剖析CMOS和CCD影像感测器技术原理

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1、剖析CMOS和CCD影像感測器技術原理肯特CCD感測器目前大部份被使用在數位相機上，近年來CMOS感測器也同樣被應用在數位相機市場中，並具備CCD影像感測所沒有的一些優點，例如：省電、晶片整合度、成本低…等等。因此，數位相機的影像感測器市場是CCD與CMOS的兵家必爭之地，未來低於500美元數位相機的影像感測器將由CMOS勝出，高於500美元的數位相機市場將由CCD所主導。這兩種感測器都將光轉變成類比訊號輸出，這是在每一個畫素（Pixel）裡所完成，所以要了解影像感測之前，必須先了解畫索的定義和原理。感測器製造廠商對畫索的定義是：在影像感測器上將光轉換成電荷的基本單

2、位。例如，數位相機有一個1280x960的影像感測器，就會有1,228,800個畫素，這不同於電視與電腦螢幕製造業商所使用的畫素定義。畫索原理畫素是影像感測器的基本要索，以CMOS感測器的畫素爲例，其包含一個光電二極體，用來產生與入射光成比例的電荷，也包含一些電晶體，以提供緩衝轉換和復位功能。當從畫素電容所累積的電荷被抽樣緩衝並傳送給放大器（GainAmplifiers）與類比/數位轉換器（A/DConverter）之後，所攝取影像的原始訊號才得以形成，具有這些功能才能形成一個影像感測器。信噪比影像感測器的信噪比（SNR）可以用分貝（dB）來表示，當信號強度到達一定

3、強度時，信噪比並不會同步增加，但是，如果要讓低數値訊號可以被檢測到，那麼信噪比就非常重要。色彩敏感度失衡彩色畫素對不同頻率的入射光有不同的靈敏度，將造成攝取影像的色彩失衡。當然，色彩失衡可以用數位化處理得到補償，卻會放大類比/數位轉換器（ADC）的量化雜訊。現在的技術可以解決色彩敏感度失衡的問題，同時將訊號送到ADC進行數位量化'運用色別增益或放大技術進行處理。暗電流(Blacklevel)暗電流是在沒有入射光時光電二極體所釋放的電流量,理想的影像感測器其暗電流應該是零,但是，實際狀況是畫索屮的光電二極體是充當電容器,當電容器慢慢地釋放電荷時，就算沒有入射光,其電壓

4、也會與低亮度入射光的電壓相當。因此，不能確定畫素是否真正「看到了」某些景物，或是因爲從暗電流中所累積的電荷。所以，暗電流是畫素的雜訊之一，CCD與CMOS感測器的暗電流範圍爲0.075nA/cm2〜2.0nA/cm2以上。畫索大小和塡充比感測器能否攝取低亮度影像將取決於每個畫素活動（採光）區的大小，較大的畫索使影像感測器攝取較多的光子，如此能提高畫素的動態範圍。但是'較大畫索需要較多的矽晶片，使得生產成本墊高，因此藉由設定活動區域大小、低亮度敏感性，以及整個畫素陣列投射期望的圖像，決定最佳化的影像感測器元件人小。CMOS感測器技術CMOS感測器是於1980年代發明出

5、來，只是當時CMOS製程的製作技術不高，以致於感測器雜訊人，商品化並不易。時至今日，CMOS感測器的應用範圍非常的廣泛，包括數位相機、PCCamera、影像電話、第三代手機系統、視訊會議、智慧型保全系統、汽車倒車雷達、玩具，以及工業、醫療等用途。由於使用層面廣泛，非常有利於CMOS產品的普及，CMOS不但體積小，耗電量也不到CCD的1/10，售價也比CCD便宜1/3，畫質已接近低階解析度的CCD，國內相關業者已開始採用CMOS替代CCD。CMOS感測器目前採用以數位相機、PCCamera等產品應用爲大宗，在35萬畫素以下的CMOS品質已相當接近CCD感測器，而且體積

6、比CCD小。PCCamera在動態影像的撷取，對影像品質要求不似靜態的數位相機高，35萬畫索的畫質就可以被接受，業者採用CMOS的比例已開始增加。雖然CMOS感測器真正快速發展只有2、3年時間，在品質上仍難與CCD媲美，但是，CMOS終將會取代CCD成爲主流，只不過是時間的問題。CMOS欲成市場主流需克服的最大的問題是品質。就目前而言，較高畫素的CMOS感測器面臨到感度、信噪比不足等問題，影像品質無法與CCD感測器相比，以目前的條件，CMOS感測器要普遍應用在130萬畫素以上數位相機市場，時機尙未成熟。但是，影像感測器市場應用範圍很廣，涵蓋消費、商業、工業等領域，根

7、據台積電的統計數據顯示，從1999年至2004年，CMOS感測器每年的複合成長率都將超過25%。與CCD相較之下，CMOS是標準製程，可利用現有的半導體設備，不需額外的投資設備，且品質可隨著半導體技術的提升而進步。同時，全球晶圓廠的CMOS生產線較多，S後量產時也有利於成本的降低。另外，CMOS感測器的最大優勢，是它具有高度系統整合的條件。理論上，所有影像感測器所需的功能，例如垂直位移、水平位移暫存器、時序控制、CDS、ADC…等，如圖1所示，都可放在同一顆晶片上，甚至於所有的晶片包括後端晶片(Back-endChip)、快閃記憶體(FlashRAM)-嘟整合成