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CCD传感器仍具优势 CMOS有所不及

2015-07-15 00:29
棒棒书香
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  感光耦合元件(Charge Coupled Device;CCD)影像传感器近年虽被互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor;CMOS)抢尽锋头,却仍是天文仪器与光谱仪应用首选,预料未来有望提升在一般性中阶市场与利基市场的应用规模。

  据Photonics Spectra网站报导,过去数十年,CCD影像感测元件逐渐被CMOS元件取代,后者已成为手机相机、监控系统等应用的主流选择。CCD感光元件敏感度高、读出杂讯(readout noise)少,也因此主导感光元件产业30余年。

  然而,由于CMOS感光元件技术近年大幅升级,强化解析度、读出速度,降低杂讯、价格下降等优势,导致许多感光元件市场区块从CCD转移至CMOS,包括生命科学、消费市场以及监控设备等等。

  BAE Systems、CMOSIS、Sony等公司纷纷砸下重金投资CMOS技术,并大力行销,现在已有许多4 MP以上、超过50 fps,而电子读出杂讯少的感光元件。不过,CCD并非毫无用武之地,CCD技术在要求高敏感度与长时间曝光的应用环境下,无非是最佳选择。

  例如活体分子影像(in vivo imaging)仰赖微弱的荧光讯号,曝光时间达数分钟甚至数小时,便适合使用CCD感光元件。同样的,需要长时间曝光的天文应用,例如观星也以CCD技术为佳。随着CCD售价持续下降、效能却不变的情况下,可望成为中阶市场热门应用。

  若要回应目前市场需求,CCD传感器得改善更**长范围下的敏感度。传统CCD传感器对于1,100nm以上波长缺乏敏感度,使其无法运用于短波红外线(SWIR)镜头上。

  不过,最新InGaAs传感器使用与CMOS传感器类似的读出原理,在彻底冷却的情况下,可增强1,100 nm以上波长的量子效率(quantum efficiency)、减少干涉现象(etaloning),提升读出速度及敏感度。

  另 外,近年业界亦有号称敏感度最佳的电子倍增(Electron Multiplication;EM)结构CCD元件技术,简称EMCCD。像是e2v Technologies、德仪(TI)等厂商都推出速度更快、且能提供亚电子(sub-electron)读出杂讯性能的传感器,而安森美半导体(ON Semiconductor)也研发出新型高解析度EMCCD传感器。

  Princeton Instruments近期推出一款高速EMCCD相机,EMCCD传感器透过影像增强器(image intensifier),更可改善线性化(linearity)并具单一光子(photon)敏感度,成像速度高达10,000fps。不过,尽管这样的EMCCD具单一光子敏感度,在全解析度之下仍比不上CMOS感光元件的画面更新率。

  光谱仪业者Horiba Scientific发现,过去光学与成像技术利基市场的需求渐渐增加,目前已在许多领域成为标准。Horiba Scientific经理指出,过去常用来作为研究工具与方法的技术,现在已有较一般性的用途,例如品质控管等等。

  由 于高效率侦测的需求愈来愈大,也愈来愈多人采CCD提供的多工阵列侦查(multiplexing array detection)取代传统的单管道侦测器(single-channel detector),厂商也挹注大量资源改善动态范围(intrascenic dynamic range)技术,成为CCD传感器发展的驱力之一。

  而若客户要求加快读取时间又不牺牲敏感度,则可采用时间延滞集成(TDI) CCD传感器,这是较早期的CMOS传感器版本无法取代的CCD关键技术。

  TDI技术常见于产业与远端感测应用,可在高速成像的条件之下提升讯杂比(Signal-to-Noise Ratio;SNR)。TDI传感器可将不同时间分点的感光讯号集成起来,以达最佳杂讯效能。

  不同厂商用不同方式整合TDI技术与CMOS,有的厂商直接整合CCD光感测元件(photosite)与CMOS影像传感器,而也有厂商会将CCD光感测元件与CMOS读出芯片制程分开,再将CCD与CMOS用3D-IC技术串接起来。

  目 前,推动CCD感光元件技术应用的市场区块,包括光谱仪(spectroscopy)、超光谱成像(hyperspectral Imaging)、生医成像(biomedical imaging)、显微镜、天文学、量子成像(quantum imaging)、X-ray成像、机器视觉(machine vision)等应用。

  综言之,CCD传感器仍坐稳光谱仪与影像研究应用等优势,而虽然相机市场风向转移至CMOS,但是随CCD制作成本降低、技术提升,可望打进一般性中阶市场与利基市场。

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