CMOS影像感测元件技术课件

1、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 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100100元件，並成立Reticon公司，英國 Plessey Noble發表利用MOS Source_fol

2、lower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EyeCCDCMOSFILMPixels120M3M(Typ.)60M(Record

3、)300K(Typ.)6M(R&D)1M/cm2Pitch2-3m2.5-10m3.5-10m10-20mImage Size3cm1mm-11cm1mm-2cm-Spectral Response400-700nm400-1000nm400-1000nm300-700nmPeak QE 50% 50%-Dynamic Range102 Linear106 Logarithmic104 Linear2103 Linear106 Logarithmic103-104 Non-linearFrame Rate15Hz10kHz 10kHz1 shot onlyPower Dissipation 1

4、mw500mw50mw-CMOS與CCD市場佔有率分析CIS之應用分析In 2000, WW CIS market size is 16Mpcs In 2005, WW CIS market size is 237Mpcs 二、CMOS影像感測器技術原理Image Process FollowIllumination照明Scene景物LensColour filter arrayImaging arrayFixed pattern Noise correctionBlack Level ControlNoise ReductionColor Image SensorRecovery Engin

5、eencoding影像修補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

6、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的新技術ARAMIS ARAMIS（Asynchronous Ran

7、dom-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

8、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 CurrentDynamic RangePower ConsumptionOptical Sens

9、itivity(監視系統用）Optical Sensitivity(DSC用)Linearity(訊號線性)Quantum Efficiency(量子效益)Output SensitivityFixed Pattern NoiseBlooming(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年度 2000 200120022003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 台灣

10、所佔比重(%) - 1132(13.8%) 1643(16.6%) 2034(18.3%) 全球數位相機像素比例分析(單位:% )像素等級 19992000 200120022003CIF-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%30.1% 32.3% 36.2% 2MP-3MP 22.7% 23.8% 24.3% 26% 30.9% 3MP-4MP - 14.9% 13.8% 12.6% 13.5% 4MP - - 0.6% 1.1% 1.9% 五、CMOS Sensor之未來 以數

11、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。 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： IntelTIRockwell semiconductorToshibaVLSI Vision(VVL)PhotobitLucent TechnologiesAtmel與PolaroidStanford大學G