在影像应用需求大幅提升的推波助澜下,60年代早已问世的影像传感器芯片,也再度受到市场重视。影像感测芯片在系统中的作用,正如同人的眼睛,在影像撷取功能上占十分重要地位。本文将深入介绍影像传感器芯片在封装测试制程上的特色,以及目前相关技术的发展趋势与挑战。
近年来由于技术之不断精进,新一代数位产品不仅可整合来自信息、消费及通讯三大领域的技术,更同时具备多媒体效能的特性。而在此特性中,影像处理技术也随着各种零组件技术的成熟及日益增加的应用面,逐渐成为受消费者注目的发展领域。
影像处理技术的应用,除了在传统的传真机或扫瞄器可看到之外,我们发现愈来愈多的数字产品也都具有此功能,例如,目前广受市场欢迎的数字式摄录像机、数字相机,而具备照相功能的行动电话更是当下炙手可热的产品;此外,其它如监视用相机、玩具等也是影像处理厂商不会忽视的应用领域。
影像传感器的分类
在影像应用需求大幅提升的推波助澜下,60年代早已问世的影像传感器芯片,也再度受到市场重视。影像感测芯片在系统中的作用,正如同人的眼睛,在影像撷取功能上占十分重要地位。目前具备此功能的组件主要为CCD(电荷耦合器)传感器与CMOS(互补式金属氧化物半导体)传感器两种。
CCD与CMOS两种组件分别早在1969年与1967年就已问世,虽然两者的功能相同,其信号传递方式却是大异其趣。现在就让我们来看看这两者运作逻辑与特色。
CCD影像传感器
为因应不同的产品应用需求,CCD传感器可分为线型与面型两种。其中线型CCD传感器常见于数字复印机、扫瞄器与传真机,面型CCD传感器则主要应用在数字相机与摄录像机等产品中。
当感测到外界传送来的信号时,CCD传感器会先把这些信号转换成电荷,透过系统施加电流脉冲后再以一个图素接一个图素的方式传递电荷,最后汇集于输出放大器并一一被转换成电压讯号。经由其它系统芯片读取这些电压讯号并最后转换成可储存或显示之影像。电压高低对应着影像亮度强弱,虽然速度较慢,但具有较高的外界噪声干扰抵抗能力及较佳的动态影像功能,因此影像的品质较佳。另外CCD传感器由MOS(金属氧化物半导体)设计法则制成,而绝大多数之系统支持芯片为CMOS设计法则制成,因兼容问题无法整合成单一芯片。
CMOS影像传感器
CMOS传感器虽然比CCD传感器较早问世,但因量产技术的开发脚步较慢,因此未能掌握先发者的优势。CMOS传感器可分为被动式与主动式两种,早期的产品多属被动式产品,但由于所获得的影像品质不佳,因此有了主动式CMOS传感器的产生,并使得CMOS传感器的应用可以不再局限于中、低阶像素产品,可向上延伸至原本由CCD传感器主导的高阶产品。
由于利用半导体CMOS制程,且七成以上与传统半导体产品诸如微处理器,微控制器及记忆芯片的制程逻辑相似,因此CMOS影像传感器的制造厂商,不必再另外购买昂贵的半导体设备,即可利用既有设备从事生产。此外,CMOS传感器尚具有低耗电量的特性。由于CMOS影像传感器中的每一个图素都内建有晶体管,虽然这样的设计限制了图素在晶圆上的数目,使其画素值通常不及CCD传感器,但这种方式让驱动信号的电压降低许多,进而协助产品免去对额外电压支持的需求。
虽然CMOS影像传感器具备成本效益的优势,但基于原有设计上之限制,在某些效能表现上,CMOS并没有办法达到像CCD传感器一样的品质,当它遭遇外界干扰时,即无法对影像做非常细致化的处理,尤其在面对一些动态影像时,更是如此。
影像传感器芯片的应用趋势
CCD与CMOS影像传感器因为各有不同优势,也造就了它们在不同应用领域之发展。CCD传感器的影像品质较佳,因此在某些对影像产品要求较严格的高阶应用领域,保有十分坚固的地位。
而CMOS影像传感器则因为其设计方式及采用半导体制程,具备了省电与整合的优势,再加上制程技术成熟,所以价格比较低,并且被广泛地应用在各种对价格敏感的信息及消费性电子产品中。尤其重要的是,这些特性也正符合目前市场上许多数字产品所强调的轻薄短小设计概念,因此其发展亦不容小觑之。
也正因为是采半导体制程来生产,所以市占率不断提升的CMOS影像传感器,不仅为前段的芯片制造厂商带来商机,也同样为后段封装测试厂商带来新的发展领域。不过,由于CMOS影像传感器本质上可同时处理光学与电子讯号,与传统芯片不同,对作业环境与制程的要求因而更严格。接下来,我们将针对CMOS传感器谈谈其技术架构与发展现况。
CMOS影像传感器之封装技术
目前CMOS影像传感器所采用的封装型态,分为CLCC(Ceramic Leadless Chip Carrier;陶瓷无引线芯片载具)、OLCC(Organic Leadless Chip Carrier;有机无引线芯片载具)和相机模块式(Camera Module)封装等三种。其中,CLCC技术主要应用于封装尺寸较大或130万画素以上之影像传感器的封装;而OLCC封装技术则由于可使用混合型基板,成本相对上较低,同时在基板设计方面也具有高度弹性,因此多半应用在对价格敏感的消费性数字产品上;至于相机模块式的封装则将应用锁定在新兴的相机手机市场。
CCD摄像头与红外光
CCD 本身就对红外光有感应,使用黑白摄像头,关掉灯光,用红外灯来照,影像就出来了。那彩色CCD为什么看不到红外线? 事实上,彩色CCD也看的到红外线, 就是因为它能感应到红外线,会干扰到D.S.P (影像处理主芯片)的运算,导致”偏色”,因此,得想个办法,让它不能接收红外线,方法就是:让CCD戴上”太阳眼镜”,只是人戴的太阳眼镜是隔离紫外线,而CCD戴的是隔离红外线,这就是彩色CCD上头黏的那片滤光片.这是滤光片对每个波长光的穿透率,横轴是波长,以奈米(nm)表示,纵轴是穿透率, 我们看到从380nm-645nm 穿透率是约93% ,刚好就是可见光的范围(紫-靛-蓝-绿-黄-橙-红)。 600多nm是红色光,在它往右以”外”,就叫”红外线”,是”红色以外的光” 不是红色的光,因为眼睛已经看不到了,再来,380nm左右我们眼睛看到的是紫色,在380nm往左以”外”,就叫”紫外线”,眼睛一样看不到,但会照伤我们的皮肤.
那黑白CCD为什么不加滤光片,难到它不怕色干扰吗?黑白摄像头本来就没颜色,何来”色”扰? 所以在早期,红外线摄影机就是用黑白摄像头,加上红外投射灯就行了.后来彩色摄像头越来越普遍了,总不能白天用彩色摄像头,到了晚上再用黑白摄像头打红外灯吧,这就重复投资了,了解了上头的道理,就有人想出个方法:当有光线时用彩色摄像头,当没光线时,把CCD上头那片滤光片拿掉,再打上红外灯。日夜型红外线彩色摄像头”就这样出来了。 所以,上面说的这种摄像头,在CCD前装了个机械结构,用电磁阀把滤光片拉开或推回去,在作动时听的到”喀察”一声.说到这里,学过光学的人必注意到,CCD有滤光片跟没滤光片,光线折射率会不一样,把滤光片拿开,打上红外光,折射率又会因波长不同会有些差异,这加起来就会造成焦点偏移,就是”失焦”,因此,刚刚所说的,不能只把滤光片移开,还得补上一片镜片来调整折射率,也就是一片滤光片跟一片普遍镜片在抽换. 这种”日夜型红外线彩色摄像头”是日本人搞出来的,实在太贵了,想仿吗,模具贵又怕被告,就有些天才老板干脆就把滤光片拿掉了,不就看的到红外线嘛!彩色室内日夜型红外线摄像头” 在晚上没灯光时,只要打上850nm的红外光,CCD就看的到了。850nm跟可见光波长很近, 850nm投射灯常会产生少量可见光成份,看到的是红色的,那就是”红爆”的来源。红外线夜视问题解决了,在来是白天的问题了,既然那滤光片会让 850nm的红外线漏进来,就会产生色干扰,也就是”白天偏色”的由来,这只能用软件来调整DSP的程序,尽量减少色偏。
相机ISO感光度工作原理解析
ISO是什么?,相机中的ISO是感光度的意思,在光线比较暗的情况下把ISO调高的话会降低快门速度也就是说可以让照出的照片不是很模糊但是有得必有失,高的ISO使照片颗粒感很强的,低的ISO会是画面细腻。分别是ISO100、200、400等。普通情况下一般是用ISO100。同时相当与以前传统柯达胶卷有100的和200一个意思。
相机ISO工作原理
ISO感光度的高低代表了在相同EV曝光值时,选择更高的ISO感光度,在光圈不变的情况下能够使用更快的快门速度获得同样的曝光量。反之,在快门不变的情况下能够使用更小的光圈而保持获得正确的曝光量。因此,在光线比较暗淡的情况下进行拍摄,往往可以选择较高的ISO感光度。当然,对于单反相机而言还可以选择使用较大口径的镜头,提高光通量。而对于一般数码相机因为采用的是固定镜头,惟有通过提高ISO感光度来适应暗淡光线情况下的拍摄,特别是在无法使用辅助光线的情况下。
传统相机所使用的胶片是通过控制染料对光线的敏感度的不同来实现提高胶片感光度的目的。但是,感光度的提高会降低影象清晰度,增加反差,也就是减少了动态范围。数码相机的感光元件属于主动元件,存在暗电流,普通模式下设置了截止电流,并不会使用到存在噪声干扰的部分,高感光度模式是利用到了存在噪声较大的部分,这些背景噪声反映到图像上就是随机的杂色。只要感光元件没有改进,光圈不改变,该问题无法有真正的改善,最多利用算法弱化噪声的直观感受,这也是高iso的相机往往有更大的镜头和更大尺寸感光元件的原因。
因此,当现场光线条件不好时应当首先考虑辅助光(闪光灯和反光板)的应用,在无法使用辅助光时再考虑三脚架的使用和防抖,最后才考虑提高ISO感光度的办法。
对于经常拍摄舞台等光线较暗,并且不允许使用闪光灯或不便于使用三脚架的场所,可以尽量选择镜头口径较大焦距较短,ccd尺寸较大的数码相机,单反数码相机可以选择使用口径较大的镜头来进行拍摄(当然,大光圈也会降低景深)。
夜景拍摄常常使用较大的光圈和较长的曝光时间,假如选择较高的ISO感光度必将不可避免的产生噪点和杂色。这时可以使用三脚架和自拍,有可能的再使用快门线,选择较低的ISO感光度就可以避免噪点和杂色的产生。
因此,在购买数码相机时就需要考虑选择具有最大iso和较大尺寸ccd的相机,其比较有利于弱光情况下的拍摄。在拍摄时尽可能的使用辅助光源和较长曝光时间等。