2025년 8월 5일스마트폰부터 과학 기기에 이르기까지 이미지 센서는 오늘날 시각 기술의 핵심입니다. 그중에서도 CMOS 센서는 일상적인 사진 촬영부터 첨단 현미경 및 반도체 검사에 이르기까지 모든 분야에 적용되며 지배적인 위치를 차지하고 있습니다.
'상보형 금속 산화물 반도체(CMOS)' 기술은 응용 분야가 매우 광범위한 전자 아키텍처 및 제조 공정 기술입니다. 실제로 CMOS 기술은 현대 디지털 시대의 기반이라고 할 수 있습니다.
CMOS 센서란 무엇인가요?
CMOS 이미지 센서(CIS)는 활성 픽셀을 사용하는데, 이는 카메라의 각 픽셀에 3개 이상의 트랜지스터가 사용된다는 것을 의미합니다. CCD 및 EMCCD 픽셀에는 트랜지스터가 포함되어 있지 않습니다.
각 픽셀의 트랜지스터는 이러한 '활성' 픽셀을 제어하고, '전계 효과' 트랜지스터를 통해 신호를 증폭하고, 데이터에 접근할 수 있도록 하며, 이 모든 과정이 병렬적으로 이루어집니다. 전체 센서 또는 센서의 상당 부분에 대해 단일 판독 경로를 사용하는 대신,CMOS 카메라이 센서는 최소한 한 줄 전체에 걸쳐 판독용 ADC를 포함하며, 센서의 각 열마다 하나(또는 그 이상)의 ADC가 있습니다. 각 ADC는 해당 열의 값을 동시에 읽을 수 있습니다. 또한, 이러한 '액티브 픽셀' 센서는 CMOS 디지털 로직과 호환되어 센서의 잠재적 기능을 확장합니다.
이러한 특성들이 결합되어 CMOS 센서의 빠른 속도를 가능하게 합니다. 또한, 병렬 처리가 증가함에 따라 개별 ADC는 검출된 신호를 더 높은 정확도로 측정하는 데 더 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다. 이러한 긴 변환 시간 덕분에 화소 수가 많더라도 매우 낮은 노이즈로 동작할 수 있습니다. 이러한 점과 기타 혁신 덕분에 CMOS 센서의 판독 노이즈는 CCD 센서보다 최대 5~10배 낮습니다.
최신 과학용 CMOS(sCMOS) 카메라는 연구 분야에서 저잡음 및 고속 이미징을 위해 설계된 CMOS의 특수 하위 유형입니다.
CMOS 센서는 어떻게 작동할까요? (롤링 셔터와 글로벌 셔터의 차이점 포함)
그림은 일반적인 CMOS 센서의 작동 방식을 보여주고 있으며, 아래에 자세히 설명되어 있습니다. 아래의 작동 방식 차이로 인해 글로벌 셔터 방식의 CMOS 카메라와 롤링 셔터 방식의 CMOS 카메라에서 노출 타이밍과 작동 방식이 달라진다는 점에 유의하십시오.
참고: 본문에서 설명하는 것처럼 CMOS 카메라의 판독 과정은 '롤링 셔터' 카메라와 '글로벌 셔터' 카메라 간에 차이가 있습니다. 두 경우 모두 각 픽셀에는 검출된 광전자 수에 따라 전압을 생성하는 커패시터와 증폭기가 포함되어 있습니다. 각 행에서 모든 열의 전압은 열 아날로그-디지털 변환기를 통해 동시에 측정됩니다.
롤링 셔터
1. 롤링 셔터 CMOS 센서의 경우, 맨 위쪽 행(또는 분할 센서 카메라의 경우 중앙 행)부터 시작하여 해당 행의 노출을 시작하기 전에 행의 전하를 제거하십시오.
2. '라인 타임'(일반적으로 5-20μs)이 경과한 후, 다음 행으로 이동하여 1단계부터 전체 센서가 노출될 때까지 반복합니다.
3. 각 행은 노출 시간 동안 전하가 축적되며, 해당 행의 노출 시간이 끝날 때까지 계속됩니다. 먼저 시작한 행이 먼저 노출이 완료됩니다.
4. 한 행의 노출이 완료되면 전하를 판독 커패시터와 증폭기로 전송합니다.
5. 그러면 해당 행의 각 증폭기 전압이 열 ADC에 연결되고, 해당 행의 모든 픽셀에 대한 신호가 측정됩니다.
6. 판독 및 재설정 작업이 완료되는 데 '라인 시간'이 소요되며, 그 후 다음 행의 노출이 시작되고 노출 시간이 종료되면 4단계부터 과정이 반복됩니다.
7. 상단 행의 판독이 완료되고 하단 행이 현재 프레임의 노출을 시작한 경우, 상단 행은 다음 프레임의 노출을 시작할 수 있습니다(겹침 모드). 노출 시간이 프레임 시간보다 짧은 경우, 상단 행은 하단 행이 노출을 시작할 때까지 기다려야 합니다. 일반적으로 가능한 최소 노출 시간은 한 줄의 노출 시간입니다.
투센의 FL 26BW 냉각 CMOS 카메라소니 IMX533 센서를 탑재한 이 제품은 롤링 셔터 기술을 사용합니다.
글로벌 셔터
1. 데이터 수집을 시작하기 위해 센서 전체에서 전하가 동시에 제거됩니다(픽셀 웰의 전체 재설정).
2. 노출되는 동안 전하가 축적됩니다.
3. 노출이 끝나면 수집된 전하는 각 픽셀 내의 마스크된 영역으로 이동하여 새로운 광자가 감지되지 않고 판독을 기다릴 수 있습니다. 일부 카메라는 이 단계에서 전하를 픽셀 커패시터로 이동시킵니다.
4. 각 픽셀의 마스크 영역에 감지된 전하가 저장되면 픽셀의 활성 영역에서 다음 프레임의 노출을 시작할 수 있습니다(오버랩 모드).
5. 마스크된 영역에서의 판독 과정은 롤링 셔터 센서와 동일하게 진행됩니다. 센서 상단에서 한 줄씩 순차적으로 마스크된 영역에서 판독 커패시터와 증폭기로 전하가 전달됩니다.
6. 해당 행의 각 증폭기 전압은 열 ADC에 연결되고, 해당 행의 모든 픽셀에 대해 신호가 측정됩니다.
7. 판독 및 재설정 작업이 완료되는 데 '라인 타임'이 소요되며, 이후 5단계부터 다음 행에 대해 동일한 과정이 반복됩니다.
8. 모든 행을 읽고 나면 카메라가 다음 프레임을 읽을 준비가 되며, 2단계부터 과정을 반복하거나, 노출 시간이 이미 경과한 경우에는 3단계부터 반복할 수 있습니다.
투센의 리브라 3412M 모노 sCMOS 카메라글로벌 셔터 기술을 활용하여 움직이는 샘플을 선명하고 빠르게 촬영할 수 있습니다.
CMOS 센서의 장점과 단점
장점
● 더 빠른 속도CMOS 센서는 일반적으로 CCD 또는 EMCCD 센서보다 데이터 처리 속도가 1~2배 더 빠릅니다.
● 더 큰 센서데이터 처리 속도가 빨라짐에 따라 픽셀 수와 시야각이 수십 또는 수백 메가픽셀까지 증가할 수 있습니다.
● 저소음일부 CMOS 센서는 0.25e-만큼 낮은 판독 잡음을 가질 수 있어, 추가적인 잡음 발생원을 추가하는 전하 증폭 없이도 EMCCD에 필적하는 성능을 보여줍니다.
● 픽셀 크기 유연성소비자용 및 스마트폰 카메라 센서는 픽셀 크기를 약 1μm 범위까지 줄였으며, 과학용 카메라는 최대 11μm의 픽셀 크기를 사용하는 것이 일반적이며, 최대 16μm의 픽셀 크기를 사용하는 제품도 출시되고 있습니다.
● 낮은 전력 소비량CMOS 카메라의 낮은 전력 소모량 덕분에 더욱 다양한 과학 및 산업 분야에서 활용될 수 있습니다.
● 가격 및 수명보급형 CMOS 카메라는 일반적으로 CCD 카메라와 가격이 비슷하거나 더 저렴하며, 고급형 CMOS 카메라는 EMCCD 카메라보다 훨씬 저렴합니다. 따라서 고급형 CMOS 카메라의 예상 수명은 EMCCD 카메라보다 훨씬 깁니다.
단점
● 롤링 셔터대부분의 과학용 CMOS 카메라에는 롤링 셔터 현상이 있어 실험 워크플로우가 복잡해지거나 일부 응용 분야에 사용이 불가능해질 수 있습니다.
● 더 높은 암전류t: 대부분의 CMOS 카메라는 CCD 및 EMCCD 센서보다 암전류가 훨씬 높아 장시간 노출(> 1초) 시 상당한 노이즈가 발생할 수 있습니다.
CMOS 센서가 오늘날 사용되는 분야
CMOS 센서는 다재다능함 덕분에 매우 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
● 소비자 가전제품스마트폰, 웹캠, DSLR 카메라, 액션캠.
● 생명과학: CMOS 센서 전원현미경 카메라형광 영상 및 의료 진단에 사용됩니다.
● 천문학망원경과 우주 영상 장비는 고해상도와 저잡음을 위해 과학용 CMOS(sCMOS)를 자주 사용합니다.
● 산업 검사자동 광학 검사(AOI), 로봇 공학 및반도체 검사용 카메라속도와 정확성을 위해 CMOS 센서에 의존합니다.
● 자동차첨단 운전자 보조 시스템(ADAS), 후방 카메라 및 주차 카메라.
● 감시 및 보안저조도 및 동작 감지 시스템.
CMOS는 빠른 속도와 비용 효율성 덕분에 대량 생산 상업 용도와 전문적인 과학 연구 모두에 적합한 솔루션입니다.
CMOS가 오늘날 현대 표준이 된 이유
CCD에서 CMOS로의 전환은 하루아침에 이루어진 것은 아니지만, 필연적인 과정이었습니다. CMOS가 현재 영상 산업의 핵심이 된 이유를 살펴보겠습니다.
● 제조상의 이점표준 반도체 제조 라인을 기반으로 구축되어 비용을 절감하고 확장성을 향상시킵니다.
● 성능 향상롤링 셔터 및 글로벌 셔터 옵션, 향상된 저조도 감도, 그리고 더 높은 프레임 속도를 제공합니다.
● 통합 및 인텔리전스CMOS 센서는 이제 온칩 AI 처리, 엣지 컴퓨팅 및 실시간 분석을 지원합니다.
● 혁신적층형 CMOS, 양자 이미지 센서, 곡면 센서와 같은 새로운 센서 유형은 CMOS 플랫폼을 기반으로 제작됩니다.
스마트폰부터과학용 카메라CMOS는 적응성이 뛰어나고 강력하며 미래 지향적이라는 것이 입증되었습니다.
결론
CMOS 센서는 성능, 효율성 및 비용의 균형 덕분에 대부분의 이미징 애플리케이션에서 현대 표준으로 자리 잡았습니다. 일상의 소중한 추억을 포착하든 고속 과학 분석을 수행하든, CMOS 기술은 오늘날 시각 세계의 기반을 제공합니다.
글로벌 셔터 CMOS 및 sCMOS와 같은 혁신 기술이 지속적으로 발전함에 따라, 이 기술의 지배력은 앞으로도 수년간 지속될 것으로 예상됩니다.
자주 묻는 질문
롤링 셔터와 글로벌 셔터의 차이점은 무엇인가요?
롤링 셔터는 이미지 데이터를 한 줄씩 읽어들이기 때문에 빠르게 움직이는 피사체를 촬영할 때 움직임으로 인한 왜곡(예: 기울어짐 또는 흔들림)이 발생할 수 있습니다.
글로벌 셔터는 프레임 전체를 동시에 캡처하여 움직임으로 인한 왜곡을 제거합니다. 머신 비전 및 과학 실험과 같은 고속 이미징 애플리케이션에 이상적입니다.
롤링 셔터 CMOS 오버랩 모드란 무엇인가요?
롤링 셔터 CMOS 카메라의 경우, 오버랩 모드에서는 현재 프레임의 노출이 완전히 완료되기 전에 다음 프레임의 노출을 시작할 수 있어 더 높은 프레임 속도를 구현할 수 있습니다. 이는 각 행의 노출과 판독이 시간적으로 어긋나 있기 때문에 가능합니다.
이 모드는 고속 검사 또는 실시간 추적과 같이 최대 프레임 속도와 처리량이 중요한 애플리케이션에 유용합니다. 하지만 타이밍 및 동기화의 복잡성이 다소 증가할 수 있습니다.
