计算机概论_CMOS和CCD影像感测器技术原理

計概報告

CMOS

和

CCD

影像感測器技術原

理

CMOS

感測器技術

CMOS

感測器是於

1980

年代發明出來，只是當時

CMOS

製程的製作技術

不高，以至於感測器雜訊大，商品化並不容易。時至今日，

CMOS

感射器的應

用範圍非常的廣泛，包括數位像機、

PC Camera

、影像電話、第三代手機系

統、智慧型保全 系統、汽車倒車雷達，以及工業、醫療等用途。由於使用層面

廣泛，非常有利於

CMOS

產品的普及，

CMOS

不但體積小，耗電量也不到

CCD

的

< br>1/10

，售價也比

CCD

便宜

1/3

，畫質已接近低階解析度的

CC D

，國內

相關業者已開始採用

CMOS

替代

CCD

。

雖然

CMOS

真正快速發展只有

2

、

3

年的時間，在 品質上難與

CCD

媲美，

但是，

CMOS

終究會取代

CCD

< br>成為主流。

CMOS

欲成為市場主流的最大問題

在於品質。就目前而言，較高畫素的

CMOS

面 臨到感度、信噪比不足等問題，

影像品質無法與

CCD

感測器相比，以目前的條件，

CMOS

感測器要 普遍應用

在

130

萬畫素以上數位像機 市場，時機尚未成熟。但是，影像感測器市場應用

範圍很廣，涵蓋消費、工業、商業等領 域，根據台機電的統計數據顯示，從

1999

年到

2004

年，

CMOS

感測 器每年的復合成長率都將超過

25

%

。

與

CCD

相 較之下，

CMOS

是標準製程，可利用現有的半導體設備，不需

額外的投資設備，且品質可跟著半導體技術的提昇而進步。同時，全球晶圓廠

CMOS

生產線較多，有利於其量產以降低成本 。另外，

CMOS

的感測器的

最大優勢 ，是它具有高度系統整合的條件。理論上，所有影像感測器所需的功

能，都可以放在同一 顆晶片上，甚至所有的晶片包括後端晶片

(Back-end

Chip)

、快閃記憶體

(Flash RAM)......

都整合成單晶片

(SYSTEM-ON- CHIP)

，以

降低數位像機生產成本。

一般來說，

CMOS

感測器可分為 ：被動式畫素感測器

(Passisve Pixel

Sensor CMOS)

與主動是畫素感測器

(Active Pixel Sensor CMOS)

。

被動式畫素感測器

被動式畫素感測器

CMOS

是一種低成本、低耗電的感測器，但缺點是高雜

訊、高抗阻、低動態範圍。被動式畫素感測器的光譜反應頻寬範圍除了可見光

< br>以外，也可以對紅外線反應，因此，可以被應用在安全監視器、汽車夜視裝置

等產 品上。

主動式畫素感測器

主動式畫素感應器

CMOS

是最近發展出來的

CMOS< /p>

感測器，它針對

CMOS

高雜度的缺點， 在感測器的每一個畫素上加上訊號轉換迴路，以放大訊

號及讀取信號。因此，主動式畫素 感測器

CMOS

比被動式畫素感測器

C MOS

有較好的畫質、較低的雜訊，但是卻增加

CMOS

感測器的複雜度

(High

Complex ity)

，並且會降低感測器所能捕捉的光線強度

(Low Fill Factor)

。

一般而 言，

CCD

感測器的

Fill Fac tor

可以達到

60%

，但是

APS CMOS

的

Fill Factor

只有

20

~30%

。為了解決這個問題，

APS CMOS

感測器在每一個畫

素上加上微鏡片，可以使每一個畫素所接受的光線做類似聚焦的動作，使得

Fill

Factor

提高

2

至

3

倍，大幅改善

APS CMOS

感測器的影像品質，也增加其與

CC D

感測器在高階數位像機市場的競爭力。

CCD

影像感測器

< br>CCD

感測器能將感測到的光轉換成電荷訊號，然後再把電子數位化並加以

處理，就像儲存一般電子訊息一樣儲存起來。

CCD

< br>影像感測器的價格範圍相當

廣，從數十美元到十萬美元不等，設計使用它的考慮點 是在電磁輻射的靈敏

度、過度照射的保護操作速度及是訊號速率。

CCD

感測器是一種矽基固態影像感測元件，是利用半導體 的技術累積成二

維面型的陣列，成為高密度畫素，具有高解析度及高感度之特性。依感光 頻譜

區分，可區分為：可見光、紅外光、

X

射線

......

等種類，一般我們常用的多為可