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)始在一些應用上逐步取代CCD（Charge-Coupled Devices）圖像傳感器，而這樣的取代效應仍持續醞釀發(fā)酵，再加上多項新影像感測應用的出現，如拍照手機、指紋辨識、網(wǎng)際視訊等，使CMOS圖像傳感器的用量進(jìn)一步的擴增，加上品質(zhì)技術(shù)的強化改進(jìn)，因此人們預估約在今年、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影像感測器的一切表現都將超越CCD圖像傳感器，雖然CMOS圖像傳感器在多項表現上優(yōu)于CCD影像感測器，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目上力求改進(jìn)，那么CCD圖像傳感器將持續在某些應用領(lǐng)域中佔有市場(chǎng)，且不一定拘限于利基市場(chǎng)，如此將有可能影響到CMOS圖像傳感器在應用范疇上的持續推進(jìn)。

因此，本文以下將針對現有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，做為日后各項應用設計時(shí)的評估參考。

CMOS感測品質(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圖像傳感器的運用歷史遠比CMOS悠久，CCD圖像傳感器的應用至今已超過(guò)30年的歷史，相對的CMOS圖像傳感器的應用約在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，原因在于感測影像品質(zhì)的低落，然1990年中期對CMOS圖像傳感器而言實(shí)是一個(gè)技術(shù)發(fā)展演進(jìn)的轉捩點(diǎn)，此時(shí)美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration；NASA）的噴射推進(jìn)實(shí)驗室（Jet Propulsion Laboratory）發(fā)明了主動(dòng)式像素（Active Pixel）的CMOS圖像傳感器架構，此架構提出后大幅改善CMOS圖像傳感器的影像感測品質(zhì)，自此以后CMOS圖像傳感器的應用才逐漸開(kāi)展。也因為主動(dòng)式像素架構的提出，為了與過(guò)往的架構有所區別，因此將過(guò)去的傳統架構稱(chēng)為被動(dòng)式像素（Passive Pixel）架構。
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為何主動(dòng)式像素感測器架構能大幅改善CMOS圖像傳感器的影像感測品質(zhì)呢？這必須從架構設計上來(lái)說(shuō)明，傳統被動(dòng)式像素是將每個(gè)獨立電晶體（并搭配電容器）做為每個(gè)影像感測像素的開(kāi)關(guān)（Switch），將感測器感應到光源，并將光轉換成電子后，將這些輸出的電子儲存到電容器內，之后再讀取行列交會(huì )處的電容器，并將電容器內的電子訊號透過(guò)訊號放大器加以放大。

相對的，主動(dòng)式像素架構的作法是在每個(gè)影像感測像素上都設置訊號放大器與雜訊控制元件，這樣就可以避免被動(dòng)式像素架構的一些缺陷，被動(dòng)式像素架構的主要弱處就在于訊號運送過(guò)程中遭受到雜訊干擾，而主動(dòng)式像素感測因為就近在為每個(gè)像素設置專(zhuān)屬的訊號放大器、雜訊控制等設計，使雜訊的影響大幅降低，進(jìn)而提升了影像感測品質(zhì)。


圖說(shuō)：韓國MagnaChip公司的CMOS圖像傳感器之攝影機模組：HV7171SP（210萬(wàn)像素），該模組為固定對焦型，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)愈多的應用設計者愿意用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構，需要獨有、專(zhuān)屬的制造、制程技術(shù)來(lái)實(shí)現，因此制造成本較高。相對的，CMOS圖像傳感器能夠用標準的制造設備來(lái)產(chǎn)制，現今所有的半導體晶片有90%都是透過(guò)這些標準化設備、設施所產(chǎn)出，包括CPU、RAM、ROM等晶片都是，標準化的結果可以讓CMOS圖像傳感器的成本降低。

也因為使用標準的半導體制程，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放大器、雜訊控制等電路，來(lái)實(shí)現主動(dòng)式像素的感測器架構，同時(shí)標準制程也讓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用中，如照相手機即是一例。

◆低功耗、易驅動(dòng)性

主動(dòng)式像素感測器架構的CMOS影像感測器的用電相當少，與CCD圖像傳感器相比可相差達近100倍，這對行動(dòng)應用（如：筆記型電腦）、手持式應用（如：手持式掃描器）等使用電池運作的裝置而言相當重要，在相同像素下CMOS圖像傳感器約只要20mW∼50mW的用電，相對的CCD影像感測器卻需要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）的供電就可驅動(dòng)運作，但CCD圖像傳感器卻需要擺盪性的電壓（5V∼15V間變化）才能運作，這對應用開(kāi)發(fā)設計者而言，CCD設計反而是較困難與繁瑣。

◆隨機讀取像素區　增加感測應用彈性

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

具有此一獨到特性后，CMOS圖像傳感器可以實(shí)現只讀取整體影像感應中的部分窗區內容，此稱(chēng)之為「Windowing」，此可以用來(lái)實(shí)現晶片內的電子式鏡頭移動(dòng)、偏向、縮放等效果。更廣義地說(shuō)，Windowing特性對影像感測應用而言能帶來(lái)壓縮、移動(dòng)性偵測、或目標追蹤等功效，此一特性對保全監視用的攝影系統設計而嚴格外受用。

◆更快速的畫(huà)框率

主動(dòng)式像素在結構上就具有快速感測的天性，因此適合用在一些（移動(dòng)）動(dòng)作分析方面的應用，主動(dòng)式像素在驅動(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)式像素結構快速，同時(shí)也比CCD影像感測器快速。另外CMOS圖像傳感器可以?xún)冉?lèi)比數位轉換器（Analog Digital Converter；ADC），使感測資料可以盡快輸出到感測晶片外，內建類(lèi)比數位轉換器的另一好處是感測影像直接在晶片內就轉換成數位信號，如此可以免去類(lèi)比信號因傳輸而遭受到雜訊干擾。
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◆更容易實(shí)現智慧型功效

同樣是CMOS制程的天性使然，CMOS圖像傳感器可以與信號處理整合設計，如此可讓CMOS影像感測器的功效超越傳統的標準攝影機功效，例如透過(guò)信號處理可以實(shí)現自動(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，或者為了設計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，其他的信號處理功效還有色彩編碼（Color Encoding）、內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，甚至可針對某些影像應用而進(jìn)行信號處理的支援性，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，其影像感測效果就會(huì )大幅轉劣，但CCD影像感測器卻沒(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器內，以及降低影像感測器的雜訊問(wèn)題。

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

另外一種作法是在原有半導體制程上強化，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），新增此結構可將光源吸收到硅晶片的內部，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，使感測品質(zhì)提升，不過(guò)現階段此種制程也會(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影像感測器在感測畫(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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