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            CCD部分參數仍具優勢CMOS有所不及

            閱覽次數:444 次  發布日期: -0001-11-30

            成都弱電公司訊:

            感光元件敏感度高、讀出雜訊(readoutnoise)少,也因此主導感光元件產業30余年。

            然而,由于CMOS感光元件技術近年大幅升級,強化解析度、讀出速度,降低雜訊、價格下降等優勢,導致許多感光元件市場區塊從CCD轉移至CMOS,包括生命科學、消費市場以及監控設備等等。

            BAESystems、CMOSIS、Sony等公司紛紛砸下重金投資CMOS技術,并大力行銷,現在已有許多4MP以上、超過50fps,而電子讀出雜訊少的感光元件。不過,CCD并非毫無用武之地,CCD技術在要求高敏感度與長時間曝光的應用環境下,無非是最佳選擇。

            例如活體分子影像(invivoimaging)仰賴微弱的熒光訊號,曝光時間達數分鐘甚至數小時,便適合使用CCD感光元件。同樣的,需要長時間曝光的天文應用,例如觀星也以CCD技術為佳。隨著CCD售價持續下降、效能卻不變的情況下,可望成為中階市場熱門應用。

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

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

            另外,近年業界亦有號稱敏感度最佳的電子倍增(ElectronMultiplication;EM)結構CCD元件技術,簡稱EMCCD。像是e2vTechnologies、德儀(TI)等廠商都推出速度更快、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(ONSemiconductor)也研發出新型高解析度EMCCD傳感器。

            PrincetonInstruments近期推出一款高速EMCCD相機,EMCCD傳感器透過影像增強器(imageintensifier),更可改善線性化(linearity)并具單一光子(photon)敏感度,成像速度高達10,000fps。不過,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感光元件的畫面更新率。

            光譜儀業者HoribaScientific發現,過去光學與成像技術利基市場的需求漸漸增加,目前已在許多領域成為尺度。HoribaScientific經理指出,過去常用來作為研究工具與方法的技術,現在已有較一般性的用途,例如品質控管等等。

            由于高效率偵測的需求愈來愈大,也愈來愈多人采CCD提供的多工陣列偵查(multiplexingarraydetection)取代傳統的單管道偵測器(single-channeldetector),廠商也挹注大量資源改善動態范圍(intrascenicdynamicrange)技術,成為CCD傳感器發展的驅力之一。

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

            TDI技術常見于產業與遠端感測應用,可在高速成像的條件之下提升訊雜比(Signal-to-NoiseRatio;SNR)。TDI傳感器可將分歧時間分點的感光訊號集成起來,以達最佳雜訊效能。

            分歧廠商用分歧方式整合TDI技術與CMOS,有的廠商直接整合CCD光感測元件(photosite)與CMOS影像傳感器,而也有廠商會將CCD光感測元件與CMOS讀出芯片制程分開,再將CCD與CMOS用3D-IC技術串接起來。

            目前,推動CCD感光元件技術應用的市場區塊,包括光譜儀(spectroscopy)、超光譜成像(hyperspectralImaging)、生醫成像(biomedicalimaging)、顯微鏡、天文學、量子成像(quantumimaging)、X-ray成像、機器視覺(machinevision)等應用。

            綜上言之,CCD傳感器仍坐穩光譜儀與影像研究應用等優勢,雖然相機市場風向轉移至CMOS,但是隨CCD制作成本降低、技術提升,可望打進一般性中階市場與利基市場。

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