극저온 냉각 카메라 플랫폼을 제공하는 PentaVac™ 진공 기술
Raptor Photonics
과학 CCD 애플리케이션
CCD 이미징 센서는 하이엔드 이미징(high-end imaging) 애플리케이션에서 광범위하게 사용돼 높은 (공간)해상도와 높은 감도를 가진 정량적 이미지를 얻을 수 있다.
하이 컨텐트 스크리닝(high content screening), 게놈 시퀀싱(genome sequencing), FRET / FRAP / TIRF 따위의 애플리케이션은 가장 높은 성능의 이미징 장치를 이용한다. 멀티 메가 픽셀 센서는 최대 양자 효율(QE, quantum efficiency)이 100%에 근접하고, 전자 2개의 판독 노이즈 플로어(noise floor, 노이즈 층)가 있어 사용자에게 rms 이하로 극도로 민감한 이미징 장치를 제공한다.
그러나 생체 발광, 천문학, 형광 현미경을 포함해서 광자가 부족한 일부 응용 제품이 있다. 이 애플리케이션은 검출할 수 있는 신호를 얻기 위해 고도로 민감한 장치조차도 긴 통합 (노출)시간과 많은 양의 비닝(온칩 전하 합계) 모두를 사용해야 한다. 이러한 유형의 애플리케이션에서 암신호와 관련된 노이즈 성분을 줄이기 위해 CCD 센서를 심층 냉각해야 한다.
PentaVac™ 기술이란?
Raptor Photonics가 수년간의 과학 카메라 설계 경험과 전문 기술을 바탕으로, 까다로운 과학 응용 분야에 적합한 견고하고 콤팩트한 높은 성능의 심층 냉각 카메라(deep cooled camera) 플랫폼을 제공한다. PentaVac™의 구성은 다음과 같다.
1) 진정한 밀폐형, 소형, 견고한 센서 인클로저(enclosure) - '준 밀폐형', 에폭시 밀폐 인클로저와 관련된 누설 경로와 취약성이 없다.
2) 평생 진공 보증 - 신중한 재료 선택, 광범위한 청소와 재료 처리, 가스 배출과 가상 누설을 최소화해서 가능하다.
3) 게터링(Gettering) - 가혹한 작동과 보관 조건에서도 센서 주변의 진공 환경을 카메라 수명 동안 보존하는 다단계 게터링(multistage gettering).
4)고성능 다단계 열전 냉각기(TEC, ThermoElectric Cooler) - 다양한 센서 형식(110°C를 초과하는 온도차를 달성)을 높은 신뢰성과 유지보수가 필요 없는 작동으로 심층 냉각 가능.
5)TEC와 냉각 매체 사이의 열 저항이 낮음 - 센서 인클로저와 카메라 부품의 열 설계로 TEC에 제공되는 열 부하와 TEC 열원과 냉각 매체 사이의 온도 낮아지는 것을 최소화한다. 이렇게 하면 카메라 시스템의 전력 요구를 최소화하면서 냉각 성능을 극대화할 수 있다.
PentaVac™ 기술은 특정 응용 분야 요구 사항에 맞게 조정할 수 있는, 다양한 TEC와 냉각 방식과 함께 여러 센서 유형과 형식에 사용할 수 있다.
CCD 센서를 냉각하는 이유
이에 대한 분명한 답은 카메라/이미징 시스템에서 생성된 이미지의 품질을 향상시키는 것이다.
그림 1에서 두 이미지를 비교해 보면 CCD 센서를 냉각함으로써 발생하는 이미지 품질 향상을 확인할 수 있다. 두 가지 주요 효과가 감소함에 따라, 이미지 품질이 다음과 같이 관찰할 수 있도록 개선됐다.
1) 개별 픽셀당 다크 시그널
2) 센서 어레이 안에 있는 고온 픽셀(결함)의 영향
냉각 효과가 CCD 이미지에 미치는 영향
다크 시그널 (Dark Signal)
다트 시그널은 제로 광자가 없는 센서에서 발생되는 신호다. 전자를 원자가밴드(valence band)에서 전도 밴드로 열적으로 여기(excitation)하면 CCD 센서에 저장된 픽셀 안에 전하가 생성된다. 이러한 열 발생 전자는 센서 내 광자를 흡수함으로써 생성되는 광전자와 구별할 수 없다. 따라서 장치의 각 픽셀에서 나오는 출력물에는, 실제로 열 감지 또는 측정하려는 광자 때문에 생성된 전자와 더불어 열적 여기로 생성된 전자가 포함된다.
다트 시그널 생성 속도는 보통 초당 픽셀당 전자 단위(즉, 단위 시간당 단위 면적당 전하)로, 센서의 영역에 걸쳐 평균화된 암전류로 설명하는 것이 일반적이다. 이를 통해 사용자는 특정 획득 조건(노출 시간, CCD 온도, 비닝 구성)에 대해 다크 시그널이 얼마나 중요한지 추정할 수 있다. 하이엔드 CCD 센서 제조업체는 이미 픽셀 디자인에 상당한 시간과 노력을 투자해서 장치의 암전류를 낮췄다.
여기에는 MPP 모드(Multi Pinned Phase mode)를 작동할 수 있도록 CCD의 공핍층(depletion layer) 안에 도펀트(dopants)를 삽입하는 게 포함될 수 있으며, 이를 IMO(Inverted Mode Operation)라고도 한다. 이러한 기기를 적절히 바이어싱(biasing)하면 암전류를 최대 2배까지 줄일 수 있지만, 많은 애플리케이션에서도 암전류를 추가로 감소시켜야 한다. 이는 일반적으로 센서를 냉각함으로써 달성된다.
핫 픽셀 (Hot Pixels)
장치 안에 있는 고온 픽셀은 기본적으로 장치의 평균 암전류보다 훨씬 높은 암전류를 갖는 픽셀이다. 그림 1의 왼쪽 이미지와 단면도에서 볼 수 있듯이 이미지 안에서 밝은 얼룩/스파이크로 나타난다. CCD 센서를 깊이 냉각하면 영향을 무시할 수 있는 수준으로 줄여서 '깨끗한 이미지'를 만든다. 오랜 시간 노출하면 유효한 데이터를 생성할 수 있는 센서 어레이의 비율을 증가시킬 수 있다.
어두운 이미지를 두 개의 서로 다른 센서 온도에 대한 비교하면(그림 2 참조) CCD 센서 냉각의 이점을 알 수 있다.
제조 과정에서 센서를 처리해 발생하는 암전류 불균일 때문에 +30°C에서 촬영한 이미지는 많은 수의 핫 픽셀과 잘 정의된 구조를 나타낸다. 똑같은 센서를 사용해 같은 이미지를 얻었지만 -90°C로 냉각하면 백색 노이즈만 있는 매우 평평하고 특징 없는 이미지가 생성된다.
이는 그림 3과 같이 각 이미지의 중심을 가로지르는 횡단면을 비교함으로써 더욱 뚜렷하게 알 수 있다(그래프 위쪽 부분의 눈금은 아래쪽 눈금보다 2배 더 크다).
그림 4의 어두운 이미지의 히스토그램을 그려보면 더 많은 양적 측정을 할 수 있다.
+30°C에서 얻은 이미지의 분포는 상대적으로 높은 디지털 숫자(DN)에 위치하며, 더 높은 DN에 대해 명확하게 정의된 꼬리를 갖는다. 어둠 속에서도 이미 채도가 있거나 그 근처에 상당한 수의 픽셀이 있다. 대조적으로 -90°C에서 얻은 이미지의 분포는 극소수의 특이치로 낮은 디지털 수를 중심으로 단단히 그룹화된 정규 분포를 보여준다.
잔여 이미지 (Residual Image)
모든 CCD 센서는 제조에 사용되는 실리콘 웨이퍼 안에 결함과 불완전함을 포함한다. 이런 결함은 일시적으로 어느 정도의 충전(광 생성 전하를 포함)을 유지할 수 있으며 온도에 따라 방출 속도가 달라진다. CCD 온도가 더 낮을 때 단위 시간당 방출되는 갇힌 충전량은 따뜻한 온도보다 적다.
많은 표준 획득 조건에서 전하의 캡처와 방출은 획득된 이미지에 해로운 영향을 거의 또는 전혀 미치지 않는다. 한 가지 예외는 훨씬 약한 신호를 감지하기 위해 ‘밝은’ 이미지 획득을 수반하는 애플리케이션에서 발생하며, 즉시 높은 비닝이 있는 길고 어두운 이미지를 획득한다. 밝은 이미지는 많은 수의 결함 사이트를 충전으로 채울 수 있다. 이후 긴 노출 동안 이러한 잔류 전하가 방출되며, 그 중 일부는 CCD 픽셀의 포텐셜 웰(potential wells) 안에 수집된다. 수집된 잔류 전하가 노이즈 플로어 위에서 구별할 수 있을 정도로 충분히 클 때 '고스트(ghost)' 이미지가 관찰된다.
비닝을 쓰면 비닝된 픽셀 안의 잔류 전하를 합해 노이즈 플로어보다 더 많이 식별할 수 있다. 위에서 언급했듯이 CCD를 -90℃까지 냉각하면 결함이 있는 부위에 전하를 ‘고정’한다. 그러므로 그림 5와 같은 조건에서, 주어진 방출 시간 동안 방출된(또한 픽셀에 수집된) 전하량이 온열 센서 온도에서 획득한 이미지와 비교할 때 감소되는 것으로 보인다.
이 실험 동안 최대 신호 레벨이 픽셀 전체 웰 용량과 거의 동일하게 지정된 CCD 온도에서 단일 이미지가 수집됐다. 그런 다음 카메라 안에 있는 셔터를 300초 노출 동안 닫힌 상태로 유지했다. 4×4 비닝 영상은 75 kHz의 픽셀 속도로 판독됐다. Raptor Photonics의 이름과 로고는 -60°C에서 촬영한 이미지에서 분명하게 보인다. 반면 CCD 온도가 -90°C일 때 고스트 이미지는 노이즈 플로어 위에서 거의 보이지 않는다. 이를 통해 CCD 센서를 -90°C까지 냉각함으로써 잔상 신호가 감소했음을 알 수 있다.
요약하면 CCD 센서를 저온으로 냉각할 때의 주요 이점은 다음과 같다.
1) 다크 시그널(특히 이와 관련된 샷 노이즈 성분)을 최소화해 노이즈 플로어를 낮추면 센서 광자 감도를 극대화할 수 있다. 즉, 약한 신호는 (낮은) 노이즈 플로어에서 식별할 수 있다.
2) 어레이 안에서 더 많은 픽셀을 사용해 정량적 데이터(예 : 어둠 속에서 포화되지 않음)를 제공할 수 있도록 하는 핫 픽셀 감소
3) 다이내믹 레인지가 향상되면 잡음 플로어가 줄어들 뿐만 아니라 더 많은 픽셀 전체 범위를 사용해 ‘원치 않는’ 다크 시그널과 반대로 ‘사용할 수 있는’ 시그널을 감지할 수 있다. 그림 4와 같이 분포의 폭은 줄어들 뿐만 아니라(전체 노이즈의 감소와 일치) 피크 위치가 더 낮은 DN으로 이동하므로(다크 시그널 감소로 인해) 더 많은 디지털화 범위가 가능하다. 이는 광자 / ‘실제’ 시그널 탐지에 사용된다.
4) 트랩 사이트에서 잔류 전하가 오랜 기간 유지될 때 잔여 이미지가 감소한다. 특정 노출 기간 동안 전하가 덜 방출되므로 그림 5와 같이 최종 이미지에 나타나는 잔여 전하량이 감소한다.
노이즈 플로어의 추정과 최소화
특정 포착 조건에서 CCD 센서로부터 판독된 신호의 총 노이즈와 전자의 Ntot는 다음과 같다.
여기서 nps는 광자 샷 노이즈, nds는 암신호 샷 노이즈, nrn은 카메라 시스템의 총 판독 노이즈이다(모두 전자 단위). 센서에 떨어지는 광자가 없으면 노이즈 층 NFLOOR는 다음과 같이 표시된다.
(nds)2는 실제로 다크 시그널인 DS이기 때문에 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.
Id는 평균 암전류(전자/pix/초 단위), t는 노출 또는 적분 시간(초 단위)이며, Xbin과 Ybin은 각각 X와 Y 방향(픽셀 단위)에 적용된 비닝의 양이다. nrn은 Xbin과 Ybin이 증가함에 따라 함께 증가할 수 있다.
따라서 가장 낮은 노이즈 플로어를 확보하려면 다크 시그널과 판독 노이즈 구성 요소를 최소화해야 한다.
리드 노이즈 (Read Noise)
판독 잡음 nrn은 CCD의 온-칩 출력 증폭기의 성능, 카메라 판독 회로의 설계와 구현, 판독 속도(즉, 픽셀 데이터가 주파수 센서에서 클록킹되는 빈도)와 온칩 비닝 적용량에 따라 달라진다(특히 카메라 하드웨어와 펌웨어에 의한 비닝의 실제 구현은 잘못 혹은 불충실하게 수행될 경우, 적용된 비닝을 사용한 신호 대 노이즈 비율은 예상 증가량을 나타내지 못할 것이다).
다크 시그널 (Dark Signal)
다크 시그널은 여러 요소 그중에서도, CCD 센서 자체의 온도에 따라 달라진다. 일반적으로 특정 장치의 암전류는 냉각(5~7°C)마다 2배씩 감소한다. 그러나 다음과 같이 고려해야 할 많은 요소가 있다.
1) 픽셀 크기 - 일반적으로 큰 영역 픽셀은 똑같은 온도에서 작은 영역 픽셀에 견주어 단위 시간당 더 많은 다크 시그널을 생성한다.
2) CCD 형식 - 예 : 전면 또는 후면 조명 장치, MPP 또는 비(non) MPP.
3) 센서 제조업체 - 칩 설계, 기본 재료와 제조 공정을 포함한다.
4) 노출 시간 - 다크 시그널이 픽셀 안에 축적되는 기간을 정의한다.
5) 온-칩 비닝을 적용하면 비닝된 픽셀 안에서 다크 시그널이 합산된다.
CCD 센서는 어떻게 냉각되는가?
센서에 적용되는 냉각량은 분명히 특정 애플리케이션에 크게 좌우된다. 높은 프레임 속도는 대개 냉각을 덜 요구한다(판독 전 또는 도중에 다크 시그널이 축적되는 시간이 거의 없기 때문에). 반면에 느린 판독 속도와 높은 수준의 비닝이 필요한 장시간 노출은 최대 냉각량을 필요로 한다. 일반적으로 고성능 이미징 카메라에 구현되는 4가지 냉각 범주가 있다.
1) 냉각되지 않음
이 센서는 특별히 설계된 수동/능동 냉각 장치 없이 작동 중에 자체 평형 온도를 달성한다. 이 유형의 많은 카메라는 단순한 보드 레벨 카메라일 뿐이며, 이 카메라는 센서를 주변 조건에서 격리할 필요가 없다.
2) 국부적으로 주변 온도(또는 근처)에서 열적으로 안정된다.
이미징 어레이는 수동 냉각(공기/액체만 사용)하거나 능동적으로 냉각(TEC 사용)해 지역 환경의 센서 온도 또는 그 근처에 일정한 센서 온도를 제공할 수 있다. 센서를 다시 한 번 보호 하우징 안에 둘 필요가 없을 수도 있다.
3) 적당히 냉각 (보통 +10°C ~ -60°C 범위에서)
이 냉각 범위는 일반적으로 센서가 보호 환경(건조한 가스 또는 진공)에 밀폐돼 있어야 한다. 센서 표면에 응결/얼음이 형성되지 않도록 센서 인클로저의 이슬점을 충분히 낮춰야 한다. 대개 센서 인클로저 내부의 습기를 제거하기 위해 건조제/게터를 사용함으로써 달성된다. 센서는 보통 TEC에 의해 냉각되며, 대부분의 경우 1단계 또는 2단계 TEC로 이 성능 수준에 충분하다.
4) 심층 냉각 (대개 -60°C ~ -110°C 범위의 온도)
대체로 센서 주변에 있는 진공 환경을 생성하고 유지 보수해야 한다. 이 심층 냉각은 액체 질소(LN2) 냉각, 압축가스 또는 고성능 다단계 TEC(일반적으로 3단계 이상)를 사용해 달성할 수 있다. TEC는 가장 작고 사용자 친화적인 옵션을 제공하며 이는 Raptor Photonics PentaVac™ 기술에서 구현된 옵션이다.
이 경우 진공상태는 TEC에 적용되는 열부하를 줄이는 것뿐만 아니라, 얼음 형성으로 인한 손상으로부터 센서를 보호하는 이중 목적을 갖는다. 진공 인클로저에서 사용되는 내부 부품과 재료 선택은, TEC에 제공되는 열 부하를 최소화함으로써 달성된 센서 냉각을 극대화하는 핵심 역할을 한다. PentaVac™ 시스템에서 구현된 설계는 110°C를 초과하는 온도 차이를 보여줬다. 이러한 저온에서는 Mpp장치의 백 라이트 조명에 있는 상대적으로 큰 픽셀(13 µm)에서도 시간당 픽셀당 전자 분수의 암전류가 입증됐다.
자료 제공 : Raptor Photonics(www.raptorphotonics.com)
