CMOS不及CCD傳感器優(yōu)勢

　　感光耦合元件(Charge Coupled Device;CCD)影像傳感器近年雖被互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor;CMOS)搶盡鋒頭，卻仍是天文儀器與光譜儀應用首選，預料未來(lái)有望提升在一般性中階市場(chǎng)與利基市場(chǎng)的應用規模。

　　據Photonics Spectra網(wǎng)站報導，過(guò)去數十年，CCD影像感測元件逐漸被CMOS元件取代，后者已成為手機相機、監控系統等應用的主流選擇。CCD感光元件敏感度高、讀出雜訊(readout noise)少，也因此主導感光元件產(chǎn)業(yè)30余年。

　　然而，由于CMOS感光元件技術(shù)近年大幅升級，強化解析度、讀出速度，降低雜訊、價(jià)格下降等優(yōu)勢，導致許多感光元件市場(chǎng)區塊從CCD轉移至CMOS，包括生命科學(xué)、消費市場(chǎng)以及監控設備等等。

　　BAE Systems、CMOSIS、Sony等公司紛紛砸下重金投資CMOS技術(shù)，并大力行銷(xiāo)，現在已有許多4 MP以上、超過(guò)50 fps，而電子讀出雜訊少的感光元件。不過(guò)，CCD并非毫無(wú)用武之地，CCD技術(shù)在要求高敏感度與長(cháng)時(shí)間曝光的應用環(huán)境下，無(wú)非是最佳選擇。

　　例如活體分子影像(in vivo imaging)仰賴(lài)微弱的熒光訊號，曝光時(shí)間達數分鐘甚至數小時(shí)，便適合使用CCD感光元件。同樣的，需要長(cháng)時(shí)間曝光的天文應用，例如觀(guān)星也以CCD技術(shù)為佳。隨著(zhù)CCD售價(jià)持續下降、效能卻不變的情況下，可望成為中階市場(chǎng)熱門(mén)應用。

　　若要回應目前市場(chǎng)需求，CCD傳感器得改善更**長(cháng)范圍下的敏感度。傳統CCD傳感器對于1,100nm以上波長(cháng)缺乏敏感度，使其無(wú)法運用于短波紅外線(xiàn)(SWIR)鏡頭上。

　　不過(guò)，最新InGaAs傳感器使用與CMOS傳感器類(lèi)似的讀出原理，在徹底冷卻的情況下，可增強1,100 nm以上波長(cháng)的量子效率(quantum efficiency)、減少干涉現象(etaloning)，提升讀出速度及敏感度。

　　另 外，近年業(yè)界亦有號稱(chēng)敏感度最佳的電子倍增(Electron Multiplication;EM)結構CCD元件技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)EMCCD。像是e2v Technologies、德儀(TI)等廠(chǎng)商都推出速度更快、且能提供亞電子(sub-electron)讀出雜訊性能的傳感器，而安森美半導體(ON Semiconductor)也研發(fā)出新型高解析度EMCCD傳感器。

　　Princeton Instruments近期推出一款高速EMCCD相機，EMCCD傳感器透過(guò)影像增強器(image intensifier)，更可改善線(xiàn)性化(linearity)并具單一光子(photon)敏感度，成像速度高達10,000fps。不過(guò)，盡管這樣的EMCCD具單一光子敏感度，在全解析度之下仍比不上CMOS感光元件的畫(huà)面更新率。

　　光譜儀業(yè)者Horiba Scientific發(fā)現，過(guò)去光學(xué)與成像技術(shù)利基市場(chǎng)的需求漸漸增加，目前已在許多領(lǐng)域成為標準。Horiba Scientific經(jīng)理指出，過(guò)去常用來(lái)作為研究工具與方法的技術(shù)，現在已有較一般性的用途，例如品質(zhì)控管等等。

　　由 于高效率偵測的需求愈來(lái)愈大，也愈來(lái)愈多人采CCD提供的多工陣列偵查(multiplexing array detection)取代傳統的單管道偵測器(single-channel detector)，廠(chǎng)商也挹注大量資源改善動(dòng)態(tài)范圍(intrascenic dynamic range)技術(shù)，成為CCD傳感器發(fā)展的驅力之一。

　　而若客戶(hù)要求加快讀取時(shí)間又不犧牲敏感度，則可采用時(shí)間延滯集成(TDI) CCD傳感器，這是較早期的CMOS傳感器版本無(wú)法取代的CCD關(guān)鍵技術(shù)。

　　TDI技術(shù)常見(jiàn)于產(chǎn)業(yè)與遠端感測應用，可在高速成像的條件之下提升訊雜比(Signal-to-Noise Ratio;SNR)。TDI傳感器可將不同時(shí)間分點(diǎn)的感光訊號集成起來(lái)，以達最佳雜訊效能。

　　不同廠(chǎng)商用不同方式整合TDI技術(shù)與CMOS，有的廠(chǎng)商直接整合CCD光感測元件(photosite)與CMOS影像傳感器，而也有廠(chǎng)商會(huì )將CCD光感測元件與CMOS讀出芯片制程分開(kāi)，再將CCD與CMOS用3D-IC技術(shù)串接起來(lái)。

　　目前，推動(dòng)CCD感光元件技術(shù)應用的市場(chǎng)區塊，包括光譜儀(spectroscopy)、超光譜成像(hyperspectral Imaging)、生醫成像(biomedical imaging)、顯微鏡、天文學(xué)、量子成像(quantum imaging)、X-ray成像、機器視覺(jué)(machine vision)等應用。

　　綜言之，CCD傳感器仍坐穩光譜儀與影像研究應用等優(yōu)勢，而雖然相機市場(chǎng)風(fēng)向轉移至CMOS，但是隨CCD制作成本降低、技術(shù)提升，可望打進(jìn)一般性中階市場(chǎng)與利基市場(chǎng)。