라인 스캔 TDI 이미징을 사용하여 광량 제한 획득 속도 향상

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

● CCD TDICCD 카메라는 가장 오래된 디지털 카메라 방식입니다. 전자 설계 특성상 CCD에서 TDI 동작을 구현하는 것이 비교적 간단하며, 많은 카메라 센서가 본질적으로 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 12µm에 불과하며, 픽셀 수가 적어 미세한 디테일을 표현하는 데 제약이 있습니다. 또한, 이미지 획득 속도가 다른 기술보다 느리고, 저조도 이미징에서 주요 제약 요소인 판독 노이즈가 높습니다. 전력 소비량 역시 높아 일부 응용 분야에서는 큰 문제가 됩니다. 이러한 이유로 CMOS 아키텍처 기반의 TDI 카메라 개발에 대한 필요성이 대두되었습니다.

●초기 CMOS TDI: 전압 영역 및 디지털 합산

CMOS 카메라는 CCD 카메라의 노이즈 및 속도 제한을 상당 부분 극복하면서 전력 소모는 적고 픽셀 크기도 더 작습니다. 그러나 CMOS 카메라에서는 픽셀 설계 방식 때문에 TDI(Time-Directed Imaging) 동작을 구현하기가 훨씬 어려웠습니다. CCD는 광전자를 물리적으로 픽셀 간에 이동시켜 센서를 관리하는 반면, CMOS 카메라는 광전자 신호를 각 픽셀의 전압으로 변환한 후 판독합니다.

CMOS 센서에서의 TDI(Time Dimension Inclusion) 동작은 2001년부터 연구되어 왔지만, 노출이 한 행에서 다음 행으로 넘어갈 때 신호가 '누적'되는 문제를 해결하는 것이 중요한 과제였습니다. 오늘날 상용 카메라에서 여전히 사용되는 초기 CMOS TDI 방식으로는 전압 영역 누적 방식과 디지털 합산 방식의 TDI CMOS가 있습니다. 전압 영역 누적 방식 카메라에서는 촬영 대상체가 지나갈 때마다 각 행의 신호를 획득하고, 획득된 전압을 해당 이미지 부분의 전체 획득 전압에 전자적으로 더합니다. 이러한 방식으로 전압을 누적하면 TDI 단계가 추가될 때마다 노이즈가 증가하여 단계 추가의 이점이 제한됩니다. 또한 선형성 문제로 인해 이러한 카메라를 정밀한 응용 분야에 사용하는 데 어려움이 있습니다.

두 번째 방법은 디지털 합산 TDI입니다. 이 방법에서는 CMOS 카메라가 매우 짧은 노출 시간(촬영 대상체가 픽셀 행 하나를 가로지르는 데 걸리는 시간)을 사용하여 영역 스캔 모드로 작동합니다. 하지만 각 연속 프레임의 픽셀 행들이 디지털 방식으로 합산되어 TDI 효과가 나타납니다. 결과 이미지의 각 픽셀 행에 대해 카메라 전체를 판독해야 하므로, 이 디지털 합산 과정에서 각 행의 판독 노이즈가 추가되어 이미지 획득 속도가 제한됩니다.

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

위에서 언급한 CMOS TDI의 한계는 최근 전하 도메인 축적 TDI CMOS, 즉 CCD-on-CMOS TDI의 도입으로 극복되었습니다. 이러한 센서의 작동은 [애니메이션 1]에서 확인할 수 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이, 이 센서는 CCD처럼 한 픽셀에서 다음 픽셀로 전하가 이동하며, 각 TDI 단계에서 개별 전하 수준에서 광전자를 더하여 신호를 축적합니다. 이는 실질적으로 잡음이 없는 방식입니다. 또한, CMOS 판독 아키텍처를 사용함으로써 CCD TDI의 한계를 극복하여 CMOS 카메라에서 흔히 볼 수 있는 고속, 저잡음, 저전력 등의 특성을 구현할 수 있습니다.