CMOS影像感測元件技術 講師：莊 志 仁 日期：2003.03.03.

內 容 : 一、影像元件之背景與應用概述 二、CMOS影像感測器技術原理 三、測試技術 四、 CMOS感測器現況簡介 內　　容 : 一、影像元件之背景與應用概述 二、CMOS影像感測器技術原理 三、測試技術 四、 CMOS感測器現況簡介 五、CMOS Sensor之未來

一、影像元件之背景與應用概述

CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor，補充性氧化金屬半導體) 影像感測元件之發展歷程 1967 Fairchild Weckler發表光二極體於反向偏壓下，以積分模 式工作。 1968 Weckler發表100×100元件，並成立Reticon公司，英國 Plessey Noble發表利用MOS Source_follower電路作為像 素單元。 1970 Fixed Pattern Noise(FPN)之問題嚴重，CCD首度發表。 1970年代末至1980年代，僅少數廠商持續進行相關研究。 1980年代末，紅外線影像感測器採用CMOS影像信號讀出積 體電路。 1990 美JPL發表CMOS APS Image Sensor，並轉成立PhotoBit。 英VLSI VISION Ltd.發展CMOS Image Sensor。 2002 1.3M-2M CIS商品化，Camera on a chip技術已漸成熟。

各種影像感測器之比較 Eye CCD CMOS FILM Pixels Pitch Image Size Peak QE 3M(Typ.) 60M(Record) 300K(Typ.) 6M(R&D) ~1M/cm2 Pitch 2-3μm 2.5-10μm 3.5-10μm 10-20μm Image Size 3cm 1mm-11cm 1mm-2cm ---- Spectral Response 400-700nm 400-1000nm 300-700nm Peak QE < 20% > 50% Dynamic Range 102 Linear 106 Logarithmic 104 Linear 2×103 Linear 103-104 Non-linear Frame Rate 15Hz 10kHz > 10kHz 1 shot only Power Dissipation < 1mw 500mw 50mw

CMOS影像IC之優點 單電源 低電壓 低耗電 系統整合容易 價位低 速度快 產品自主、應用導向

CMOS與CCD市場佔有率分析

CIS之應用分析 In 2000, WW CIS market size is 16Mpcs

市場趨勢分析 In 2005, over 60% of CIS will be SOC. In 2005, over 70% of CIS will be 0.25/0.18μm process. Unit shipment of CIS will surpass CCD in 2002. CIS will dominate Image sensor market on portable devices.4 CIS WW market is speedy growing up from 16Mpcs to over 237 Mpcs in 2005. Top 4 application of CIS share 78% of market by unit in 2005 - Mobile Phone - PC Camera - DSC - Surveillance

二、CMOS影像感測器技術原理

Image Process Follow Illumination照明 Color Image Sensor Imaging array Colour filter array Lens Scene 景物 Fixed pattern Noise correction Black Level Control Noise Reduction 影像修補 encoding Recovery Engine

CMOS感測器技術 信噪比： 影像感測器的信噪比（SNR）可以用分貝（dB)來表示，當 信號強度到達一定強度時，信噪比並不會同步增加。但是，如果讓低數值信號可以被檢測到，那麼信噪比就非常重要。 色彩敏感度失衡： 彩色畫素對不同頻率的入射光有不同的靈敏度，將造成攝取影像的色彩失衡。當然，色彩失衡可以用數位化處理得到補償，卻會放大類比/數位轉換器（ADC）的量化雜訊。現在的技術可以解決色彩敏感度失衡的問題，同時將訊號送到ADC進行數位量化，運用色別增益或放大技術進行處理。

CMOS感測器技術 暗電流(Dark Current)（Black level） 暗電流是在沒有入射光時光電二極體所釋放的電流量，理想的影像感測器其暗電流應該是零，但是，實際狀況是畫素中的光電二極體是充當電容器，當電容器慢慢地釋放電荷時，就算沒有入射光，其電壓也會與低亮度入射光的電壓相當。因此，不能確定畫素是否真正「看到了」某些景物，或是因為從暗電流中所累積的電荷。所以，暗電流是畫素的雜訊之一，CCD與CMOS感測器的暗電流範圍為0.075nA/cm2～2.0 nA/cm2以上。

CMOS感測器技術 畫素大小和填充比 感測器能否攝取低亮度影像將取決於每個畫素活動（採光）區的大小，較大的畫素使影像感測器攝取較多的光子，如此能提高畫素的動態範圍。但是，較大畫素需要較多的矽晶片 ，使得生產成本墊高，因此藉由設定活動區域大小、低亮度敏感性，以及整個畫素陣列投射期望的圖像，決定最佳化的影像感測器元件大小。

CMOS感測器種類 被動式畫素感測器CMOS 被動式畫素感測器CMOS（Passive Pixel Sensor 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之 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 。

CMOS感測器種類 主動式畫素感測器CMOS 主動式畫素感測器CMOS（Active Pixel Sensor CMOS）是最近 新發展出來的CMOS感測器，它針對CMOS高雜訊的缺點，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 取訊號。因此，主動式畫素感測器CMOS比被動式畫素感測 器CMOS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 Complexity），並且會降低感測器所能補捉 的光線強度（Low Fill Factor）。 一般而言，CCD感測器的Fill Factor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，可使每一個畫素 所接受的光線作類似聚焦的動作，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CCD感 測器在高階數位相機市場的競爭力。

CMOS的新技術─ARAMIS ARAMIS（Asynchronous Random-Access MOS Image Sensor）是新世代的平面 型CMOS感測器，ARAMIS影像輸入技術利用台灣最普遍之CMOS工業標準 半導體製程產製，在單晶片內整合影像感測陣列 、類比/數位轉換電路、 數位介面及其他控制邏輯電路，同時以3.3V或5V單一電源操作，適合要 求輕薄短小之的整合單晶片PC與消費性電子相關應用，目前，世界上僅 有少數公司具備此項技術之商品化與量產能力。依目前的CMOS製程技 術發展，這新世代的影像輸入技術將來可望依不同之應用將更多數位邏 輯電路整合到同一顆晶片上，以提供各種不同之智慧功能，使得系統產 品的設計更加便捷。 ARAMIS架構下的CMOS感測器擁有彈性模式，使得DSC系統可以簡化到 Sensor、微處理器、Memory 3顆晶片，就可以構成完整的系統。模擬機 械快門而開發出電子快門，可執行on-sensor的矩陣式測光模式，不需要 多餘的外加測光錶，容許所有畫素同時曝光。傳統的CMOS感測器是採 用line-base的曝光方式，每一行的曝光不在同一個時間點上，因此在拍 攝運動中物體時會產生影像的扭曲，但ARAMIS CMOS感測器是整個畫面 同時曝光，可以維持畫面的正確性。

三、測試技術

Image 測試項目 Visual Examination(視覺審查) Dark Current Dynamic Range Power Consumption Optical Sensitivity(監視系統用） Optical Sensitivity(DSC用) Linearity(訊號線性) Quantum Efficiency(量子效益) Output Sensitivity Fixed Pattern Noise Blooming(影像溢散) Image Lag(影像延遲)

四、CMOS 感測器現況簡介

台灣數位相機銷售概況 2000 2001 2002 2003 年度 銷售數量(千台) 15940 22194 29710 34715 台灣所佔比重(%) --- 8821(39.7%) 12079(41.4%) 14584(42%) 銷售值(百萬美元) 7253 8212 9918 11109 1132(13.8%) 1643(16.6%) 2034(18.3%)

全球數位相機像素比例分析(單位:% ) 1999 2000 2001 2002 2003 25.3% 30.1% 30.5% 22.7% 像素等級 1999 2000 2001 2002 2003 CIF-VGA 25.3% 30.1% 30.5% 22.7% 17.5% XGA 8.6% 2.5% 0.7% 0.3% -- 1MP-2MP 43.4% 28.7% 32.3% 36.2% 2MP-3MP 23.8% 24.3% 26% 30.9% 3MP-4MP 14.9% 13.8% 12.6% 13.5% 4MP< 0.6% 1.1% 1.9%

數位相機成本結構(單位:% ) 零組件別 Sensor 鏡頭 LCD 晶片組 FLASH 其他 無變焦鏡頭 18% 7% 20% 17% 15% 23% 有變焦鏡頭 22% 14% 12%

五、CMOS Sensor之未來

◆ 以數位相機為首要目標市場 根據IDC的研究，預測至2001年數位相機(Digital Still Camera)的市場規模將達856萬台，未來將持續快速成 長。目前CMOS Sensor即以數位相機為主要的應用領 域。 　由於CMOS Sensor技術使得在產品大小、成本、耗電 量等方面有所突破，未來除了數位相機之外，傳真機 、影像掃瞄器、數位化攝影機、安全偵測系統等等均 有發展空間。 　近來Intel與Kodak相互技術授權，同時將於未來三年 內投入1億5000萬美元推廣數位影像相關的產品。其 中以攝取數位影像的數位相機將是最主要的重點產品 ，因而在技術持續進展下，未來CMOS Sensor將隨之 水漲船高，有很大發展的商機。

◆ CMOS Sensor的發展方向 CMOS Sensor在早期係以PPS(Passive-Pixel Structure)技 術為主，但是電晶體數較多，且效率較CCD為低。近 來新的CMOS Sensor採用APS技術（Active-pixel-sensor ），可使SNR和影像品質提升。CMOS Sensor的另一 發展走向係以整合的作法，例如將ADC整合到晶片內 ，此外如將DSP影像壓縮以及其他必要的功能整合至 晶片內。綜言之，朝向更低生產成本、更低耗電量、 增加新功能以及提高影像品質等，均是CMOS Sensor 廠商的努力的方向。

◆多家廠商積極研發CMOS Sensor 目前CMOS Sensor產品推出市場上仍不多，但在美國地區積極 發展的廠商相當多，如下所列： Intel TI Rockwell semiconductor Toshiba VLSI Vision(VVL) Photobit Lucent Technologies Atmel與Polaroid Stanford大學 G-Link Kodak

結論 CMOS感測器在製程的優勢上，使得中小型設計公司有機會與大廠一爭長短，尤其台灣雄厚的半導體工業基礎更是絕佳的發展助力，目前也取得不錯的成果。近期數位影像設備銷售熱絡， CCD再度供需失調，將是CMOS感測器另一波成長的契機，國內業者也正努力突破技術的瓶頸，相信CMOS感測器在未來幾年將成為國內的明星產業，值得繼續追蹤。

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