什麼是 CMOS 影像感應器？

CMOS 影像感應器是一種半導體裝置，採用互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術，可將入射光轉變成數位影像。就如同大部分的數位相機，它是透過半導體晶片表面上的數千個光子偵測器來偵測入射光。每個偵測器會吸收光子而轉換成電流，以之偵測光子的頻率(顏色)與數量(亮度)。然後，裝在每個偵測器上的電晶體會放大該電流。這類影像感應器稱為「有源像素感測器」(APS)。

由於 CMOS 影像感測器是採用標準半導體製造技術建構而成，因此晶片通常包括訊號處理、類比數位轉換器，以及數位邏輯晶片。這樣便可在晶片上建構完整相機功能。這項技術已實現諸多影像應用，包括智慧型手機上的小型數位相機、高畫質高速專業攝影機，以及衛星上的地球觀測感測器。

感光耦合元件 (CCD) 和 CMOS 感應器，這兩項主流影像感應器技術是在 1960 年代後期同時研發問世。兩者都是運用光電效應，也就是稱為光子的光粒子[1] 被原子吸收，然後將能量分給原子中的電子。

如果吸收到足夠能量，電子能擺脫原子束縛，從而在半導體材料中產生負電荷。影像感測器上負責吸收光線、產生電子的區域稱為「光電二極體」。光電二極體的排列方式會形成一個陣列，可測量聚焦於其表面的光色和光強度。

在 CCD 感應器中，來自光電二極體的電子會被捕捉到串聯的電容器中，然後再放大。在 CMOS 感應器中，電子會直接被送入電晶體中，並在偵測器上放大。CCD 方法的最大優點是，電容器位於光電二極體後方，因此每個像素有較大的吸光區域。CMOS 感應器的電晶體位於光電二極體旁邊，因此只需少少 30% 的表面積 (稱為「填充因數」) 就能偵測光線。

CMOS 技術是廣為接受的半導體製程，因此相較於 CCD 相機，CMOS 感應器的製造成本較低。一開始，由於 CCD 感應器的影像品質較高、雜訊也較少，因此當需要更具省電效率或較省錢的解決方案時，就會使用 CMOS 感應器。

隨著時間過去，半導體製造技術有所進步，使 CMOS 影像感應器的像素尺寸變得更小，晶片數位訊號處理能力也能解決品質問題。這些進步讓影像品質與 CCD 感應器不相上下，同時又能保有較低成本與較高能源效率的優點。因此在 2010 年代晚期，低耗電、高畫質的 CMOS 影像感應器便成為大多數應用的首選。

時至今日，CCD 裝置主要用於講求低雜訊、更高靈敏度的高階應用，例如天文攝影、機器視覺系統與顯微照相機。然而，CMOS 影像感應器也漸漸涉足這些應用。

CCD 和 CMOS 技術之比較

CMOS 影像感測器由像素陣列構成，每個像素會經過四個光偵測器的捕捉，一個捕捉紅光，一個捕捉藍光，兩個捕捉綠色。由於每個像素都是 2x2 陣列，但只有三種顏色要過濾，因此勢必有一個顏色會重複。綠色被選為重複的顏色，因為其頻率是人眼最容易感受到的顏色。這種色彩編排方式稱為「拜爾濾色鏡模式」，在奇數列重複藍綠色，偶數列重複綠紅色。

光偵測器的 2x2 像素在拜爾模式中的編排方式

每個光偵測器都是以矽基板為建構基礎，並包含一個用於收集光子的光電二極體，和三個電晶體：列選擇電晶體、放大電晶體和重設電晶體。光偵測器上方還會加裝彩色濾光片，以及可將光線聚集到光電二極體上的微透鏡。 

單一光偵測器的幾何結構

每個光偵測器都是由矽基板、位能井和光電二極體所組成，以測量入射光子。彩色濾光片和微透鏡負責聚焦並過濾光線，而電晶體和匯流排則放大並傳送所產生的電流。

此光偵測器陣列位於晶片中央，作為透鏡組的焦曲面。此陣列也被類比和數位電路圍繞，這些電路用來彙編和輸出數位影像。

CMOS 影像感應器是一套複雜的系統，可處理原子階的物理學，一路到封裝裝置組件的機械需求。設計新 CMOS 感應器的團隊應考慮下列層面：

光子設計

光電二極體的行為對於 CMOS 感應器效能至關重要。設計人員必須考慮光子學參數，例如光學效率、量子效率、暗電流，以及所產生的電荷。這項設計也必須考量所偵測光線類型 (從紅外線、可見光到紫外線) 的波長。

光學設計

CMOS 影像感應器的準確度和效率，取決於投射到感應器陣列上的影像品質。光學工程師必須開發出最佳化的透鏡組，能在表面上提供清晰的平面投影。同時也應考慮光線從透鏡到感測器表面這過程中，空間變異、非正向入射光造成的影響，才能獲得更準確的感測器反應。此外，他們還需要針對每個光感測器上的微透鏡 (顯微透鏡) 設計，使其盡可能提供較多光線至光電二極體，並瞭解入射光會對感測器構成的影響。

類比與數位電路設計

有源像素傳感器的優點之一，就是將所有必要的類比和數位電路以積體電路形式放在與感應器同一個晶片上，打造出單晶片相機。電路設計人員在追求盡可能提高小封裝中像素數量的同時，也必須考量功率問題、時間、訊號完整性及其他考量因素。他們也需要晶片本身具備高效率的類比數位轉換器 (ADC) 和數位影像處理功能。

封裝

晶片設計完成後必須受到保護，並可與使用影像之電子設備連接。追求降低成本的同時，封裝還必須解決散熱、壓力與震動等問題。通常，光學晶片會與其他使用或支援相機系統的元件一起封裝。

半導體製造技術的進步，對影像感測器功能有直接的影響。隨著特徵尺寸縮減，架構工程師可用更小的面積容納更多的像素。消費者最常發現的情況是，他們手機相機的像素數不斷在提高，但同時手機體積不變，甚至變更小。

採用 CMOS 影像感測器的相機，其速度也會加快。另一個成長領域是汽車應用中的百萬像素攝影機數量激增，讓駕駛更清楚掌握周遭路況，並為自動駕駛系統提供資訊。

專家預測，隨著研究人員對感測器晶片的數位影像處理功能不斷努力，自然能產生更優質的數位影像。人們也正在研究光電二極體的不同幾何結構，從紅綠藍 (RGB) 濾色鏡轉換成靛黃紫 (CYM) 濾色鏡，以獲得更高的敏感度和更強的電子訊號。還有人研究如何提高近紅外線 (NIR) 影像中的低光源敏感度與效能。

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