라인 스캔 TDI 이미징을 통한 조명 제한 획득 속도 향상

카메라 센서에서 TDI 이미징을 구현하는 방법에는 세 가지 일반적인 표준이 있습니다.

● CCD TDI– CCD 카메라는 가장 오래된 디지털 카메라입니다. 전자 설계 덕분에 CCD에서 TDI 동작을 구현하는 것은 비교적 간단하며, 많은 카메라 센서가 이러한 방식으로 작동할 수 있습니다. 따라서 TDI CCD는 수십 년 동안 사용되어 왔습니다.

하지만 CCD 기술에는 한계가 있습니다. 일반적으로 CCD TDI 카메라에 사용되는 최소 픽셀 크기는 약 12µm x 12µm입니다. 이 크기와 적은 픽셀 수는 카메라의 미세한 디테일 해상력을 제한합니다. 게다가 다른 기술보다 이미지 획득 속도가 느리고, 저조도 이미징의 주요 제한 요소인 판독 노이즈가 높습니다. 또한 전력 소비량도 높은데, 이는 일부 애플리케이션에서 중요한 요소입니다. 이러한 이유로 CMOS 아키텍처 기반 TDI 카메라 개발이 요구되었습니다.

●초기 CMOS TDI: 전압 영역 및 디지털 합산

CMOS 카메라는 CCD 카메라의 노이즈 및 속도 한계를 극복하면서도 전력 소모가 적고 픽셀 크기가 더 작습니다. 그러나 CMOS 카메라의 픽셀 설계로 인해 TDI 동작을 구현하기가 훨씬 어려웠습니다. CCD는 센서를 제어하기 위해 광전자를 픽셀 간에 물리적으로 이동시키는 반면, CMOS 카메라는 광전자의 신호를 판독하기 전에 각 픽셀에서 전압으로 변환합니다.

CMOS 센서에서의 TDI 동작은 2001년부터 연구되어 왔지만, 노출이 한 행에서 다음 행으로 이동함에 따라 신호가 '누적'되는 현상을 처리하는 방법에 대한 과제는 중요했습니다. 오늘날에도 상용 카메라에서 사용되는 CMOS TDI의 두 가지 초기 방식은 전압 도메인 축적(VDAC)과 디지털 합산(CMOS) TDI입니다. 전압 도메인 축적 카메라에서, 피사체가 지나갈 때 각 신호 행이 획득되면 획득된 전압이 이미지의 해당 부분에 대한 전체 획득량에 전자적으로 추가됩니다. 이러한 방식으로 전압을 축적하면 추가되는 각 TDI 단계에 대해 추가적인 노이즈가 발생하여 추가 단계의 이점이 제한됩니다. 선형성 문제 또한 이러한 카메라를 정밀 응용 분야에 사용하는 데 어려움을 줍니다.

두 번째 방법은 디지털 합산 TDI입니다. 이 방식에서는 CMOS 카메라가 영역 스캔 모드로 효과적으로 작동하며, 피사체가 단일 픽셀 행을 이동하는 데 걸리는 시간에 맞춰 매우 짧은 노출을 유지합니다. 하지만 각 연속 프레임의 행은 디지털 방식으로 합산되어 TDI 효과가 나타납니다. 결과 이미지의 각 픽셀 행에 대해 카메라 전체에서 데이터를 읽어야 하므로, 이러한 디지털 합산은 각 행의 읽기 노이즈를 증가시키고 이미지 획득 속도를 제한합니다.

●현대 표준: 전하 도메인 TDI CMOS 또는 CCD-on-CMOS TDI

CMOS TDI의 한계는 최근 CCD-on-CMOS TDI라고도 하는 전하 도메인 축적 TDI(CMOS)의 도입을 통해 극복되었습니다. 이러한 센서의 작동 방식은 [애니메이션 1]에서 확인할 수 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 센서는 CCD처럼 한 픽셀에서 다음 픽셀로 전하를 이동시켜 각 TDI 단계에서 개별 전하 수준에서 광전자를 추가하여 신호를 축적합니다. 이는 사실상 잡음이 없습니다. 그러나 CCD TDI의 한계는 CMOS 판독 구조를 사용하여 극복되었으며, CMOS 카메라에서 흔히 볼 수 있는 고속, 저잡음, 저전력 소모를 가능하게 합니다.