传统的CCD（电荷耦合元件）影像感测器技术已经无法满足目前工业与专业摄影影像撷取之需求。业界以标准CMOS技术为基础，开发出创新的区域感测器替代方案，这类CMOS元件具有极佳的弹性、优异的静态与动态特性，以及易于与所有系统环境整合的功能，而其中医疗电子就是最典型的创新应用领域。

从CD到CMOS的必然趋势

过去30多年来，CCD一直被用作影像转换之用途。由于CCD的技术已非常成熟，因此能够以极低的杂讯，呈现优异的影像品质。由于CCD是以像素对像素的序列模式传送影像资料，因此，这类元件需要多种运作电压、外部时脉产生器，以及精密的驱动与测试元件，对于空间与功耗的需求较大。这种种限制让CCD影像感测器无法满足现今系统对于效能与弹性的要求。如今，业界正经历从CCD影像感测器转换至CMOS区域感测器的技术转移过程。而CMOS感测器最具吸引力的特性如下：

更完善的系统整合

随着数位整合的演进，例如将影像撷取、影像处理以及无线通讯等以往各种独立运作的功能汇整至小巧的装置中。因此，市场对于能够部份独立运作的子系统之需求持续扩增，这样即能将更多功能整合至一个装置中。例如：在专业量测技术方面，具备弹性的数位相机、PDA使用介面、以及WLAN（无线区域网路）连结功能的可携式检测设备，不仅可扩大光学测试的作业范围，并能提高监测的效率。此外，医学影像处理是另一项影像感测器锁定的传统应用领域，包括大尺寸的X光、所有内视镜检查以至吞入式「药丸状摄影机（camera-in-a pill）」的抛弃式医疗用途产品。在这些领域中，CMOS技术提供一个功能完备的建置平台。相较于CCD影像感测器仍需要外部逻辑来支援控制与类比/数位转换的功能，CMOS摄录器晶片则能够将影像感测器、控制、转换器、评估逻辑以及HF高频传输器等功能，全部以相同的技术建构在同一个矽元件表面。根据应用范围、开发成本与生产数量等成本考量，将更多的系统功能整合至一个独立运作的光电感测器系统中是一个非常理想的选择。

更低的功耗

一个独立于主网路的可携式装置只有在其元件与子系统的功耗都相当低时，才符合成本效应。CMOS技术在这方面有相当优异的表现，CMOS影像感测器仅需要使用3.3伏特甚至2.5伏特的电压，反观大多数CCD晶片则需要多重而且例如12伏特等较高的电压；而这些电压最初必须由分散式电压转换器所产生，而且这类元件往往会占用电路板中宝贵的空间，若将控制与系统功能整合到CMOS感测器中，由于不需要外部半导体元件连接的线路及其所需的驱动电力，整体效能也因此能进一步提升。相较于需透过电路板或基板与感测器外部元件进行通讯的方式，晶片内通讯作业的耗电量可明显地降低许多。

这带来另一个好处就是CMOS影像感测器的杂讯能够因此降低。另一方面，CMOS也具有相当高的免产生杂讯的能力，因为影像感测器整合了类比/数位转换器，容易受类比讯号干扰的线路就不必被建构于感测元件之外。另外，数位影像输出讯号让系统整合人员在不需浪费资源的状况下，开发出一个在条件不佳的环境下也能顺利运作且具备强大功能的CMOS摄录器。吞入式摄影机与内视镜这类使用于人体内的医疗应用产品都需要具备低耗电的特性，因为除了配置散热系统的可能性相当低之外，吞入式摄影机之类的产品功耗亦受到限制，而且运作温度必须与体温相近。

更有弹性的影像撷取方式

在各种医疗与工业应用方面，一般所撷取的影像只有特定细部画面内容具有使用价值。然而由于CCD影像感测器采用序列传输技术，因此是以整个画面为影像读取单位，而且系统必须透过一个独立的评估电路，才能撷取所需部份的影像内容。

相较之下，CMOS影像感测器的结构与记忆体阵列类似，如（图一），因此可以透过次采样或选择部份的影像区域（框选），读取独立的像素或一组像素。

《图一 CMOS影像传感器的架构与内存类似，影像部分可以高画面更新速度下进行读取工作。》

虽然次采样技术在正规采样模式下提供较低的解析度，但画面更新速度却可以倍增，因此CMOS影像感测技术的框选功能仍可协助使用者选取所需的影像区域。框选的四角座标透过序列或平行介面传送至CMOS感测器，由感测器自动处理座标资料以控制资料读取的作业。这也是另一个将额外逻辑功能整合至CMOS感测器的典型实例。然而这种情形在CCD中就不可能发生，因为CCD所采用的技术与逻辑电路并不相容。

更高的动态范围

工业与医疗领域中，影像感测器必须具备高动态范围，因为许多有用的影像都是在逆光的环境下拍摄。线性感测器的动态范围与SNR（signal-noise ratio）讯号杂讯比有直接关连，而CMOS影像感测器具备多重斜率模式，让动态范围得以大幅度提高，如（图二），而SNR则仍维持不变。这点可从光线强度与输出电压维持的精确线性关系看出端倪，让整体转换范围都呈现非线性关系的特性。

《图二 多重斜率的转换可确保高动态范围》

因此，场景中较暗的部份可延伸到相当大的类比/数位转换器转换范围。转换特性的曲线在这种状态下会出现最陡的区段，以确保高灵敏度与对比功能。在线性曲线中位居上段的部份较为平坦，另外也可顺利撷取亮度区域中某些过度曝光的部分。因此场景的动态范围最高可达100 dB，而且具备10位元的数位/类比转换范围。

更高的灵敏度

影像感测器的发展正朝向更高的灵敏度、更短的曝光时间、以及更小的像素尺寸等趋势迈进。因此影像感测器必须充分利用所撷取的少量光子（photons）。填充系数与量子效率是控制像素灵敏度的重要关键，而量子效率意指光子撞击感光元件所产生的电子数量。几何式的填充系数是感光像素范围的比例。另外，与CCD感测器相异的是，并非所有的CMOS像素都能呈现影像。因此，具备高填充系数是CMOS感测技术设计厂商要达成的其中一项重要目标。

Cypress运用一项专利技术让其CMOS的 APS（active pixel sensor）主动式像素感测器达到高填充系数。这种技术改变矽晶片大部份的表面，将标准CMOS制程中无作用或无感光率的区域转换成具有感光率的区域。虽然微小的像素可处理来自各种不同角度的光源，然而，由于光二极体能侦测在整体像素表面下矽磊层所产生的光电子，因此，低强度的暗电流具备辨识这类光源的能力。

目前的趋势

Cypress（FillFactory）是在1999年从IMEC研究中心独立出来所成立的公司。位于比利时Leuven的IMEC为欧洲知名的研究中心，专门研究奈米科技与奈米光电技术，目前FillFactory中许多经验丰富的人才以及专利技术皆是由IMEC研究中心所引进的。而Cypress则在2004年宣布并购FillFactory，让Cypress影像感测器产品阵容更趋完备。以下将探讨以CMOS主动像素影像感测器技术厂商Cypress（FillFactory）的产品为例之各项应用趋势。

Cypress依据成本与技术层面为准则，结合CMOS影像感测器的设计所提供的品质与良率、并充分利用现有的CMOS生产技术、采用理想的封装技术，以及改良静态与动态效能特性与功能，来规划CMOS影像感测器的产品阵容。另外，Cypress也与制造商以及FillFactory CMOS影像感测器的客户持续沟通，借此开发出最符合客户需求的CMOS影像感测器。

影像感测器致力朝向小尺寸产品的趋势发展。其中最典型的例子就是客制化设计的彩色影像感测器BOCA，这款元件支援512×512像素（每个像素大小为6μm×6μm）。此产品已被STM Medizintechnik所采用，应用于其创新抛弃式大肠镜​​产品，如(图三)，借以检测排名第二的常见癌症。这款架构小巧的元件内建时脉产生器与FPN校正功能，让STM Medizintechnik开发出极度卫生且符合病患需求的内视镜装置。

《图三 STM Medizintechnik所制作之invendo C20大肠镜系统的invendo SC20 （体积非常小，位于图片左上方）。》

＜图注：该系统使用Cypress（FillFactory）的CMOS影像感测器。在图的右上方显示利用抛弃式大肠镜​​所探照的肠道缩图。 ＞

另外，Cypress也朝大型感测器的趋势发展，以取代传统、过程复杂的X光片。透过所谓的接合技术（stitching technology），目前已能够顺利采用8吋晶圆技术制造低成本的CMOS影像感测器，相信未来能进一步使用12吋晶圆技术，协助医疗机构加快现代医学影像处理的作业。如今，医学影像处理的技术仍停留在使用以非定型矽晶片制造的光二极体阵列元件。

影像感测器的解析度也持续提升。例如：专为失明人士设计的自动读取装置，内建660万像素的IBIS4-6600，为DIN A4大小的页面提供优异的解析度。这款感测器乃是由类比影像撷取、数位化以及讯号预先处理等功能所建构而成的完整子系统。该晶片仅需使用2.5伏特的电压，其2210×3002像素的感测器阵列，是采用拥有专利权的三电晶体单元（3-transistor cell）作为N-well像素，并搭配3.5μm×3.5μm的高填充系数架构。另外，具备每秒4000万次采样、10位元解析度的平行输出转换器，每秒可输出高达5个全解析度影像的效率。在连结标准影片编码器方面，影像感测器能提供10位元宽的影像尺寸，并能同步处理影像、线条以及像素等讯号。

Cypress与位于德国Erfurt 的X-Fab合作开发的IBIS4-14000-M影像感测器拥有3048×4560解析度，并提供高达1385万像素的解析度，每像素大小为8μm×8μm，而感测器区域等于全格框式35mm的格式。透过四个类比输出通道，画面重复率可多达每秒超过三个画面。 BIS4-14000-M影像感测器可支援任何可编程的框选功能与次采样运作模式，其光学动态范围为65dB。目前多家厂商现正运用这款感测器开发各种生物检测应用产品。

CMOS影像感测器不断扩展其应用范畴，透过更精良的CMOS技术，CMOS影像感测器的灵敏度已能扩展至近红外线NIR（near-infrared）的领域，如(图四)。这种技术的升级应归功于多个EPI层以及p-silicon矽晶尺寸的缩减。

《图四 从多个EPI层搜集的光电子可将灵敏度延伸至近红外线（NIR）的范围》

＜图注：(a)感测器之横切面　(b)标准EPI与五倍EPI层的频谱特性曲线＞

未来展望

透过多种标准的解决方案，CMOS影像感测器以更高的解析度与画面更新速度、以及更高的灵敏度与低成本等特性，正迅速朝向高量产型市场发展。另外，由于业者藉由产品特质与系统整合，而量身设计出多种客制化元件，让这些CMOS影像感测器的应用范围更为广泛。

（作者任职于Cypress Belgium BVBA（FillFactory））

延 伸 阅 读

未来智慧手机的电源管理技术 锐相科技（IC Media Corporation）宣布该公司300万像素CMOS影像感应器产品线技术的新里程碑：以业界最小像素尺寸2.8x2.8微米，使用联华电子0.18微米混合信号制程生产。锐相所研发的300万像素感应器，将可缩小相机模组于应用产品中，如照相手机内的体积。该公司将持续致力于发展更小的微米像素尺寸以扩充300万像素产品线。相关介绍请见「 锐相0.28微米影像感应器采联电CMOS混合信号制程」一文。 CCD影像感应器目前已大部份被使用在数位相机上，而近年来CMOS感应器也逐渐开始出现在数位相机的市场当中，CMOS的诞生具备了许多CCD所没有的一些优势，例如：省电、高集成度、成本更低等等。因此未来数位相机的影像感应器市场将会是CCD与CMOS的兵家必争之地。你可在「 浅析CCD与CMOS影像感应器的技术原理 」一文中得到进一步的介绍。 翻查资料，原来电子影像可追索至1873年，当时科学家约瑟美（Joseph May）及伟洛比史密夫（WilloughbySmith）发现硒元素（Selenium）结晶体感光后可产生电流，是电子影像发展之开始。其后陆续有组织和学者研究电子影像，其中重要的发明有电视系统、光学倍增管（PhotoMultiplier Tube；PMT）和电子耜合器（Charge Coupled Device；CCD）。在「 电子影像感应器」一文为你做了相关的评析。

市场动态

东芝宣布了其Dynastron系列CMOS影像感应器的最新成员ET8E99-AS，它能为照相手机和PDA提供320万画素的影像感应能力，而且体积更小，性能更高，电力消耗也更低。 ET8E99-AS的样品将很快上市，售价44美元。相关介绍请见「 东芝发布320万像素手机影像感应器」一文。 CMOS具有明显的简单和低成本的特点，所以最近日趋成熟的CMOS产品开始侵蚀CCD产品的市场。不可否认的是，CCD晶片在500万象素以上的数码相机产品中，能够达到CMOS无法比拟的视觉效果。但是，CMOS的强项在于动态视频以及其节能性。你可在「 高阶CMOS，你凭什么与CCD同行」一文中得到进一步的介绍。 根据American Technology Research发布的报告，Micron Technology近年在CMOS影像感应器市场的表现非常亮丽，超越其他所有的竞争对手，其中包括了韩国记忆体巨子Samsung Electronics；事实上，Micron的CMOS感应器产品甚至为Samsung采用。 American Technology Research指出，Micron已迅速成为全球最大的CMOS影像感应器供应商（以营收计算）。在「 Micron迅速成为全球最大CMOS影像感应器供货商」一文为你做了相关的评析。