部份分析觀(guān)察家指出：2010年時(shí)，筆記型電腦的總產(chǎn)值將超越桌上型電腦、2011年32位元微控制器的總產(chǎn)值將超越8位元微控制器。類(lèi)似的，自從90年代末CMOS圖像傳感器即開(kāi)始在一些應(yīng)用上逐步取代CCD（Charge-Coupled Devices）圖像傳感器，而這樣的取代效應(yīng)仍持續(xù)醞釀發(fā)酵，再加上多項(xiàng)新影像感測(cè)應(yīng)用的出現(xiàn)，如拍照手機(jī)、指紋辨識(shí)、網(wǎng)際視訊等，使CMOS圖像傳感器的用量進(jìn)一步的擴(kuò)增，加上品質(zhì)技術(shù)的強(qiáng)化改進(jìn)，因此人們預(yù)估約在今年、明年，CMOS圖像傳感器的總產(chǎn)值就會(huì)超越CCD圖像傳感器。

雖然CMOS圖像傳感器超越CCD圖像傳感器已成時(shí)間問(wèn)題，但即便總產(chǎn)值超越CCD也不代表CMOS影像感測(cè)器的一切表現(xiàn)都將超越CCD圖像傳感器，雖然CMOS圖像傳感器在多項(xiàng)表現(xiàn)上優(yōu)于CCD影像感測(cè)器，但仍有許多方面不如CCD圖像傳感器，如果CMOS圖像傳感器不能在這些落后項(xiàng)目上力求改進(jìn)，那么CCD圖像傳感器將持續(xù)在某些應(yīng)用領(lǐng)域中佔(zhàn)有市場(chǎng)，且不一定拘限于利基市場(chǎng)，如此將有可能影響到CMOS圖像傳感器在應(yīng)用范疇上的持續(xù)推進(jìn)。

因此，本文以下將針對(duì)現(xiàn)有CMOS圖像傳感器的發(fā)展、技術(shù)等進(jìn)行更多探討，同時(shí)也再次審視、比較CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的優(yōu)劣性，做為日后各項(xiàng)應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)的評(píng)估參考。

CMOS感測(cè)品質(zhì)大躍進(jìn)：主動(dòng)式像素技術(shù)

首先我們必須從過(guò)往的技術(shù)歷程來(lái)瞭解CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器，老實(shí)說(shuō)CCD圖像傳感器的運(yùn)用歷史遠(yuǎn)比CMOS悠久，CCD圖像傳感器的應(yīng)用至今已超過(guò)30年的歷史，相對(duì)的CMOS圖像傳感器的應(yīng)用約在1990年中期才展露。

在1990年中期以前，CMOS圖像傳感器并沒(méi)有受到重視，原因在于感測(cè)影像品質(zhì)的低落，然1990年中期對(duì)CMOS圖像傳感器而言實(shí)是一個(gè)技術(shù)發(fā)展演進(jìn)的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)，此時(shí)美國(guó)國(guó)家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration；NASA）的噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory）發(fā)明了主動(dòng)式像素（Active Pixel）的CMOS圖像傳感器架構(gòu)，此架構(gòu)提出后大幅改善CMOS圖像傳感器的影像感測(cè)品質(zhì)，自此以后CMOS圖像傳感器的應(yīng)用才逐漸開(kāi)展。也因?yàn)橹鲃?dòng)式像素架構(gòu)的提出，為了與過(guò)往的架構(gòu)有所區(qū)別，因此將過(guò)去的傳統(tǒng)架構(gòu)稱(chēng)為被動(dòng)式像素（Passive Pixel）架構(gòu)。
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為何主動(dòng)式像素感測(cè)器架構(gòu)能大幅改善CMOS圖像傳感器的影像感測(cè)品質(zhì)呢？這必須從架構(gòu)設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)明，傳統(tǒng)被動(dòng)式像素是將每個(gè)獨(dú)立電晶體（并搭配電容器）做為每個(gè)影像感測(cè)像素的開(kāi)關(guān)（Switch），將感測(cè)器感應(yīng)到光源，并將光轉(zhuǎn)換成電子后，將這些輸出的電子儲(chǔ)存到電容器內(nèi)，之后再讀取行列交會(huì)處的電容器，并將電容器內(nèi)的電子訊號(hào)透過(guò)訊號(hào)放大器加以放大。

相對(duì)的，主動(dòng)式像素架構(gòu)的作法是在每個(gè)影像感測(cè)像素上都設(shè)置訊號(hào)放大器與雜訊控制元件，這樣就可以避免被動(dòng)式像素架構(gòu)的一些缺陷，被動(dòng)式像素架構(gòu)的主要弱處就在于訊號(hào)運(yùn)送過(guò)程中遭受到雜訊干擾，而主動(dòng)式像素感測(cè)因?yàn)榫徒跒槊總€(gè)像素設(shè)置專(zhuān)屬的訊號(hào)放大器、雜訊控制等設(shè)計(jì)，使雜訊的影響大幅降低，進(jìn)而提升了影像感測(cè)品質(zhì)。


圖說(shuō)：韓國(guó)MagnaChip公司的CMOS圖像傳感器之?dāng)z影機(jī)模組：HV7171SP（210萬(wàn)像素），該模組為固定對(duì)焦型，圖中為模組與一般迴紋針的尺寸比較。

CMOS與CCD之比較

在感測(cè)品質(zhì)大幅改善后，CMOS圖像傳感器在諸多的本質(zhì)特性上反而優(yōu)于CCD圖像傳感器，這也使得愈來(lái)愈多的應(yīng)用設(shè)計(jì)者愿意用CMOS圖像傳感器來(lái)取代CCD圖像傳感器，到底有哪些本質(zhì)特性是CMOS優(yōu)于CCD，以下將逐一說(shuō)明。

◆低成本性、高整合性

CCD圖像傳感器使用特有的成形結(jié)構(gòu)，需要獨(dú)有、專(zhuān)屬的制造、制程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此制造成本較高。相對(duì)的，CMOS圖像傳感器能夠用標(biāo)準(zhǔn)的制造設(shè)備來(lái)產(chǎn)制，現(xiàn)今所有的半導(dǎo)體晶片有90%都是透過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備、設(shè)施所產(chǎn)出，包括CPU、RAM、ROM等晶片都是，標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果可以讓CMOS圖像傳感器的成本降低。

也因?yàn)槭褂脴?biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制程，所以CMOS圖像傳感器不僅可以使用較先進(jìn)的縮密制程，也才能方便整合訊號(hào)放大器、雜訊控制等電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式像素的感測(cè)器架構(gòu)，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)制程也讓CMOS圖像傳感器能方便整合影像處理方面的電路，高整合度不僅也有助于降低制造成本，同時(shí)也更適合一些以輕便為主要訴求的應(yīng)用中，如照相手機(jī)即是一例。

◆低功耗、易驅(qū)動(dòng)性

主動(dòng)式像素感測(cè)器架構(gòu)的CMOS影像感測(cè)器的用電相當(dāng)少，與CCD圖像傳感器相比可相差達(dá)近100倍，這對(duì)行動(dòng)應(yīng)用（如：筆記型電腦）、手持式應(yīng)用（如：手持式掃描器）等使用電池運(yùn)作的裝置而言相當(dāng)重要，在相同像素下CMOS圖像傳感器約只要20mW∼50mW的用電，相對(duì)的CCD影像感測(cè)器卻需要2W∼5W的用電。

此外CMOS圖像傳感器只要單一固定電壓（5V或者是3.3V）的供電就可驅(qū)動(dòng)運(yùn)作，但CCD圖像傳感器卻需要擺盪性的電壓（5V∼15V間變化）才能運(yùn)作，這對(duì)應(yīng)用開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)者而言，CCD設(shè)計(jì)反而是較困難與繁瑣。

◆隨機(jī)讀取像素區(qū)　增加感測(cè)應(yīng)用彈性

由于主動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器，其每個(gè)感應(yīng)像素都具有獨(dú)立配屬的光電二極體（Photodiode，也稱(chēng)：感光二極體）及讀取感測(cè)信號(hào)用的放大器（Readout Amplifier），如此感應(yīng)的電荷可以從行列線(xiàn)路上（X-Y Wires）讀取，相對(duì)的CCD影像感測(cè)器的每一個(gè)電荷區(qū)（Charge Domain）是用移位暫存器（Shift Register）來(lái)讀取，所以CMOS影像感測(cè)器無(wú)論從行或列都可以進(jìn)行定址，如此與一般的RAM記憶體相當(dāng)類(lèi)似。

具有此一獨(dú)到特性后，CMOS圖像傳感器可以實(shí)現(xiàn)只讀取整體影像感應(yīng)中的部分窗區(qū)內(nèi)容，此稱(chēng)之為「Windowing」，此可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)晶片內(nèi)的電子式鏡頭移動(dòng)、偏向、縮放等效果。更廣義地說(shuō)，Windowing特性對(duì)影像感測(cè)應(yīng)用而言能帶來(lái)壓縮、移動(dòng)性偵測(cè)、或目標(biāo)追蹤等功效，此一特性對(duì)保全監(jiān)視用的攝影系統(tǒng)設(shè)計(jì)而嚴(yán)格外受用。

◆更快速的畫(huà)框率

主動(dòng)式像素在結(jié)構(gòu)上就具有快速感測(cè)的天性，因此適合用在一些（移動(dòng)）動(dòng)作分析方面的應(yīng)用，主動(dòng)式像素在驅(qū)動(dòng)影像陣列中的欄（Column）匯流排的速度上能夠過(guò)去的被動(dòng)式像素結(jié)構(gòu)快速，同時(shí)也比CCD影像感測(cè)器快速。另外CMOS圖像傳感器可以?xún)?nèi)建類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（Analog Digital Converter；ADC），使感測(cè)資料可以盡快輸出到感測(cè)晶片外，內(nèi)建類(lèi)比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的另一好處是感測(cè)影像直接在晶片內(nèi)就轉(zhuǎn)換成數(shù)位信號(hào)，如此可以免去類(lèi)比信號(hào)因傳輸而遭受到雜訊干擾。
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◆更容易實(shí)現(xiàn)智慧型功效

同樣是CMOS制程的天性使然，CMOS圖像傳感器可以與信號(hào)處理整合設(shè)計(jì)，如此可讓CMOS影像感測(cè)器的功效超越傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)攝影機(jī)功效，例如透過(guò)信號(hào)處理可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)曝光控制（Auto Exposure Control；AGC），另外也可以抵抗抖動(dòng)（Anti Jitter），使影像畫(huà)面更為穩(wěn)定，此即是一般所言的「防手振」功能，另外也可以進(jìn)行影像畫(huà)面的壓縮，在影像資料尚未輸出到晶片外部前就已經(jīng)完成壓縮程序，可加速影像資料的傳輸，或者為了設(shè)計(jì)彈性也可用原生方式傳出影像資料，再于晶片外進(jìn)行壓縮程序。

不僅如此，其他的信號(hào)處理功效還有色彩編碼（Color Encoding）、內(nèi)建電腦用的資料匯流排介面電路、提供多種解析度的成像方式、畫(huà)面動(dòng)作追蹤等，甚至可針對(duì)某些影像應(yīng)用而進(jìn)行信號(hào)處理的支援性，例如視訊會(huì)議（Video Conferencing）、無(wú)線(xiàn)控制等。


圖說(shuō)：美國(guó)美光（Micron）公司的CMOS圖像傳感器：MT9E001，該圖像傳感器具有800萬(wàn)像素，解析度為3,264（水平）x2,448（垂直），MT9E001并不是單晶片型態(tài)的圖像傳感器，而是單純的圖像傳感器，其他相關(guān)影像處理必須將感測(cè)資料讀出后才能進(jìn)行。

CMOS如何改善畫(huà)質(zhì)

CMOS圖像傳感器雖然有諸多特點(diǎn)勝過(guò)CCD圖像傳感器，但CMOS圖像傳感器依然有些方面不如CCD圖像傳感器，例如在亮度不足、偏暗的情況下，其影像感測(cè)效果就會(huì)大幅轉(zhuǎn)劣，但CCD影像感測(cè)器卻沒(méi)有這樣的問(wèn)題。為了改善此一問(wèn)題，目前業(yè)界已經(jīng)提出一些改善嘗試，包括如何讓更多的光引入感測(cè)器內(nèi)，以及降低影像感測(cè)器的雜訊問(wèn)題。

以加強(qiáng)引光而言，業(yè)者提出微透鏡（Micro Lens）技術(shù)，讓更多的光源能導(dǎo)入到影像感測(cè)器的表面（光電二極體）上，言下之意是增加感應(yīng)的亮度，不過(guò)微透鏡技術(shù)已屬微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的層次，而非原有的單純半導(dǎo)體電路層次，所以挑戰(zhàn)難度的增加自是不難想像。

另外一種作法是在原有半導(dǎo)體制程上強(qiáng)化，業(yè)者CMOS電路的硅表面上摻入雜質(zhì)，以此形成1個(gè)針扎層（Pinning Layer），新增此結(jié)構(gòu)可將光源吸收到硅晶片的內(nèi)部，進(jìn)而降低（光電二極體）表面的雜訊，此種作法也稱(chēng)為針扎光電二極體（Pinned Photodiode）目前此種作法確實(shí)改善了雜訊問(wèn)題，使感測(cè)品質(zhì)提升，不過(guò)現(xiàn)階段此種制程也會(huì)增加晶片的制造成本。

不過(guò)，上述兩種改善感測(cè)畫(huà)質(zhì)的方式，都尚未真正成熟普及，其它的嘗試技術(shù)也都類(lèi)似，一旦CMOS影像感測(cè)器在感測(cè)畫(huà)質(zhì)上能再行提升，那么取代CCD圖像傳感器的進(jìn)度也會(huì)更為加速。

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