOS照相模组的影像后制方面比较力不从心,虽然可能採用到高达500万画素以上等级的照相模组,但是与一般相同画素规格的数位相机比较起来,在噪点抑制以及颜色解像力两方面都还是明显偏弱。

照相手机及其相关应用所需的基本演算架构中,包括了影像品质、去马赛克(demosaicing)演算法(将Bayer色彩滤光片的讯号串流转换为真实影像的流程)、噪讯补偿、自动白平衡(auto white balance)、自动曝光、压缩以及低功耗设计等。

一般来说,采用JPEG压缩是大幅降低影像档案大小的必要手段,并能够满存储器需求。JPEG演算法可以硬件线路的方式,嵌入到影像感测器处理IC上,但主流处理方式大多为透过被称为影像信号处理器(ISP)的辅助晶片(Companion Chip)来处理。而在CMOS影像感测器(CIS)问世之前,所有的影像处理都是在专用处理IC上完成的。

虽然JPEG压缩至今仍适用于电荷耦合元件(CCD)和CIS,不过固态影像(solid-state imaging)技术也已进入系统单晶片(SoC)和系统级封装(SiP)的战争中。虽然达成的方式有所不同,但共通的目的皆是以最少的条件需求来建构品质较好的影像。

在手机SoC中内建ISP(影像信号处理器)是系统晶片供应商的共同发展目标,不过在手机上的ISP方案发展为时尚浅,运算处理能力通常不若专用的ISP晶片,因此采用数字相机中的专用ISP晶片,并搭配功能较单纯的基频处理器,也是可以考虑的解决方案。

而另一个影响照相手机画质的因素,就是视频存储器的应用,在数位相机的成像流程中,对原始影像进行采样之后,会先储存在存储器中,随后再进行压缩处理或其他后制流程,一般在照相手机中,仍缺乏这类存储器的架构,因此影像采样之后,大多直接进行压缩并储存,缓冲空间非常小,因此在后制的加强效果有限。在这方面,也是有赖于手机SoC晶片中进行视频存储器的内嵌,或是允许以外部匯流排的方式进行扩充。

光学处理以及变焦技术

在一些较为先进的照相手机中,自动变焦已经成为必备的照相辅助功能,缺乏了自动变焦能力的照相手机,太远或太近的景物将无法获得清晰的影像,不过自动变焦技术所采用的元件相当脆弱,应用在相对不安定的手机当中,就必要有相当程度的抗震能力,避免在手机意外掉落时导致损坏。除了传统机械变焦以外,目前也有多家厂商正在进行液体镜头的研究,利用不同液体的电场特性进行型变的动作,模拟传统机械元件改变镜头之间的焦距,藉以达到变焦的目的。

而在光学变焦方面,目前仅有Sharp公司在其高阶照相手机中内建光学变焦功能,虽然光学变焦会相当程度的增加成本,但是缺乏了光学变焦能力,照相手机的照相功能永远只能当作玩具,而无法在实际应用中发挥用处、甚至与传统数字相机相比拟。数字变焦只是改变影像取样的大小,采用了数字变焦,通常也就等同于影像品质的劣化,这对于要求照相品质的使用者而言,是个相当无用的设计,虽然数字变焦功能也普遍存在数字相机领域中,但是通常都是与光学变焦搭配应用,且非必要时,并不推荐使用数字变焦功能。

至于在光学元件(如镜片、镜头等)方面,照相手机为了对抗掉落震动,或者是为了成本等其他因素,通常都使用塑胶镜片,塑胶镜片优点是强固性加,但其光学特性较差,采光性能较弱,因此也有照相手机厂商采用玻璃镜头或镜片的设计,好处是光学特性较佳,感光度与颜色表现会比较出色。只是一旦手机从高处跌落,照相模组损坏的机率也会相对提高就是了。题外话:笔者曾经在机车高速行驶中(约时速70、80公里左右),不慎让某S牌200万画素照相手机从上衣口袋掉落,捡回来之后,除了外壳磨损之外,照相功能完全正常,当然,笔者并不建议各位进行这样的测试。

结论

从2003年照相手机现身之后,到现在已经有数年的发展歷程,随着相关感测元件的制程与技术进展,照相手机的照相功能也逐渐摆脱玩具的概念,变成可以在现实生活中拍拍人物或者是景色的实用功能,虽然高画素照相手机的照相品质仍然不如同时期的一般低阶数位相机,且价格也要高出许多,但是还是有不少消费从方便易用,以及整合性、时尚等功能性或非功能性的角度下手购买,因此照相手机在设计阶段,除了要考量到产品定位问题,便是要在情况许可之下,尽可能加强照相的品质。而在关键元件选择上,CCD元件虽然目前暂居劣势,但也不代表未来CCD技术在照相手机上就毫无未来可言,毕竟影像感测元件只是影响照相品质的要素之一,最终还是要视乎厂商对手机照相的定位以及本身对数字影像的技术know how,才能决定产品的时实际表现。

(52RD.com)
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评 论
10楼 chiashow(游客) 61.219.*.* 发表于 2007-11-30 11:34 回复
CSP cross section is wrong. There is no wire bonding in CSP.
Also, Samsung's sensor technology is quite excellent.This why the sensor department are forced back from 300mm fab to 200mm Fab. Micron and OV used 0.11um process and can reach 1.75um pixel, but Samsung has to use 90nm to achieve the 1.75um pixel.So...
9楼 52RD网友 61.141.*.* 发表于 2007-5-24 14:05 回复
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5楼 ericliu2008(游客) 218.4.*.* 发表于 2007-3-30 16:01 回复
好東東
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4楼 ericliu2008(游客) 218.4.*.* 发表于 2007-3-30 16:01 回复
好東東
謝謝
3楼 52RD网友 59.40.*.* 发表于 2007-3-24 14:38 回复
您的评论 
值得学习!谢谢! 
 
2楼 fndq(游客) 60.165.*.* 发表于 2007-3-2 18:21 回复
值得学习!谢谢!
1楼 52RD网友 61.172.*.* 发表于 2007-1-26 09:40 回复
不错,有了新的长进
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