Back 조명 기술을 사용한 새로운 CMOS 카메라
Princeton Instruments
개요
저조도 과학 카메라(Low-light scientific cameras)는 양자 이미징에서부터 천문학에 이르기까지 많은 혁명적인 발견의 배경에 있다. 50여 년 이상 동안 CCD 카메라와 후속 모델 전자 증식 CCD(electron-multiplying CCD, EMCCD)와 강화된 CCD(intensified CCD, ICCD) 카메라가 과학적 이미징 및 분광학 응용 분야에 필요한, 단일 광자 감도와 적당한 프레임 속도를 위해 기여해 왔다.
최근 낮은 판독 노이즈(read noise) 및 더 높은 프레임 속도를 달성할 수 있는 과학적 CMOS(sCMOS) 카메라가 여러 응용 분야에서 CCD 카메라의 대안이 됐다.
그러나 sCMOS 디바이스의 첫 번째 세대는 전면 조명 구조(front-illuminated architecture)로 인해 양자 효율(각각의 픽셀에서 검출된 입사 광자의 비율)에 근본적인 제한이 있어서 민감도(sensitivity)가 많이 떨어진다. 최신 CMOS 제조기술에 힘입어 sCMOS 디바이스는 최종적으로 후방 조명 센서 아키텍처(back-illuminated sensor architecture)로 제작될 수 있다.
결과적으로 sCMOS 센서는 낮은 읽기 노이즈(low read noise)와 높은 프레임 속도를 손상하지 않으면서 CCD와 같은 양자 효율(>95%) 및 동적 범위를 제공할 수 있다. Princeton Instruments의 KURO™와 같은 차세대 sCMOS 카메라는 전조등(front illuminated)이 장착된 sCMOS 카메라에 비해 현저히 향상된 백라이트 센서 기술을 최대한 활용한다.
후방조명의 sCMOS 카메라 기술은 초분광 이미징(hyperspectral imaging), 천문학, 콜드-원자 이미징(cold-atom imaging), 양자 이미징(quantum imaging), 형광 분광기(fluorescence spectroscopy) 및 고속 분광기(high-speed spectroscopy)를 포함한 수많은 응용 분야의 광학 검출기로써 진지한 도전자다. 여기서는 새로운 기술의 현저한 특징과 성능 특성을 제시한다.
후면 조명 아키텍처
후면 조명 기술은 수년간 과학적 CCD 검출기에 사용됐다. 넓은 스펙트럼 영역(deep-UV to near-IR)에 대한 높은 감도로 인해, 극 초저광 애플리케이션(ultra-low-light application)에선 후방 조명 탐지기가 전방 조명 탐지기보다 더 많이 사용된다(예 : 천문학에서부터 라만 분광학 혹은 생물학적 이미징까지). 전면 조명과 후면 조명 센서의 차이점은 한 눈에 분명하다. 전면 조명 센서는 입사광의 대부분이 관찰자에게 반사되기 때문에 외관상 반사가 일어나고, 후면 조명 센서는 대부분의 입사광을 흡수하므로 눈에 어둡게 보인다(그림 1 참조).
KURO는 사용 가능하고 가장 민감한 CCD 감지기와 같은 후면 조명 센서 구조를 특징으로 한다. 후면 조명 기술로 이 새로운 sCMOS 카메라 시스템은 >95%의 양자 효율과 100%의 채움 요소(fill factor)를 제공한다(그림 2 참조).
전면 조명 sCMOS 센서는 각 픽셀 내부에 판독/변환 회로를 가지고 있기 때문에 각 픽셀의 일부만 빛에 민감하다. 이 부분을 픽셀의 ‘채우기 비율(fill factor)’이라고 한다. 대부분의 전면 조명 sCMOS 센서는, 픽셀의 감광 부분으로 들어오는 빛의 초점을 다시 맞추고 유효 채우기 비율을 증가시키기 위해 각 픽셀 위에 마이크로렌즈를 가지고 있다(그림 3 참조). 마이크로렌즈는 전면 조명 센서의 집광 효율을 향상시키는 데 도움 되지만 대부분의 sCMOS 카메라의 성능을 제한하는 특정 단점을 가지고 있다. (Note : ~ 80% 피크 양자 효율을 요구하는 전면 조명 sCMOS 센서와 달리, 후면 조명 sCMOS 센서는 마이크로렌즈를 사용하지 않는다.)
마이크로렌즈는 빛의 입사각이 센서 표면에 수직일 때만 가장 효율적이다(그림 4 참조). 대부분의 과학 이미징 및 분광학 응용 분야의 경우와 같이, 빛이 다른 각도로 센서에 들어가면 마이크로렌즈의 효능이 크게 저하된다.
특히 입사각이 넓을수록(현미경 관찰에서 높은 NA) 그렇다. 카메라나 센서 제조사의 문헌에서는 양자 효율 대 입사각 관계에서 저하는 초저광 성능이 요구될 때 우려할만한 현실적인 원인이라고 한다. 마이크로렌즈의 레이아웃이 다양한 CMOS 제조업체에 의해 향상됐지만, 광 응답의 각도 의존성은 특히 센서의 가장자리에서 비 균일성을 초래한다.
또한, 마이크로렌즈는 전형적으로 UV 범위(400nm 이하)에서 매우 열악하거나 전혀 전달하지 않는 플라스틱과 같은 재질로 만들어진다. 백라이트 처리된 sCMOS 센서의 아키텍처에서 마이크로렌즈가 부족해 UV 범위에서 탁월한 반응을 보인다.(그림 2 및 4 참조)
높은 프레임 속도 및 낮은 판독 소음
KURO와 같은 백라이트가 장착된 sCMOS 카메라는 최대 1200x1200 해상도에서 최대 82fps의 매우 높은 프레임 속도를 제공하며 1.3 e-rms(중앙값) 판독 노이즈가 매우 낮다. KURO 카메라는 해상도가 낮아서 초당 수백 프레임을 전송할 수 있다(표 1 참조).
sCMOS 센서는 일반적으로 온칩 비닝(binning)을 지원하지 않지만 프레임 획득 후 ‘비 칩(off-chip)’소프트웨어 비닝(binning)을 허용한다.
새로운 후면 조명 sCMOS 센서의 11μm2 픽셀 피치가 다른 sCMOS 센서보다 2.8배 많은 광자를 포착한다는 것은 주목할 만하다. 또한 각 픽셀은 80,000개의 전자가 들어있는 대형 풀을 처리할 수 있어 뛰어난 동적 범위(61,500 : 1 또는 95dB)를 제공한다.
고정 패턴 잡음 감소
KURO 후면 조명 카메라는 최적화된 전자 장치와 함께 최신 sCMOS 제작기술을 사용한다. 그 결과, 전방 조명된 sCMOS 카메라보다 훨씬 우수한 잡음 프로파일을 갖게 된다(그림 5 참조).
센서 비교
표 2는 전면 조명 sCMOS 및 최근 소개된 후면 조명 sCMOS 센서와 관련된 몇 가지 주요 사양과 성능 및 기능에 대한 요약을 제공한다.
판독 모드 : 롤링 및 글로벌 셔터
CMOS 센서의 주요 특징 중 하나는 롤링 전자셔터 모드가 가능하다는 것이다. 이는 동시에 모든 픽셀을 노출시킨다는 점에서 글로벌 셔터나 ‘스냅 샷’ 모드와는 다르다. 글로벌 셔터는 물체가 제 시간에 ‘고정’돼야 할 때 선호된다. 그러나 이 모드는 읽기 노이즈를 롤링 셔터 모드에 비해 1.5~2배 증가시키지만 프레임 속도는 2배 감소시킨다.
어떤 센서 기술 ? : CCD, EMCCD, ICCD 또는 후면 조명 sCMOS?
과학자와 엔지니어는 자신의 애플리케이션에 가장 적합한 센서 기술을 신중하게 고려해야 한다. 확장된 집적시간(초에서 수 시간)이 필요한 이미징 또는 분광 응용 분야의 경우 여전히 CCD와 EMCCD 카메라가 선호된다. 온칩 비닝(binning)을 필요로 하는 분광학 응용 분야에서도 마찬가지이다. 한편, 초고속 게이팅(gating)이 요구되는 시간 분해형 애플리케이션(time-resolved applications)의 경우 강화된 카메라(ICCD 또는 emICCD)가 최선의 선택이다.
후면 조명 sCMOS 카메라는 상대적으로 짧은 통합시간(10초 미만)으로, 다른 모든 애플리케이션에 필요한 감도 및 프레임 속도를 제공한다. 표 3은 이러한 센서 기술의 몇 가지 핵심 기능을 요약하며 다양한 애플리케이션에 대한 일반적인 권장 사항을 제공한다.
카메라 생태계
백라이트가 적용된 sCMOS 기술의 장점은 새로운 센서 유형의 고유한 이점을 최대한 활용할 수 있다는 점이다. Princeton Instruments LightField® 소프트웨어 생태계 내에서 작동하도록 설계된 KURO는 제어가 쉽고 무수한 이미징 및 분광학 실험에 신속하게 통합될 수 있다. MathWorks의 MATLAB® 및 내쇼날인스트루먼트의 LabVIEW®와의 카메라 통합도 빠르고 간단하다. 전체 입출력 TTL 신호 세트가 제공돼 카메라 작동을 외부 이벤트 또는 광원과 쉽게 동기화할 수 있다.
자료 제공: Princeton Instruments(www.princetoninstruments.com)
