【導(dǎo)讀】從多項層面看，CMOS圖像傳感器的持續(xù)強勁發(fā)展，最終將超越CMOS圖像傳感器，且這樣的轉(zhuǎn)變預(yù)計在往后幾年內(nèi)就會實現(xiàn)，不過與其他變革相同的，從舊變革到新，其利、弊兩者必然紛陳，CMOS圖像傳感器如何累積能量與優(yōu)勢，將弊處降至最低、益處持續(xù)提升，這將成為CMOS圖像傳感器后續(xù)發(fā)展推進的主要課題。
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、指紋辨識、網(wǎng)際視訊等，使CMOS圖像傳感器的用量進一步的擴增，加上品質(zhì)技術(shù)的強化改進，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，那么CCD圖像傳感器將持續(xù)在某些應(yīng)用領(lǐng)域中佔有市場，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。
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：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，老實說CCD圖像傳感器的運用歷史遠比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圖像傳感器而言實是一個技術(shù)發(fā)展演進的轉(zhuǎn)捩點，此時美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration；NASA）的噴射推進實驗室（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)，需要獨有、專屬的制造、制程技術(shù)來實現(xiàn)，因此制造成本較高。相對的，CMOS圖像傳感器能夠用標準的制造設(shè)備來產(chǎn)制，現(xiàn)今所有的半導(dǎo)體晶片有90%都是透過這些標準化設(shè)備、設(shè)施所產(chǎn)出，包括CPU、RAM、ROM等晶片都是，標準化的結(jié)果可以讓CMOS圖像傳感器的成本降低。
也因為使用標準的半導(dǎo)體制程，所以CMOS圖像傳感器不僅可以使用較先進的縮密制程，也才能方便整合訊號放大器、雜訊控制等電路，來實現(xiàn)主動式像素的感測器架構(gòu)，同時標準制程也讓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行定址，如此與一般的RAM記憶體相當(dāng)類似。
具有此一獨到特性后，CMOS圖像傳感器可以實現(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)的標準攝影機功效，例如透過信號處理可以實現(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行。
CMOS如何改善畫質(zhì)
CMOS圖像傳感器雖然有諸多特點勝過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圖像傳感器的進度也會更為加速。
