1.1 影像感測器之介紹
隨著多媒體與 3C (computer、communication、consumer electronics)產業 的急速發展，以影像感測器為核心元件之光電系統產品，都有大幅度之成長。常 見 與 光 電 相 關 之 產 品 如 數 位 相 機(digital camera)、 數 位 攝 影 機 (digital video recorder)、掃瞄器(scanner)等等。除了電腦週邊與通訊器材的使用之外，光電系 統產品在保全監視、醫療檢測、國防、航太等領域中之應用也持續成長。
CMOS 之製程技術發展快速，愈來愈多光電系統與產品已相繼開始採用以 CMOS 為技術基礎的影像感測器，英代爾(Intel Corp.)公司並已宣布將發展、採用 CMOS 感測器作為數位相機之影像感測元件。由於 CMOS 影像感測器可與其他 週邊控制電路一起整合在同一晶片上，故光電產品的複雜度可以減低，製造成本 得以下降，產品的體積亦可因而縮小。
1.2 研究動機
CCD 的原理是將光轉換成電荷，不同顏色存在不同電位井。其優點是進光 使用效率較高，畫素品質高；但缺點是需外加信號處理晶片，以致體積大、耗電 大 。 反 之 ，CMOS 的 優 點 是 所 有 光 電 及 信 號 處 理 均 整 合 在 單 一 晶 片 上 (SYSTEM-ON-CHIP)，體積小、耗電少。表1-1比較 CCD 和 CMOS 影像感測器 的功率、價格、批量和體積。但目前 CMOS 影像感測器在畫面品質上仍不及 CCD，主因之一是 CMOS 影像感測器的濾光片使效率降低、成本提高甚多。雖 然如此，各界仍看好 CMOS 的差異，如圖 1-1 所示，預計在未來四年內 CMOS 將大幅超越 CCD。
表 1-1 CCD 與 CMOS 主要差異比較表
23300 26000
29500 32500 35500
45000
1998 1999 2000 2001 2002 2005
仟顆
CMOS CCD
(資料來源：日本富士總研綜合研究院 1999/10/29，工研院經資中心 ITIS 計畫整理)
圖1-1 CMOS 影像感測器全球出貨量預測圖
1. 光效率低：過濾掉大部份的入射光，造成實際使用的入光量不足 1/3。
2. 色純度低：由於彩色層機制只允許部份的光波段通過，因此造成色彩失真。
3. 信賴度低：製程繁複，需多道對準、曝光、顯影程序，嚴重影響品質及良率。
4. 成本高：製程冗長費時，材料及設備價格高，佔產品成本高。
因此本研究為解決傳統濾光片的缺點，提出創新性思維，以增光分色片代 替，以複製技術生產，期待降低成本，並提高光效率。
1.3 創新型增光分色片
在對影像感測器做全盤審視後，發現影響光效率及製程成本的最主要關 卡，是在濾光片。本研究團隊認為若延續以往的慣用模式，其結果將很難跳脫 低效率及高成本的宿命，所以在分光時所採用之方法，在物理原理上和以往不 同，以期能大幅提升效率。
依循著上述突破性創新性之設計理念，本研究改變以往濾光處理方式，改以
「光柵」元件，來達到分光的功效。光柵在光譜儀上是很常見的分光元件，特別 是閃耀式光柵(Blazed Grating)的使用，在理論上，甚至能將其一階繞射能量大幅 提高。而且由於不同波長的一階繞射角皆有所不同，所以當含多個不同波長之入 射光源經過光柵後，個別波長之入射光會以不同的角度繞射、分射開來，而達到 光學上分色的效果。此閃耀式光柵的使用將可以有效的解決入射光經濾光後被大 量濾除的不良後果，且其物理的效果應為「分光」，而非以往濾光片將大量入射 光予以去除之「濾光」機制，其增光分色機制如圖1-3所示。本計畫期望利用此 微光學繞射元件，能改善傳統彩色濾光片之缺失，以提高彩色 CMOS 影像感測 器之效能。
微透鏡 彩色濾光片 光電轉換電路
圖1-2 CMOS 影像感測晶片之結構
Co nventiona l Color Filter
Lig ht-filted
R G B
(More tha n 2/3 energ y loss)
Novel Color Divid er
Lig ht-sep a ra ted
R G B
(a)傳統彩色濾光片 (b) 創新型微光學增光分色片
圖 1-3 濾光與分光機制示意圖