部份分析觀察家指出:2010年時,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。類似的,自從90年代末CMOS圖像傳感器即開始在一些應(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,再加上多項新影像感測應(yīng)用的出現(xiàn),如拍照手機(jī)、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(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圖像傳感器已成時間問題,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(xiàn)都將超越CCD圖像傳感器,雖然CMOS圖像傳感器在多項表現(xiàn)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(xù)在某些應(yīng)用領(lǐng)域中佔(zhàn)有市場,且不一定拘限于利基市場,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(yīng)用設(shè)計時的評估參考。
CMOS感測品質(zhì)大躍進(jìn):主動式像素技術(shù)
首先我們必須從過往的技術(shù)歷程來瞭解CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器,老實(shí)說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30年的歷史,相對的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)是一個技術(shù)發(fā)展演進(jìn)的轉(zhuǎn)捩點(diǎn),此時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品質(zhì),自此以后CMOS圖像傳感器的應(yīng)用才逐漸開展。也因為主動式像素架構(gòu)的提出,為了與過往的架構(gòu)有所區(qū)別,因此將過去的傳統(tǒng)架構(gòu)稱為被動式像素(Passive Pixel)架構(gòu)。
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為何主動式像素感測器架構(gòu)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(gòu)設(shè)計上來說明,傳統(tǒng)被動式像素是將每個獨(dú)立電晶體(并搭配電容器)做為每個影像感測像素的開關(guān)(Switch),將感測器感應(yīng)到光源,并將光轉(zhuǎn)換成電子后,將這些輸出的電子儲存到電容器內(nèi),之后再讀取行列交會處的電容器,并將電容器內(nèi)的電子訊號透過訊號放大器加以放大。
相對的,主動式像素架構(gòu)的作法是在每個影像感測像素上都設(shè)置訊號放大器與雜訊控制元件,這樣就可以避免被動式像素架構(gòu)的一些缺陷,被動式像素架構(gòu)的主要弱處就在于訊號運(yùn)送過程中遭受到雜訊干擾,而主動式像素感測因為就近在為每個像素設(shè)置專屬的訊號放大器、雜訊控制等設(shè)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:韓國MagnaChip公司的CMOS圖像傳感器之?dāng)z影機(jī)模組:HV7171SP(210萬像素),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,這也使得愈來愈多的應(yīng)用設(shè)計者愿意用CMOS圖像傳感器來取代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、專屬的制造、制程技術(shù)來實(shí)現(xiàn),因此制造成本較高。相對的,CMOS圖像傳感器能夠用標(biāo)準(zhǔn)的制造設(shè)備來產(chǎn)制,現(xiàn)今所有的半導(dǎo)體晶片有90%都是透過這些標(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。
也因為使用標(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放大器、雜訊控制等電路,來實(shí)現(xiàn)主動式像素的感測器架構(gòu),同時標(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)動性
主動式像素感測器架構(gòu)的CMOS影像感測器的用電相當(dāng)少,與CCD圖像傳感器相比可相差達(dá)近100倍,這對行動應(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(qū)動運(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,這對應(yīng)用開發(fā)設(shè)計者而言,CCD設(shè)計反而是較困難與繁瑣。
◆隨機(jī)讀取像素區(qū) 增加感測應(yīng)用彈性
由于主動式像素結(jié)構(gòu)的CMOS圖像傳感器,其每個感應(yīng)像素都具有獨(dú)立配屬的光電二極體(Photodiode,也稱:感光二極體)及讀取感測信號用的放大器(Readout Amplifier),如此感應(yīng)的電荷可以從行列線路上(X-Y Wires)讀取,相對的CCD影像感測器的每一個電荷區(qū)(Charge Domain)是用移位暫存器(Shift Register)來讀取,所以CMOS影像感測器無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,此稱之為「Windowing」,此可以用來實(shí)現(xiàn)晶片內(nèi)的電子式鏡頭移動、偏向、縮放等效果。更廣義地說,Windowing特性對影像感測應(yīng)用而言能帶來壓縮、移動性偵測、或目標(biāo)追蹤等功效,此一特性對保全監(jiān)視用的攝影系統(tǒng)設(shè)計而嚴(yán)格外受用。
◆更快速的畫框率
主動式像素在結(jié)構(gòu)上就具有快速感測的天性,因此適合用在一些(移動)動作分析方面的應(yīng)用,主動式像素在驅(qū)動影像陣列中的欄(Column)匯流排的速度上能夠過去的被動式像素結(jié)構(gòu)快速,同時也比CCD影像感測器快速。另外CMOS圖像傳感器可以內(nèi)建類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器(Analog Digital Converter;ADC),使感測資料可以盡快輸出到感測晶片外,內(nèi)建類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器的另一好處是感測影像直接在晶片內(nèi)就轉(zhuǎn)換成數(shù)位信號,如此可以免去類比信號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處理整合設(shè)計,如此可讓CMOS影像感測器的功效超越傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)攝影機(jī)功效,例如透過信號處理可以實(shí)現(xiàn)自動曝光控制(Auto Exposure Control;AGC),另外也可以抵抗抖動(Anti Jitter),使影像畫面更為穩(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(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、畫面動作追蹤等,甚至可針對某些影像應(yīng)用而進(jìn)行信號處理的支援性,例如視訊會議(Video Conferencing)、無線控制等。
圖說: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如何改善畫質(zhì)
CMOS圖像傳感器雖然有諸多特點(diǎn)勝過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大幅轉(zhuǎn)劣,但CCD影像感測器卻沒有這樣的問題。為了改善此一問題,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(nèi),以及降低影像感測器的雜訊問題。
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)改善了雜訊問題,使感測品質(zhì)提升,不過現(xiàn)階段此種制程也會增加晶片的制造成本。
不過,上述兩種改善感測畫質(zhì)的方式,都尚未真正成熟普及,其它的嘗試技術(shù)也都類似,一旦CMOS影像感測器在感測畫質(zhì)上能再行提升,那么取代CCD圖像傳感器的進(jìn)度也會更為加速。
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