三原色 RGB 彩色光偵測器介紹

彩色光偵測器，或稱為感光元件，是一種將光轉換成電訊號的元件，其被廣 泛地應用在數位相機和其他儀器中。現今的一般的彩色影像偵測器主要結構如圖 2-25 所示，光從最上方自空氣射入，首先經過三原色 RGB 上方各自的微透鏡聚焦，

而後再經過以染料製作的彩色濾波片分光，經過金屬接線，最後再進到光電二極 體的偵測器中，將光轉換成電訊號，作為彩色偵測器。

圖 2-25 CMOS Image Sensors [38]

彩色偵測器上方的微透鏡 (microlens)，為聚焦光線之用，希望能將上方入射 之光線能量聚焦在偵測器上，使光能量能有效轉換成電訊號，且亦可以節省偵測 器所需的面積，然而由於每一個光偵測器都需對應一個微透鏡，因此當在有限的 感光面積下，最上方所能排列的微透鏡會影響最後成像所能達到的解析度，然而 微透鏡會受限於幾何光學之限制，而影響其單一透鏡之大小，且當透鏡縮小時，

需要克服色差等問題的影響，此仍為工業界努力的目標。

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圖 2-26 彩色濾波片陣列[39]

彩色濾波片部分，在常見全彩式光偵測器，RGB 三原色通常以陣列方式組合 排列，稱之為彩色濾波片陣列 (Color Filter Array, CFA)，如圖 2-26 所示，其為最 廣為使用的 Bayer filter 形式，在 2 X 2 陣列中，有兩個綠色、一個紅色、一個藍 色，每種顏色濾波片，其下皆對應一個像素 (pixel) 的光偵測器，而在有限的感光 元件面積下，排列彩色濾波片陣列，因此感光元件的像素多寡，為一定面積下，

彩色濾波片陣列所能對應的偵測器數目。

最下方的光偵測器，通常為互補式金屬氧化物半導體製程的感光元件，又稱 為主動像素感測器（Active Pixel Sensor），每一個畫素有以二極體所製作的感光元 件還包含以 MOS 電晶體所構成的電路，其功能主要為接收外界光的能量後，轉換 成電能，再透過晶片上的放大器和轉換器，將獲得的影像訊號轉成數位訊號輸出。

由於光偵測仍需由外加電路放大以及轉換訊號，因此整體感光元件的大小，需考 慮外加電路等設計所需的面積，不同類型的感光元件，有不同的電路設計，整體 感光元件大小，通常為原本的光偵測器的面積 1.2 倍[40]。

在現今常用的彩色影像偵測器之中，可以發現仍有許多待克服的問題：

1. 縱向尺寸：

由於一般感光元件的設計，光是從最上方的微透鏡，經過彩色濾波片分光，最 後才進入底部之二極體處，光須經過一定距離才能到達偵測器，此縱向距離會影 響光進入到偵測器，偵測器所接受到光的能量，且對於不同波長的光而言，綠光 通過上方的微透鏡能正確聚焦到偵測器上，然而，紅光和藍光通過微透鏡，無法 正確聚焦到偵測器上，因此在邊緣處產生色差現象[41]。

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2. 橫向尺寸：

由於不同像素間，需要微透鏡，將光會聚在偵測器上，因此 RGB 三種不同顏 色的像素間距有其極限，使每一個像素無法縮小，在有限的感光元件面積中，具 有更多的像素，而無法提高其解析度，另一方面，由於需要上方的微透鏡聚焦，

因此不同角度入射的光，進入光偵測器會產生光程差，而產生色差，不利成像[42]。

3. CMOS 元件製作：

一般常見之全彩式光偵器大多使用 CMOS 所製作感光元件，雖在現今半導體技 術日益精進下，其效能和製程等皆有一定程度的最佳化與成熟度，但其製程繁複，

如典型的 P 型 CMOS 需要 50 多道製程步驟，10 多次微影製程，造成成本昂貴、

製作耗時等問題，如圖 2-27 所示；以及實際應用在電子元件中，功率損耗、電流 雜訊等，仍是此類型電子元件，急待解決的難題。

圖 2-27 簡化後 CMOS 製程示意圖[43]

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