CCD傳感器在中階與利基市場(chǎng)有哪些競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

感光耦合元件(Charge Coupled Device;CCD)影像傳感器近年雖被互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor;CMOS)搶盡鋒頭，卻仍是天文儀器與光譜儀應(yīng)用首選，預(yù)料未來有望提升在一般性中階市場(chǎng)與利基市場(chǎng)的應(yīng)用規(guī)模。

過去數(shù)十年，CCD影像感測(cè)元件逐漸被CMOS元件取代，后者已成為手機(jī)相機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)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(dǎo)感光元件產(chǎn)業(yè)30余年。

然而，由于CMOS感光元件技術(shù)近年大幅升級(jí)，強(qiáng)化分辨率、讀出速度，降低雜訊、價(jià)格下降等優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致許多感光元件市場(chǎng)區(qū)塊從CCD轉(zhuǎn)移至CMOS，包括生命科學(xué)、消費(fèi)市場(chǎng)以及監(jiān)控設(shè)備等等。

BAE Systems、CMOSIS、Sony等公司紛紛砸下重金投資CMOS技術(shù)，并大力行銷，現(xiàn)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并非毫無用武之地，CCD技術(shù)在要求高敏感度與長(zhǎng)時(shí)間曝光的應(yīng)用環(huán)境下，無非是最佳選擇。

例如活體分子影像(in vivo imaging)仰賴微弱的熒光訊號(hào)，曝光時(shí)間達(dá)數(shù)分鐘甚至數(shù)小時(shí)，便適合使用CCD感光元件。同樣的，需要長(zhǎng)時(shí)間曝光的天文應(yīng)用，例如觀星也以CCD技術(shù)為佳。隨著CCD售價(jià)持續(xù)下降、效能卻不變的情況下，可望成為中階市場(chǎng)熱門應(yīng)用。

若要回應(yīng)目前市場(chǎng)需求，CCD傳感器得改善更大波長(zhǎng)范圍下的敏感度。傳統(tǒng)CCD傳感器對(duì)于1,100nm以上波長(zhǎng)缺乏敏感度，使其無法運(yùn)用于短波紅外線(SWIR)鏡頭上。

不過，最新InGaAs傳感器使用與CMOS傳感器類似的讀出原理，在徹底冷卻的情況下，可增強(qiáng)1,100 nm以上波長(zhǎng)的量子效率(quantum efficiency)、減少干涉現(xiàn)象(etaloning)，提升讀出速度及敏感度。

另外，近年業(yè)界亦有號(hào)稱敏感度最佳的電子倍增(Electron Multiplication;EM)結(jié)構(gòu)CCD元件技術(shù)，簡(jiǎn)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)讀出雜訊性能的傳感器，而安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)也研發(fā)出新型高分辨率EMCCD傳感器。

Princeton Instruments近期推出一款高速EMCCD相機(jī)，EMCCD傳感器透過影像增強(qiáng)器(image intensifier)，更可改善線性化(linearity)并具單一光子(photon)敏感度，成像速度高達(dá)10,000fps。不過，盡管這樣的EMCCD具單一光子敏感度，在全分辨率之下仍比不上CMOS感光元件的畫面更新率。

光譜儀業(yè)者Horiba Scientific發(fā)現(xiàn)，過去光學(xué)與成像技術(shù)利基市場(chǎng)的需求漸漸增加，目前已在許多領(lǐng)域成為標(biāo)準(zhǔn)。Horiba Scientific經(jīng)理指出，過去常用來作為研究工具與方法的技術(shù)，現(xiàn)在已有較一般性的用途，例如品質(zhì)控管等等。

由于高效率偵測(cè)的需求愈來愈大，也愈來愈多人采CCD提供的多工陣列偵查(multiplexing array detection)取代傳統(tǒng)的單管道偵測(cè)器(single-channel detector)，廠商也挹注大量資源改善動(dòng)態(tài)范圍(intrascenic dynamic range)技術(shù)，成為CCD傳感器發(fā)展的驅(qū)力之一。

而若客戶要求加快讀取時(shí)間又不犧牲敏感度，則可采用時(shí)間延滯集成(TDI) CCD傳感器，這是較早期的CMOS傳感器版本無法取代的CCD關(guān)鍵技術(shù)。

TDI技術(shù)常見于產(chǎn)業(yè)與遠(yuǎn)端感測(cè)應(yīng)用，可在高速成像的條件之下提升訊雜比(Signal-to-Noise Ratio;SNR)。TDI傳感器可將不同時(shí)間分點(diǎn)的感光訊號(hào)集成起來，以達(dá)最佳雜訊效能。

不同廠商用不同方式整合TDI技術(shù)與CMOS，有的廠商直接整合CCD光感測(cè)元件(photosite)與CMOS影像傳感器，而也有廠商會(huì)將CCD光感測(cè)元件與CMOS讀出芯片制程分開，再將CCD與CMOS用3D-IC技術(shù)串接起來。

目前，推動(dòng)CCD感光元件技術(shù)應(yīng)用的市場(chǎng)區(qū)塊，包括光譜儀(spectroscopy)、超光譜成像(hyperspectral Imaging)、生醫(yī)成像(biomedical imaging)、顯微鏡、天文學(xué)、量子成像(quantum imaging)、X-ray成像、機(jī)器視覺(machine vision)等應(yīng)用。

綜言之，CCD傳感器仍坐穩(wěn)光譜儀與影像研究應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)，而雖然相機(jī)市場(chǎng)風(fēng)向轉(zhuǎn)移至CMOS，但是隨CCD制作成本降低、技術(shù)提升，可望打進(jìn)一般性中階市場(chǎng)與利基市場(chǎng)。

編輯：jq