CMOS 센서 이해하기: 대부분의 이미징을 위한 현대적 표준 |

스마트폰부터 과학 기기까지, 이미지 센서는 오늘날 시각 기술의 핵심입니다. 그중 CMOS 센서는 일상 사진부터 첨단 현미경 및 반도체 검사에 이르기까지 모든 것을 구동하는 주요 동력으로 자리 잡았습니다.

'상보형 금속 산화막 반도체(CMOS)' 기술은 매우 광범위한 응용 분야를 가진 전자 아키텍처이자 제조 공정 기술입니다. 실제로 CMOS 기술은 현대 디지털 시대의 근간을 이룬다고 할 수 있습니다.

CMOS 센서란?

CMOS 이미지 센서(CIS)는 액티브 픽셀을 사용합니다. 즉, 카메라의 각 픽셀에 세 개 이상의 트랜지스터를 사용합니다. CCD와 EMCCD 픽셀에는 트랜지스터가 없습니다.

각 픽셀의 트랜지스터는 이러한 '활성' 픽셀을 제어하고, '전계 효과' 트랜지스터를 통해 신호를 증폭하고, 데이터에 접근하는 모든 과정을 병렬로 처리할 수 있도록 합니다. 센서 전체 또는 상당 부분에 대한 단일 판독 경로 대신,CMOS 카메라센서의 각 열에 대해 하나(또는 그 이상)의 ADC가 있는 최소 한 행의 판독 ADC를 포함합니다. 각 ADC는 해당 열의 값을 동시에 읽을 수 있습니다. 또한, 이러한 '액티브 픽셀' 센서는 CMOS 디지털 로직과 호환되어 센서의 잠재적 기능을 향상시킵니다.

이러한 특성들이 CMOS 센서의 빠른 속도를 가능하게 합니다. 하지만 병렬 처리 속도 향상 덕분에 개별 ADC는 감지된 신호를 더 정확하게 측정하는 데 더 오랜 시간이 걸립니다. 이러한 긴 변환 시간은 더 높은 픽셀 수에서도 매우 낮은 노이즈 작동을 가능하게 합니다. 이러한 특징과 기타 혁신 기술 덕분에 CMOS 센서의 읽기 노이즈는 CCD보다 최대 5배에서 10배까지 낮은 경향이 있습니다.

현대의 과학적 CMOS(sCMOS) 카메라는 연구 응용 분야에서 낮은 노이즈와 고속 이미징을 위해 설계된 CMOS의 특수한 하위 유형입니다.

CMOS 센서는 어떻게 작동하나요? (롤링 셔터와 글로벌 셔터 포함)

일반적인 CMOS 센서의 작동 원리는 그림과 아래에 간략하게 설명되어 있습니다. 아래의 작동 방식 차이로 인해 글로벌 셔터 CMOS 카메라와 롤링 셔터 CMOS 카메라의 노출 타이밍과 작동 방식이 다릅니다.

그림: CMOS 센서의 판독 프로세스

메모: 본문에서 논의된 바와 같이 CMOS 카메라의 판독 과정은 '롤링 셔터' 카메라와 '글로벌 셔터' 카메라 간에 차이가 있습니다. 두 경우 모두 각 픽셀에는 감지된 광전자 수에 따라 전압을 생성하는 커패시터와 증폭기가 있습니다. 각 행의 전압은 열 아날로그-디지털 변환기를 통해 동시에 측정됩니다.

롤링 셔터

1. 롤링 셔터 CMOS 센서의 경우, 맨 위 행(또는 분할 센서 카메라의 중앙)에서 시작하여 행의 전하를 제거하여 해당 행의 노출을 시작합니다.
2. '라인 시간'이 경과한 후(일반적으로 5~20μs), 다음 행으로 이동하여 전체 센서가 노출될 때까지 1단계부터 반복합니다.
3. 각 행마다 노출 시간 동안 전하가 축적되어 해당 행의 노출 시간이 끝날 때까지 지속됩니다. 먼저 시작한 행이 먼저 완료됩니다.
4. 한 행에 대한 노출이 끝나면 전하를 판독 커패시터와 증폭기로 옮깁니다.
5. 해당 행의 각 증폭기의 전압은 열 ADC에 연결되고, 행의 모든 픽셀에 대한 신호가 측정됩니다.
6. 판독 및 재설정 작업을 완료하는 데 '라인 시간'이 걸리며, 그 후 노출을 시작할 다음 행의 노출 시간이 끝나고 4단계부터 프로세스가 반복됩니다.
7. 맨 위 행의 판독이 완료되면, 맨 아래 행이 현재 프레임 노출을 시작했다면 맨 위 행은 다음 프레임 노출을 시작할 수 있습니다(오버랩 모드). 노출 시간이 프레임 시간보다 짧으면, 맨 위 행은 맨 아래 행이 노출을 시작할 때까지 기다려야 합니다. 가능한 가장 짧은 노출 시간은 일반적으로 한 줄 시간입니다.

Tucsen의 FL 26BW 냉각 CMOS 카메라소니 IMX533 센서를 탑재한 , 롤링 셔터 기술을 사용합니다.

글로벌 셔터

원천:GMAX3412 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서

1. 수집을 시작하려면 전체 센서에서 전하가 동시에 지워집니다(픽셀 웰의 전역 재설정).
2. 노출되는 동안 전하가 축적됩니다.
3. 노출이 끝나면 수집된 전하가 각 픽셀 내의 마스크된 웰로 이동하며, 여기서 새로 감지된 광자가 계산되지 않고 판독될 때까지 기다립니다. 일부 카메라는 이 단계에서 전하를 픽셀 커패시터로 이동합니다.
4. 감지된 전하가 각 픽셀의 마스크된 영역에 저장되면 픽셀의 활성 영역에서 다음 프레임의 노출을 시작할 수 있습니다(오버랩 모드).
5. 마스크된 영역에서의 판독 과정은 롤링 셔터 센서의 경우와 동일하게 진행됩니다. 한 번에 한 행씩, 센서 상단에서부터 마스크된 웰에서 판독 커패시터와 증폭기로 전하가 전송됩니다.
6. 해당 행의 각 증폭기의 전압은 열 ADC에 연결되고, 행의 모든 픽셀에 대해 신호가 측정됩니다.
7. 판독 및 재설정 작업을 완료하는 데 '라인 시간'이 걸리며, 그 후 5단계의 다음 행에 대해 프로세스가 반복됩니다.
8. 모든 행을 읽고 나면 카메라는 다음 프레임을 읽을 준비가 되며, 노출 시간이 이미 경과한 경우 2단계부터, 또는 3단계부터 프로세스를 반복할 수 있습니다.

Tucsen의 Libra 3412M 모노 sCMOS 카메라글로벌 셔터 기술을 활용하여 움직이는 샘플을 선명하고 빠르게 캡처할 수 있습니다.

CMOS 센서의 장단점

장점

● 더 빠른 속도: CMOS 센서는 일반적으로 CCD나 EMCCD 센서보다 데이터 처리량이 1~2배 더 빠릅니다.
● 더 큰 센서: 더 빠른 데이터 처리량으로 더 많은 픽셀 수와 더 넓은 시야(최대 수십 또는 수백 메가픽셀)가 가능해졌습니다.
● 저소음: 일부 CMOS 센서는 추가 노이즈 소스를 추가하는 전하 증폭을 필요로 하지 않고도 EMCCD와 맞먹는 0.25e-만큼 낮은 읽기 노이즈를 가질 수 있습니다.
● 픽셀 크기 유연성: 소비자용과 스마트폰용 카메라 센서는 픽셀 크기를 ~1μm 범위까지 낮추고, 최대 11μm 픽셀 크기의 과학용 카메라가 일반적이며, 최대 16μm까지 사용 가능합니다.
● 낮은 전력 소모: CMOS 카메라는 전력 요구 사항이 낮기 때문에 다양한 과학 및 산업 분야에 사용할 수 있습니다.
● 가격 및 수명: 저가형 CMOS 카메라는 일반적으로 CCD 카메라와 가격이 비슷하거나 더 저렴하며, 고가형 CMOS 카메라는 EMCCD 카메라보다 훨씬 저렴합니다. 예상 수명은 EMCCD 카메라보다 훨씬 길어야 합니다.

단점

● 롤링 셔터: 대부분의 과학용 CMOS 카메라에는 롤링 셔터가 있는데, 이는 실험 워크플로우를 더 복잡하게 만들거나 일부 응용 프로그램을 배제할 수 있습니다.
● 더 높은 암흑 전류t: 대부분의 CMOS 카메라는 CCD 및 EMCCD 센서보다 훨씬 높은 암전류를 가지고 있어 장시간 노출(1초 이상) 시 상당한 노이즈가 발생하는 경우가 있습니다.

오늘날 CMOS 센서가 사용되는 곳

CMOS 센서는 다재다능하기 때문에 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다.

● 가전제품: 스마트폰, 웹캠, DSLR, 액션캠.
● 생명과학: CMOS 센서 전원현미경 카메라형광 이미징 및 의료 진단에 사용됩니다.

● 천문학: 망원경과 우주 이미징 장치는 종종 높은 해상도와 낮은 노이즈를 위해 과학적 CMOS(sCMOS)를 사용합니다.
● 산업검사: 자동 광학 검사(AOI), 로봇공학 및반도체 검사용 카메라속도와 정확성을 위해 CMOS 센서를 활용하세요.

● 자동차: 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS), 후방 및 주차 카메라.
● 감시 및 보안: 저조도 및 동작 감지 시스템.

빠른 속도와 비용 효율성 덕분에 CMOS는 대량 상업적 사용과 전문적인 과학 작업 모두에 적합한 솔루션입니다.

CMOS가 이제 현대 표준인 이유

CCD에서 CMOS로의 전환은 하룻밤 사이에 이루어진 것은 아니지만, 불가피한 일이었습니다. CMOS가 이제 이미징 산업의 초석이 된 이유는 다음과 같습니다.

● 제조상의 이점: 표준 반도체 제조 라인을 기반으로 구축되어 비용을 절감하고 확장성을 향상시킵니다.
● 성능 향상: 롤링 및 글로벌 셔터 옵션, 향상된 저조도 감도, 더 높은 프레임 속도.
● 통합 및 인텔리전스: CMOS 센서는 이제 칩 내 AI 처리, 엣지 컴퓨팅, 실시간 분석을 지원합니다.
● 혁신: 적층형 CMOS, 양자 이미지 센서, 곡면 센서와 같은 새로운 센서 유형은 CMOS 플랫폼을 기반으로 구축됩니다.

스마트폰에서부터과학용 카메라CMOS는 적응성이 뛰어나고 강력하며 미래에도 대응할 수 있는 것으로 입증되었습니다.