傳感器製造設計與方法

過去幾十年來，行動電話及智慧型手機相機技術的進展成果，一直位於互補式金屬氧化物半導體 (CMOS) 技術發展的最前線，進而帶動傳感器及其製造方法持續精進。在這段期間內，一般製造進展成果也降低了 CMOS 傳感器的雜訊，並提升其可靠度。

圖 1： 背光照明像素及前照明像素的組態。

其中的一項特定變化，就是將 CMOS 傳感器結構由前照明改為背光照明。

圖 2：微型透鏡用於將廣大角度的光線盡可能擷取至傳感器。

CMOS 傳感器設計的另一項重大進展，就是納入微型透鏡以擷取最多光線，協助提升傳感器效率。

CMOS 用量超越 CCD 用量

經過這些年來的技術進展，有多項關鍵原因讓 CMOS 傳感器的使用情形超越電荷耦合裝置 (CCD) 的使用情形。CMOS 裝置能夠擷取影像，但耗電量低於 CCD，製造成本也較低，因此可降低價格（約 1/10）。由於 CMOS 傳感器大受歡迎，因此 Sony 在 2015 年 2 月 25 日宣布停產 CCD 傳感器。

各種應用需要更高的分辨率

隨著各種應用的需求更加嚴苛，因此需要更高的影像品質及分辨率。CMOS 製造商嘗試以減少像素大小及增加像素數的方式，打造分辨率更高的傳感器。這種方式達到適度的成功效果，但卻出現傳感器雜訊增加等問題。為了對抗此項問題，製造商改回稍大像素，但是採用 1.1 吋以上的傳感器尺寸。這種方法提升了傳感器分辨率，並維持良好的訊噪比 (SNR)。

圖 3： 傳感器的像素大小及整體傳感器尺寸改變，以提供更高的分辨率。

隨著分辨率需求持續提升，傳感器製造商不僅要使用更大的傳感器尺寸，也要尋找全新方式縮小像素大小，並且不犧牲影像品質。例如 Sony 第四代 Pregius S 24.5 MP IMX530 CMOS 這款新型傳感器，是 4/3 吋的傳感器（對角線 19.3mm），像素大小為 2.74µm（比3.45µm 縮小 37%）。

不過隨著像素大小縮小及傳感器尺寸增加，光學設計必須做出重大變更，以便完全充分使用其中提升的效能。這需要在成像鏡頭設計中納入額外的光學元件，導致成像鏡頭體積更大且重量更重。以上兩項限制迫使鏡頭設計人員打造接口大於 C 接口的鏡頭，而且要比消費型 F 接口更堅固可靠。

像是 TFL 及TFL-II 等類型的鏡頭接口，具有鏡後距離小及大直徑等特色，適用於 APS-C、APS-H 及其他全片幅傳感器等傳感器尺寸。這類接口採用的螺紋類型也具備卓越的穩定性，可支撐重型鏡頭，並可在 F 接口等卡扣式接口提供可靠的對準效果。

圖 4： TFL 及 TFL-II 接口可容納更大的最大傳感器對角線。

傳感器製造商推出新一代 CMOS 傳感器，具備超高分辨率。Canon 120MXS CMOS 傳感器具備 120MP 及 2.2μm 大小的像素，而 Canon 2U250MRXS CMOS 則具備 250MP 及 1.5μm 大小的像素。以上兩種傳感器的像素大小，都遠小於業界一般的像素大小。全新第四代 Sony Pregius 傳感器外型更為精巧，並提升約 1.7 倍的成像效能。這類傳感器的像素大小也由 3.45μm 縮減為 2.74μm。

圖 5：由於各種應用需要更高的分辨率，讓傳感器像素大小縮減。

機器視覺應用需要更高的分辨率，因此 CMOS 製造商必須持續縮減個別像素大小，並提升傳感器整體尺寸，以加強影像品質及有效分辨率。