傳統的CCD（電荷耦合元件）影像感測器技術已經無法滿足目前工業與專業攝影影像擷取之需求。業界以標準CMOS技術為基礎，開發出創新的區域感測器替代方案，這類CMOS元件具有極佳的彈性、優異的靜態與動態特性，以及易於與所有系統環境整合的功能，而其中醫療電子就是最典型的創新應用領域。

從CCD到CMOS的必然趨勢

過去30多年來，CCD一直被用作影像轉換之用途。由於CCD的技術已非常成熟，因此能夠以極低的雜訊，呈現優異的影像品質。由於CCD是以像素對像素的序列模式傳送影像資料，因此，這類元件需要多種運作電壓、外部時脈產生器，以及精密的驅動與測試元件，對於空間與功耗的需求較大。這種種限制讓CCD影像感測器無法滿足現今系統對於效能與彈性的要求。如今，業界正經歷從CCD影像感測器轉換至CMOS區域感測器的技術轉移過程。而CMOS感測器最具吸引力的特性如下：

更完善的系統整合

隨著數位整合的演進，例如將影像擷取、影像處理以及無線通訊等以往各種獨立運作的功能彙整至小巧的裝置中。因此，市場對於能夠部份獨立運作的子系統之需求持續擴增，這樣即能將更多功能整合至一個裝置中。例如：在專業量測技術方面，具備彈性的數位相機、PDA使用介面、以及WLAN（無線區域網路）連結功能的可攜式檢測設備，不僅可擴大光學測試的作業範圍，並能提高監測的效率。此外，醫學影像處理是另一項影像感測器鎖定的傳統應用領域，包括大尺寸的X光、所有內視鏡檢查以至吞入式「藥丸狀攝影機（camera-in-a pill）」的拋棄式醫療用途產品。在這些領域中，CMOS技術提供一個功能完備的建置平台。相較於CCD影像感測器仍需要外部邏輯來支援控制與類比/數位轉換的功能，CMOS攝錄器晶片則能夠將影像感測器、控制、轉換器、評估邏輯以及HF高頻傳輸器等功能，全部以相同的技術建構在同一個矽元件表面。根據應用範圍、開發成本與生產數量等成本考量，將更多的系統功能整合至一個獨立運作的光電感測器系統中是一個非常理想的選擇。

更低的功耗

一個獨立於主網路的可攜式裝置只有在其元件與子系統的功耗都相當低時，才符合成本效應。CMOS技術在這方面有相當優異的表現，CMOS影像感測器僅需要使用3.3伏特甚至2.5伏特的電壓，反觀大多數CCD晶片則需要多重而且例如12伏特等較高的電壓；而這些電壓最初必須由分散式電壓轉換器所產生，而且這類元件往往會佔用電路板中寶貴的空間，若將控制與系統功能整合到CMOS感測器中，由於不需要外部半導體元件連接的線路及其所需的驅動電力，整體效能也因此能進一步提升。相較於需透過電路板或基板與感測器外部元件進行通訊的方式，晶片內通訊作業的耗電量可明顯地降低許多。

這帶來另一個好處就是CMOS影像感測器的雜訊能夠因此降低。另一方面，CMOS也具有相當高的免產生雜訊的能力，因為影像感測器整合了類比/數位轉換器，容易受類比訊號干擾的線路就不必被建構於感測元件之外。另外，數位影像輸出訊號讓系統整合人員在不需浪費資源的狀況下，開發出一個在條件不佳的環境下也能順利運作且具備強大功能的CMOS攝錄器。吞入式攝影機與內視鏡這類使用於人體內的醫療應用產品都需要具備低耗電的特性，因為除了配置散熱系統的可能性相當低之外，吞入式攝影機之類的產品功耗亦受到限制，而且運作溫度必須與體溫相近。

更有彈性的影像擷取方式

在各種醫療與工業應用方面，一般所擷取的影像只有特定細部畫面內容具有使用價值。然而由於CCD影像感測器採用序列傳輸技術，因此是以整個畫面為影像讀取單位，而且系統必須透過一個獨立的評估電路，才能擷取所需部份的影像內容。

相較之下，CMOS影像感測器的結構與記憶體陣列類似，如（圖一），因此可以透過次採樣或選擇部份的影像區域（框選），讀取獨立的像素或一組像素。

《圖一　CMOS影像感測器的架構與記憶體類似，影像部分可以高畫面更新速度下進行讀取工作。》

雖然次採樣技術在正規採樣模式下提供較低的解析度，但畫面更新速度卻可以倍增，因此CMOS影像感測技術的框選功能仍可協助使用者選取所需的影像區域。框選的四角座標透過序列或平行介面傳送至CMOS感測器，由感測器自動處理座標資料以控制資料讀取的作業。這也是另一個將額外邏輯功能整合至CMOS感測器的典型實例。然而這種情形在CCD中就不可能發生，因為CCD所採用的技術與邏輯電路並不相容。

更高的動態範圍

工業與醫療領域中，影像感測器必須具備高動態範圍，因為許多有用的影像都是在逆光的環境下拍攝。線性感測器的動態範圍與SNR（signal-noise ratio）訊號雜訊比有直接關連，而CMOS影像感測器具備多重斜率模式，讓動態範圍得以大幅度提高，如（圖二），而SNR則仍維持不變。這點可從光線強度與輸出電壓維持的精確線性關係看出端倪，讓整體轉換範圍都呈現非線性關係的特性。

《圖二　多重斜率的轉換可確保高動態範圍》

因此，場景中較暗的部份可延伸到相當大的類比/數位轉換器轉換範圍。轉換特性的曲線在這種狀態下會出現最陡的區段，以確保高靈敏度與對比功能。在線性曲線中位居上段的部份較為平坦，另外也可順利擷取亮度區域中某些過度曝光的部分。因此場景的動態範圍最高可達100 dB，而且具備10位元的數位/類比轉換範圍。

更高的靈敏度

影像感測器的發展正朝向更高的靈敏度、更短的曝光時間、以及更小的像素尺寸等趨勢邁進。因此影像感測器必須充分利用所擷取的少量光子（photons）。填充係數與量子效率是控制像素靈敏度的重要關鍵，而量子效率意指光子撞擊感光元件所產生的電子數量。幾何式的填充係數是感光像素範圍的比例。另外，與CCD感測器相異的是，並非所有的CMOS像素都能呈現影像。因此，具備高填充係數是CMOS感測技術設計廠商要達成的其中一項重要目標。

Cypress運用一項專利技術讓其CMOS的 APS（active pixel sensor）主動式像素感測器達到高填充係數。這種技術改變矽晶片大部份的表面，將標準CMOS製程中無作用或無感光率的區域轉換成具有感光率的區域。雖然微小的像素可處理來自各種不同角度的光源，然而，由於光二極體能偵測在整體像素表面下矽磊層所產生的光電子，因此，低強度的暗電流具備辨識這類光源的能力。

目前的趨勢

Cypress（FillFactory）是在1999年從IMEC研究中心獨立出來所成立的公司。位於比利時Leuven的IMEC為歐洲知名的研究中心，專門研究奈米科技與奈米光電技術，目前FillFactory中許多經驗豐富的人才以及專利技術皆是由IMEC研究中心所引進的。而Cypress則在2004年宣布併購FillFactory，讓Cypress影像感測器產品陣容更趨完備。以下將探討以CMOS主動像素影像感測器技術廠商Cypress（FillFactory）的產品為例之各項應用趨勢。

Cypress依據成本與技術層面為準則，結合CMOS影像感測器的設計所提供的品質與良率、並充分利用現有的CMOS生產技術、採用理想的封裝技術，以及改良靜態與動態效能特性與功能，來規劃CMOS影像感測器的產品陣容。另外，Cypress也與製造商以及FillFactory CMOS影像感測器的客戶持續溝通，藉此開發出最符合客戶需求的CMOS影像感測器。

影像感測器致力朝向小尺寸產品的趨勢發展。其中最典型的例子就是客制化設計的彩色影像感測器BOCA，這款元件支援512×512像素（每個像素大小為6μm×6μm）。此產品已被STM Medizintechnik所採用，應用於其創新拋棄式大腸鏡產品，如(圖三)，藉以檢測排名第二的常見癌症。這款架構小巧的元件內建時脈產生器與FPN校正功能，讓STM Medizintechnik開發出極度衛生且符合病患需求的內視鏡裝置。

《圖三　STM Medizintechnik所製作之invendo C20大腸鏡系統的invendo SC20 （體積非常小，位於圖片左上方）。》

＜圖註：該系統使用Cypress（FillFactory）的CMOS影像感測器。在圖的右上方顯示利用拋棄式大腸鏡所探照的腸道縮圖。＞

另外，Cypress也朝大型感測器的趨勢發展，以取代傳統、過程複雜的X光片。透過所謂的接合技術（stitching technology），目前已能夠順利採用8吋晶圓技術製造低成本的CMOS影像感測器，相信未來能進一步使用12吋晶圓技術，協助醫療機構加快現代醫學影像處理的作業。如今，醫學影像處理的技術仍停留在使用以非定型矽晶片製造的光二極體陣列元件。

影像感測器的解析度也持續提升。例如：專為失明人士設計的自動讀取裝置，內建660萬像素的IBIS4-6600，為DIN A4大小的頁面提供優異的解析度。這款感測器乃是由類比影像擷取、數位化以及訊號預先處理等功能所建構而成的完整子系統。該晶片僅需使用2.5伏特的電壓，其2210×3002像素的感測器陣列，是採用擁有專利權的三電晶體單元（3-transistor cell）作為N-well像素，並搭配3.5μm×3.5μm的高填充係數架構。另外，具備每秒4000萬次採樣、10位元解析度的平行輸出轉換器，每秒可輸出高達5個全解析度影像的效率。在連結標準影片編碼器方面，影像感測器能提供10位元寬的影像尺寸，並能同步處理影像、線條以及像素等訊號。

Cypress與位於德國Erfurt 的X-Fab合作開發的IBIS4-14000-M影像感測器擁有3048×4560解析度，並提供高達1385萬像素的解析度，每像素大小為8μm×8μm，而感測器區域等於全格框式35mm的格式。透過四個類比輸出通道，畫面重複率可多達每秒超過三個畫面。BIS4-14000-M影像感測器可支援任何可編程的框選功能與次採樣運作模式，其光學動態範圍為65dB。目前多家廠商現正運用這款感測器開發各種生物檢測應用產品。

　　CMOS影像感測器不斷擴展其應用範疇，透過更精良的CMOS技術，CMOS影像感測器的靈敏度已能擴展至近紅外線NIR（near-infrared）的領域，如(圖四)。這種技術的升級應歸功於多個EPI層以及p-silicon矽晶尺寸的縮減。

《圖四　從多個EPI層搜集的光電子可將靈敏度延伸至近紅外線（NIR）的範圍》

＜圖註：(a)感測器之橫切面　(b)標準EPI與五倍EPI層的頻譜特性曲線＞

未來展望

透過多種標準的解決方案，CMOS影像感測器以更高的解析度與畫面更新速度、以及更高的靈敏度與低成本等特性，正迅速朝向高量產型市場發展。另外，由於業者藉由產品特質與系統整合，而量身設計出多種客制化元件，讓這些CMOS影像感測器的應用範圍更為廣泛。

（作者任職於Cypress Belgium BVBA（FillFactory））

延 伸 閱 讀

未來智慧手機的電源管理技術 銳相科技（IC Media Corporation）宣佈該公司300萬像素CMOS影像感應器產品線技術的新里程碑：以業界最小像素尺寸2.8x2.8微米，使用聯華電子0.18微米混合信號製程生產。銳相所研發的300萬像素感應器，將可縮小相機模組於應用產品中，如照相手機內的體積。該公司將持續致力於發展更小的微米像素尺寸以擴充300萬像素產品線。相關介紹請見「 銳相0.28微米影像感應器採聯電CMOS混合訊號製程」一文。 CCD影像感應器目前已大部份被使用在數位相機上，而近年來CMOS感應器也逐漸開始出現在數位相機的市場當中，CMOS的誕生具備了許多CCD所沒有的一些優勢，例如：省電、高集成度、成本更低等等。因此未來數位相機的影像感應器市場將會是CCD與CMOS的兵家必爭之地。你可在「 淺析CCD與CMOS影像感應器的技術原理 」一文中得到進一步的介紹。 翻查資料，原來電子影像可追索至1873年，當時科學家約瑟 美（Joseph May）及偉洛比史密夫（WilloughbySmith）發現硒元素（Selenium）結晶體感光後可產生電流，是電子影像發展之開始。其後陸續有組織和學者研究電子影像，其中重要的發明有電視系統、光學倍增管（PhotoMultiplier Tube；PMT）和電子耜合器（Charge Coupled Device；CCD）。在「 電子影像感應器」一文為你做了相關的評析。

市場動態

東芝宣佈了其Dynastron系列CMOS影像感應器的最新成員ET8E99-AS，它能為照相手機和PDA提供320萬畫素的影像感應能力，而且體積更小，性能更高，電力消耗也更低。ET8E99-AS的樣品將很快上市，售價44美元。相關介紹請見「 東芝發佈320萬像素手機影像感應器」一文。 CMOS具有明顯的簡單和低成本的特點，所以最近日趨成熟的CMOS產品開始侵蝕CCD產品的市場。不可否認的是，CCD晶片在500萬象素以上的數碼相機產品中，能夠達到CMOS無法比擬的視覺效果。但是，CMOS的強項在於動態視頻以及其節能性。你可在「 高階CMOS，你憑什麼與CCD同行」一文中得到進一步的介紹。 根據American Technology Research發佈的報告，Micron Technology近年在CMOS影像感應器市場的表現非常亮麗，超越其他所有的競爭對手，其中包括了韓國記憶體鉅子Samsung Electronics；事實上，Micron的CMOS感應器產品甚至為Samsung採用。American Technology Research指出，Micron已迅速成為全球最大的CMOS影像感應器供應商（以營收計算）。在「 Micron迅速成為全球最大CMOS影像感應器供貨商」一文為你做了相關的評析。