隨著影音多媒體的盛行，影像數位化已漸漸成為趨勢。數位相機、數位攝影機及影像掃描器等產品的推出，代表著影像數位化時代的來臨。上述產品中，其重要的關鍵零組件就是面型影像感測器。CCD長期為日商所掌控，其特殊製程之關鍵技術為日方的重要資產，為日本視訊產業的重要基礎之一。我國廠商無法切入進入障礙較高的CCD產業，選擇日本較少著力CMOS影像感測元件，近年來在國人的努力下，我國CMOS產業已經逐漸成形。本期將先針對CCD影像感測元件的市場現況作一介紹，並探討產品發展現況。

面型影像感測元件概述

面型影像感測元件是由二維的感測元件陣列構成的，依陣列大小，有高、中、低解析度三個等級之分。低解析度影像感測元件畫素數目在30萬以下，主要的應用為安全監控、視訊會議、影像電話等，此類感測器亦包含全畫面傳輸(Full Frame Transfer)，解析度在256*256到512*512之間，應用在工業、科學或低階數位相機上。過去此類應用以CCD為主，近一、二年來，CMOS感測器在這方面的應用有興起的趨勢。中解析度感測元件包括30萬到300萬畫素的感測器，最主要的應用為攝錄影機(Camcorder)，部份醫療、機器視覺、視訊廣播、中高階數位相機等。高解析度感測器畫素數目在三百萬以上，應用在科學研究、軍事、專業數位相機等用途上。

感測元件的類型：

若以感測元件的類型分，面型感測元件有CCD、CMOS、CCD/CMOS Hybrid、CID(Charge Injection Device)等多種，其中以CCD的技術最為成熟、應用最為廣泛。由於CCD穩定的影像品質，目前CCD仍是中高階數位相機及數位攝影機的面型影像感測元件主要選擇。CMOS技術用在影像感測元件上是最近一、二年才成為可行的事，CMOS因為其低成本、低耗電及系統整合性高的優勢，近來多被應用在低階數位相機、電腦相機及行動電話等產品上。CCD/CMOS Hybrid是將CCD畫素與CMOS的控制及讀取線路整合在同一片晶片上，結合了CCD及CMOS製程的優點，目前還在發展階段。CID的優點為抗幅射線性良好，大部份被用在太空及特殊用途的的影像擷取。

面型感測器的應用：

面型影像感測元件從1985年CCD被大量應用在CCTV上開始，演進到現在，影像感測器的應用可說是五花八門，已形成足夠的經濟規模，吸引廠商努力提升感測器的性能，或開發新類型的感測器，以滿足新的應用需求。尤其是在多媒體的應用，如數位相機、數位攝影機等，除了性能上要求高解析度、逼真的色彩外，還須要小型化及低耗電力化，以配合機器本體輕、薄、短、小及可攜性的需求。未來的影像感測器，則將整合影像辨識或處理的功能，構成所謂的智慧型影像感測器。

CCD市場與發展現況

2000年全球面型CCD市場量約為4500萬個(圖一)，比1999年的3500萬個成長了28%。展望未來三到五年，面型CCD的市場需求將以大約20%的年成長率持續成長，其中高、中解析度CCD需求量將因為數位攝錄影機及數位相機的普及而大幅成長，複合年成長率超過兩成；低解析度CCD的市場則由於CMOS影像感測器的興起，逐年衰退。

《圖一　全球CCD市場》

面型CCD是由二維感測元件構成的，其感測基本單元跟線型CCD一樣，是MIS結構的電容。曝光時，電容吸收光子而產生電荷，並儲存於位井內，曝光完後再以電荷傳遞的方式，將各電位井內的電荷數一行一行的讀出成為電壓訊號。

面型CCD電荷傳遞模式

Interline Transfer模式及Frame Transfer模式可改進Full Frame CCD的缺點；採用Interline傳遞模式的CCD必須在每一列電容旁製作一列相同但能避光的電容，讀取訊號時，先將電荷移至避光的電容內，再將電荷一一讀出，同時感光的元件，可接受下個影像的曝光(圖二)。Frame傳遞模式的CCD則需要兩組CCD陣列，一組用來感光，另外一組避光的用來作電荷傳遞，感光的CCD曝光後，很快地將電荷一行行地傳遞到另一組避光CCD上，然後再將電荷讀出，同時感光用的CCD可以接受下個影像曝光(。此兩種電荷傳輸方式的缺點是使用的矽晶片面積較大；另外，採用Interline傳遞模式的CCD，由於每個可感光的畫素均要有一個傳遞電荷用的電容，因此其有效面積較小，感光的靈敏度亦較小。

《圖二　面型CCD電荷傳遞模式》

CCD彩色影像原理

構成CCD的材料為矽半導體，波長從X光到1.1μm的近紅外線均能夠感光，因此必須要在CCD的畫素上加彩色濾光片，才能被用來拍攝彩色的影像。一般的作法是在CCD晶片上以蒸鍍方式鍍上RGB三原色的濾光薄膜，必須用三個CCD畫素才能構成一個彩色影像的畫素；另外，為了增加CCD的靈敏度，有些CCD利用透明的樹脂在每個畫素的位置製作微小透鏡(Micro-lens)，以增加感光元件的聚光能力(圖三)。

《圖三　CCD Micro Lens之結構》

靈敏度、雜訊及電荷傳遞

CCD之所以廣泛地被用來作為影像擷取的元件，主要是因為CCD有很好的靈敏度及相當低的雜訊，光子進入到空乏區後，其量子效率(一個入射光子所產生的電子數)幾可達100%，即使整個元件的效率也可達60-70%；CCD主要雜訊的來源為在室溫下產生的熱電子(Thermal Electron)，在一般的使用亮度下，熱電子所產生的雜訊幾乎可以忽略。

除了靈敏度及雜訊外，電荷傳遞效率(Charge Transfer Efficiency)亦為影響影像品質的重要特性之一。由於CCD的訊號是以掃描方式一行一行地往下傳遞，然後一個畫素接著一個畫素地依序讀出，離輸出放大器較遠的畫素，電荷必須經過許多次的傳遞才能被讀出，因此電荷傳遞效率必須非常的高，以避免因為電荷屯積而造成影像Smear。

目前的技術已可做到0.999999，即傳遞一百萬個電子到相鄰的電位井時，只有一個電子被留在原來的電位井內。由於CCD採電荷傳遞方式讀取訊號，感測器上每個畫素的功能都要完美無缺，否則便無法將畫面完整地讀出。另外，CCD的反應均勻度、動態範圍、平坦度等也會影響影像的品質。

CCD的應用趨勢

CCD的發展已有30年的歷史，可說是相當成熟的產品，其技術的演進已過了突飛猛進期，目前技術的發展主要在於如何縮小感測器面積、降低生產成本及提高商業用CCD的性能。

CCD的主流應用，正逐漸從類比攝影機、安全監控攝影機等，演進到數位多媒體應用，如數位攝影機(Digital Video Camcorder)、數位相機(Digital Still Camera,DSC)等，在這些新的應用領域，對CCD的性能要求提升，尤其是在數位相機上的應用，更是要求高畫質(高解析度、色彩逼真)、快速取像、低消耗電力及輕薄短小，使DSC的應用成為商用CCD技術發展的原動力。

1.高精細化：

早期的數位相機解析度，大都在25萬到40萬之間，只適於用來作為電腦影像輸入的裝置，無法取代傳統的傻瓜相機，因為列印出來的照片尺寸太小，一般認為數位相機要走入消費性市場，其解析度至少要在數百萬畫素以上。由於看好數位相機在消費性市場的潛力，日本三大主要面型CCD製造商Sony、Sharp及Matsushita均採用次微米製程技術，推出低價位的百萬畫素(Megapixel)級產品。

2.小型化：

可攜式數位相機講求的是輕、薄、短、小，因此CCD在Form Factor上亦往小尺寸發展(表一)，中、低解析度的CCD尺寸從90年代初期的2/3”發展到目前1/4”(甚至於1/5”)已是很平常的規格，而百萬畫素級的CCD目前也已經能夠做到1/3”的大小。相信隨著半導體製程技術的進步(圖四)，未來商用CCD的尺寸將繼續朝1/8”甚至於1/10”發展。

《表一　CCD晶片尺寸,畫素大小與解析度之關係》

《圖四　半導體製程與CCD畫素大小之演進》

CCD攝影機小型化另外一個有趣的發展，是將CCD晶片與週邊電路整合，松下電子利用Multichip Module的技術，將CCD晶片與週邊電路的晶片整合在一塊基板上，構成所謂”近似”單晶片攝影機，希望與CMOS的單晶片攝影機相抗衡。

3.方正畫素與逐行掃描：

類比式攝錄影機所用的CCD為了配合NTSC/PAL的4:3 Aspect Ratio及隔行掃描(Interlace)信號格式，畫素長寬比亦為4:3，且信號讀亦採隔行讀取的方式，數位相機專用的CCD則強調方正畫素及逐行掃描(Progressive Scan)，方正畫素可以減少信號處理所需的時間，而逐行掃描則可提升取像的速度。

4.色彩再現性：

配合電視使用的CCD攝錄影機，所用的彩色濾光片多為補色型濾光薄膜，因色彩純度差，拍攝出來的影像色彩飽和度不高(圖五)。新發展的CCD改用紅、綠、藍三原色彩色濾光片，可提升影像的色彩再現性。2001年5月CANON推出IXY DIGITAL 200所採用的211萬畫素CCD，就是採用原色CCD。

《圖五　補色型與原色型濾光片之比較》