2031년 7월 25일2025년에는 CMOS 센서가 과학 및 소비자 이미징 분야를 모두 장악하게 되겠지만, 항상 그런 것은 아니었습니다.
CCD는 '전하 결합 소자(Charge-Coupled Device)'의 약자로, CCD 센서는 1970년에 처음 개발된 최초의 디지털 카메라 센서였습니다. CCD와 EMCCD 기반 카메라는 불과 몇 년 전까지만 해도 과학 분야에 널리 사용되곤 했습니다. 두 기술 모두 오늘날에도 여전히 사용되고 있지만, 그 용도는 점차 제한적으로 사용되고 있습니다.
CMOS 센서의 개선 및 개발 속도는 계속해서 증가하고 있습니다. 이러한 기술 간의 차이점은 주로 감지된 전자 전하를 처리하고 판독하는 방식에 있습니다.
CCD 센서란 무엇인가?
CCD 센서는 빛을 포착하여 디지털 신호로 변환하는 이미지 센서의 한 유형입니다. 광자를 수집하여 전하로 변환하는 감광성 픽셀 배열로 구성됩니다.
CCD 센서 판독은 세 가지 중요한 면에서 CMOS와 다릅니다.
● 전하 이체: 포착된 광전자는 센서를 가로질러 픽셀 단위로 정전기적으로 이동하여 하단의 판독 영역으로 이동합니다.
● 판독 메커니즘: 병렬로 작동하는 아날로그-디지털 변환기(ADC) 전체 행 대신, CCD는 픽셀을 순차적으로 읽는 1~2개의 ADC(때로는 그 이상)만 사용합니다.
커패시터 및 증폭기 배치: 각 픽셀의 커패시터와 증폭기 대신 각 ADC에는 커패시터와 증폭기가 하나씩 있습니다.
CCD 센서는 어떻게 작동하나요?
CCD 센서가 이미지를 수집하고 처리하는 방식은 다음과 같습니다.
그림: CCD 센서의 판독 프로세스
노출이 끝나면 CCD 센서는 수집된 전하를 각 픽셀 내부의 마스크된 저장 영역(도시되지 않음)으로 먼저 옮깁니다. 그런 다음, 한 행씩 전하가 판독 레지스터로 이동합니다. 그리고 한 열씩 판독 레지스터 내의 전하가 판독됩니다.
1. 요금 청산: 수집을 시작하려면 전체 센서에서 전하가 동시에 삭제됩니다(글로벌 셔터).
2. 전하 축적: 노출 중에 전하가 축적됩니다.
3. 충전 저장: 노출이 끝나면 수집된 전하가 각 픽셀 내의 마스크된 영역(인터라인 전송 CCD라고 함)으로 이동하고, 여기서 새로 감지된 광자를 세지 않고도 읽을 수 있습니다.
4. 다음 프레임의 노출: 감지된 전하가 픽셀의 마스크된 영역에 저장되면 픽셀의 활성 영역에서 다음 프레임의 노출을 시작할 수 있습니다(오버랩 모드).
5. 순차적 판독: 완성된 프레임의 각 행에 있는 전하가 한 번에 한 행씩 '판독 레지스터'로 이동됩니다.
6. 최종 판독: 한 번에 한 열씩, 각 픽셀의 전하가 ADC에서 판독을 위해 판독 노드로 전송됩니다.
7. 되풀이: 이 과정은 모든 픽셀에서 감지된 전하가 계산될 때까지 반복됩니다.
감지된 모든 전하가 소수(때로는 하나)의 판독 지점에서 읽혀지기 때문에 발생하는 이러한 병목 현상은 CMOS에 비해 CCD 센서의 데이터 처리량에 심각한 제한을 초래합니다.
CCD 센서의 장단점
| 장점 | 단점 |
| 냉각 시 낮은 암흑 전류는 일반적으로 ~0.001 e⁻/p/s입니다. | 제한된 속도 일반적인 처리량은 ~20 MP/s입니다. CMOS보다 훨씬 느립니다. |
| 픽셀 비닝 전하를 판독 전에 합산하여 노이즈를 줄입니다. | 단일 지점 ADC 판독으로 인해 5~10 e⁻의 높은 읽기 노이즈가 일반적으로 발생합니다. |
| 글로벌 셔터 인터라인/프레임 전송 CCD의 진정한 글로벌 셔터 또는 거의 글로벌 셔터입니다. | 더 큰 픽셀 크기는 CMOS가 제공하는 소형화에 필적할 수 없습니다. |
| 높은 이미지 균일성 정량적 이미징에 적합합니다. | 높은 전력 소모 전하 이동 및 판독에 더 많은 전력이 필요합니다. |
CCD 센서의 장점
● 낮은 암전류: CCD 센서는 본질적으로 기술적으로 냉각 시 일반적으로 0.001 e-/p/s 정도로 매우 낮은 암전류를 갖는 경향이 있습니다.
● '픽셀 내' 비닝: 비닝 시, CCD는 판독 후가 아닌 판독 전에 전하를 추가하므로 추가적인 판독 노이즈가 발생하지 않습니다. 암전류는 증가하지만, 앞서 언급했듯이 일반적으로 매우 낮습니다.
● 글로벌 셔터: '인터라인' CCD 센서는 진정한 글로벌 셔터로 작동합니다. '프레임 전송' CCD 센서는 '하프 글로벌' 셔터를 사용합니다(그림 45의 '마스크' 영역 참조). 노출을 시작하고 종료하는 프레임 전송 과정은 실제로 동시에 이루어지지는 않지만, 일반적으로 1~10마이크로초 정도 소요됩니다. 일부 CCD는 기계식 셔터를 사용합니다.
CCD 센서의 단점
● 제한속도: 일반적인 데이터 처리량(초당 픽셀 수)은 약 20메가픽셀/초(MP/s)로, 5fps로 4MP 이미지를 처리하는 것과 같습니다. 이는 동급 CMOS보다 약 20배, 고속 CMOS보다 최소 100배 느립니다.
● 높은 읽기 노이즈: CCD의 읽기 노이즈는 높은데, 이는 주로 사용 가능한 카메라 속도를 달성하기 위해 ADC를 높은 속도로 실행해야 하기 때문입니다. 고급 CCD 카메라에서는 5~10e가 일반적입니다.
● 더 큰 픽셀: 많은 응용 분야에서 픽셀이 작을수록 이점이 있습니다. 일반적인 CMOS 구조는 CCD보다 더 작은 최소 픽셀 크기를 허용합니다.
● 높은 전력 소모: CCD 센서를 작동시키는 데 필요한 전력은 CMOS보다 훨씬 높습니다.
과학적 이미징에서의 CCD 센서 응용
CMOS 기술이 점차 대중화되고 있지만, 이미지 품질, 감도, 그리고 일관성이 매우 중요한 특정 과학 이미징 분야에서는 여전히 CCD 센서가 선호됩니다. 최소한의 노이즈로 저조도 신호를 포착하는 뛰어난 성능 덕분에 CCD 센서는 정밀 애플리케이션에 이상적입니다.
천문학
CCD 센서는 멀리 떨어진 별과 은하의 희미한 빛을 포착할 수 있기 때문에 천문 이미징에 매우 중요합니다. CCD 센서는 장시간 노출 천체사진 촬영을 위해 천문대와 고급 아마추어 천문학에서 널리 사용되며, 선명하고 세부적인 이미지를 제공합니다.
현미경 및 생명 과학
생명 과학에서 CCD 센서는 약한 형광 신호나 미세한 세포 구조를 포착하는 데 사용됩니다. 높은 감도와 균일성을 갖춰 형광 현미경, 생세포 이미징, 디지털 병리학 등의 응용 분야에 적합합니다. 선형적인 광 응답 특성으로 정확한 정량 분석이 가능합니다.
반도체 검사
CCD 센서는 반도체 제조, 특히 웨이퍼 검사에 매우 중요합니다. 높은 해상도와 일관된 이미징 품질은 칩의 미세 결함을 식별하여 반도체 생산에 필요한 정밀성을 보장하는 데 필수적입니다.
X선 및 과학 영상
CCD 센서는 X선 검출 시스템 및 기타 특수 이미징 분야에도 사용됩니다. 특히 냉각 시에도 높은 신호대잡음비를 유지하는 능력은 결정학, 재료 분석, 비파괴 검사와 같은 까다로운 조건에서 선명한 이미징을 위해 필수적입니다.
CCD 센서는 오늘날에도 여전히 유효한가?
투센 H-694 & 674 CCD 카메라
CMOS 기술의 급속한 발전에도 불구하고 CCD 센서는 결코 뒤떨어지지 않습니다. CCD는 탁월한 이미지 품질과 노이즈 특성이 필수적인 초저조도 및 고정밀 이미징 작업에서 여전히 선호되는 선택입니다. 심우주 천문학이나 첨단 형광 현미경과 같은 분야에서 CCD 카메라는 종종 여러 CMOS 카메라보다 우수한 성능을 보입니다.
CCD 센서의 강점과 약점을 이해하면 연구자와 엔지니어가 특정 요구 사항에 맞는 올바른 기술을 선택하여 과학 또는 산업 응용 분야에서 최적의 성능을 보장하는 데 도움이 됩니다.
자주 묻는 질문
언제 CCD 센서를 선택해야 합니까?
CMOS 기술이 낮은 암전류 성능마저 잠식하기 시작하면서 CCD 센서는 10년 전보다 오늘날 훨씬 더 희귀해졌습니다. 그러나 뛰어난 화질, 낮은 노이즈, 높은 감도와 같은 성능 특성의 조합이 이점을 제공하는 애플리케이션은 항상 존재할 것입니다.
과학용 카메라에 냉각 CCD 센서를 사용하는 이유는 무엇입니까?
냉각은 이미지 캡처 중 열 잡음을 줄여 이미지 선명도와 감도를 향상시킵니다. 이는 특히 저조도 및 장시간 노출 과학 이미징에 중요하며, 이것이 많은 고급 카메라가과학용 카메라더 깨끗하고 정확한 결과를 얻으려면 냉각된 CCD를 사용하세요.
CCD와 EMCCD 센서의 오버랩 모드란 무엇이며, 카메라 성능을 어떻게 향상시키나요?
CCD 및 EMCCD 센서는 일반적으로 '오버랩 모드'를 지원합니다. 글로벌 셔터 카메라의 경우, 이는 다음 프레임을 노출하는 동안 이전 프레임을 읽어낼 수 있는 기능을 의미합니다. 이는 높은(거의 100%) 듀티 사이클로 이어지며, 프레임을 빛에 노출시키지 않는 데 낭비되는 시간을 최소화하여 프레임 속도를 높입니다.
참고: 롤링 셔터 센서의 경우 오버랩 모드는 다른 의미를 갖습니다.
