2015/07/13-劉時君

感光耦合元件(Charge Coupled Device；CCD)影像感測器近年雖被互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor；CMOS)搶盡鋒頭，卻仍是天文儀器與光譜儀應用首選，預料未來有望提升在一般性中階市場與利基市場的應用規模。

據Photonics Spectra網站報導，過去數十年，CCD影像感測元件逐漸被CMOS元件取代，後者已成為手機相機、監控系統等應用的主流選擇。CCD感光元件敏感度高、讀出雜訊(readout noise)少，也因此主導感光元件產業30餘年。

然而，由於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。

BAE Systems、CMOSIS、Sony等公司紛紛砸下重金投資CMOS技術，並大力行銷，現在已有許多4 MP以上、超過50 fps，而電子讀出雜訊少的感光元件。不過，CCD並非毫無用武之地，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(in vivo imaging)仰賴微弱的螢光訊號，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感測器得改善更大波長範圍下的敏感度。傳統CCD感測器對於1,100nm以上波長缺乏敏感度，使其無法運用於短波紅外線(SWIR)鏡頭上。

不過，最新InGaAs感測器使用與CMOS感測器類似的讀出原理，在徹底冷卻的情況下，可增強1,100 nm以上波長的量子效率(quantum efficiency)、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(Electron Multiplication；EM)結構CCD元件技術，簡稱EMCCD。像是e2v Technologies、德儀(TI)等廠商都推出速度更快、且能提供亞電子(sub-electron)讀出雜訊性能的感測器，而安森美半導體(ON Semiconductor)也研發出新型高解析度EMCCD感測器。

Princeton Instruments近期推出一款高速EMCCD相機，EMCCD感測器透過影像增強器(image intensifier)，更可改善線性化(linearity)並具單一光子(photon)敏感度，成像速度高達10,000fps。不過，儘管這樣 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Horiba Scientific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標準。Horiba Scientific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。

由於高效率偵測的需求愈來愈大，也愈來愈多人採CCD提供的多工陣列偵查(multiplexing array detection)取代傳統的單管道偵測器(single-channel detector)，廠商也挹注大量資源改善動態範圍(intrascenic dynamic range)技術，成為CCD感測器發展的驅力之一。

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

TDI技術常見於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-Noise Ratio；SNR)。TDI感測器可將不同時間分點的感光訊號集成起來，以達最佳雜訊效能。

不同廠商用不同方式整合TDI技術與CMOS，有的廠商直接整合CCD光感測元件(photosite)與CMOS影像感測器，而也有廠商會將CCD光感測元件與CMOS讀出晶片製程分開，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(hyperspectral Imaging)、生醫成像(biomedical imaging)、顯微鏡、天文學、量子成像(quantum imaging)、X-ray成像、機器視覺(machine vision)等應用。

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