저소음, 고속 판독 기능이 탁월한 적외선 카메라 - C-RED 2
First Light
개요
적외선 파면 센서(infrared wavefront sensor)는 이제 MCAO 시스템에서 기준(또는 truth sensors)으로 구현된다. 최초의 상업용 320x256 3500fps e-APD sub-e 노이즈 적외선 카메라인 C-RED One을 성공적으로 개발한 다음, First Light Imaging은 노이즈와 어둡기와 판독 성능 측면에서 전례 없는 성능을 갖춘 C-RED 2 InGaAs 640x512 고속 카메라를 개발했다. 속도는 Sofradir의 SNAKE SWIR 검출기를 바탕으로 한다. 여기에서는 600fps의 C-RED 2 특성과 성능에 대해 설명한다.
1. 소개
HgCdTe 적외선 기반 카메라의 작은 영역(예 : 4x4 픽셀)의 다중 판독에 기초한 근적외선(NIR) 팁-틸트 센서(tip-tilt sensor)는 과거에 여러 저자가 발표했다. 이 애플리케이션은 적외선 가이드 시작 위치를 찾기 위해 먼저 전체 이미지를 사용하고, 그 다음 창 모드에서 감지기를 사용해 빠른 팁-틸트 모드를 감지한다.
적외선 파면 센서는 이제 MCAO 시스템에서 기준(또는 truth sensors)으로 구현된다. ELT-MAORY 장비의 경우, LOR(Low Order and Reference) 모듈은 MCAO 모드에서 MAORY가 필요로 하는 내추럴 가이드 스타 웨이브프런트(Natural Guide Star Wavefront) 감지 기능을 구현한다.
NGS 3개의 방향으로 수차를 감지하기 위해 동일한 LOR WFS 장치 3개로 구성된다. 500Hz에서 다섯 가지 모드를 측정하려면 Low-Order WFS가 필요하다. 이 시스템에서는 H 대역에서 작동하는 2x2 서브 애퍼처(sub apertures)의 Shack-Hartmann 센서가 가장 적합하다는 것을 알 수 있다. MCAO에 대한 모든 설계 연구는 MCAO 시스템의 LGS 파면 센서를 보완하는 고속 저소음 적외선 카메라의 관심이 증가하는 것을 분명히 보여준다.
유일한 상업용 320x256 3500fps e-APD sub-e 노이즈 적외선 카메라인 C-RED One을 성공적으로 개발한 다음, First Light Imaging은 Sofradir의 SNAKE SWIR 검출기 기초로 노이즈, 어둡기, 판독 속도 측면에서 전례 없는 뛰어난 성능과 함께 InGaAs 640x512의 고속 카메라를 개발했다. 카메라는 C-RED 2로 불렸다. C-RED 2의 특성과 성능은 여기에 자세히 나와 있다.
C-RED 2는 첨단 전자 제품, 소프트웨어, 혁신적인 기술 덕분에 20~30 전자의 판독 노이즈로 초당 600개의 이미지를 뛰어 넘는 성능을 발휘한다. 이를 달성하기 위해 C-RED 2는 640x512 InGaAs PIN 포토다이오드 검출기를 15μm 픽셀 피치에 통합해 10µs 미만의 적분 펄스를 갖는 전자 셔터를 내장한다. 또한 C-RED 2는 윈도잉(windowing)과 ROI(multiple region of interest)가 가능해 매우 낮은 노이즈를 유지하면서 이미지 속도를 높일 수 있다.
C-RED 2는 이러한 특성과 수준의 성능을 제공하는 유일한 InGaAs 기존 카메라로서, NGS 적외선 파면 감지와 같은 과학적 응용에 사용할 수 있다.
C-RED2 소프트웨어는 실시간 애플리케이션을 지원하며 카메라에서 활용할 수 있는 데이터 인터페이스 두 가지는 CameraLink full와 superspeed USB3이다. C-RED 2는 냉각을 관리할 때 사람의 도움이 없어도 된다. 카메라 펌웨어는 인터넷에 카메라를 연결하기만 하면 원격으로 업데이트할 수 있다. 카메라는 매우 낮은 조명 조건과 원격 위치에서 작동할 수 있다. 카메라 냉각은 자율적이며 액체 냉각이 필요하지 않아 망원경에서 매우 쉽게 구현할 수 있다. C-RED 2는 하이 엔드 SWIR 애플리케이션을 위해 고안됐으며, 0.9~1.7μm까지 작동하고 70보다 큰 양자 효율을 제공한다. 카메라의 많은 픽셀과 라인 피팅 비파괴 판독 모드(line fitting non-destructive readout mode)의 구현은, 앞서 설명한 AO 모드 2개를 사용할 수 있도록 허용한다.
처음엔 400fps의 풀 프레임으로 작동하도록 설계된 카메라는 이제 640x512 풀 프레임 CDS 모드 판독을 위해 600fps에 도달했다. 비파괴 판독 모드를 사용하면 판독 노이즈를 20e까지 줄일 수 있으며 윈도잉 기능을 통해 필요에 따라 초고속 프레임 속도를 사용할 수 있다.
C-RED2의 640x512 픽셀 크기를 잠재적으로 사용해 전체 NGS 프라톨 필드(pratol field)를 동시에 감지하고 NGS 암의 이동을 피할할 수 있다. 이 옵션은 적외선 NGS 사이의 차동 굴곡을 줄여서 낮은 차수의 WFS 시스템의 기계적 안정성을 높인다.
카메라 소개
C-RED 2는 Sofradir의 SNAKE 검출기를 바탕으로 한 단파 InfraRed 이미징을 위해 설계된 고성능·저소음 카메라이다. C-RED 2는 첨단 SWIR 애플리케이션과 스마트와 소형(그림 1 참조)을 위해 설계됐으며, 0.9~1.7μm 에서 작동하고 70% 이상의 매우 우수한 양자 효율을 제공하므로 산업 또는 과학 애플리케이션에 새로운 기회를 제공한다.
그림 2와 그림 3은 C-RED2의 암전류(dark current) 측정을 보여준다. 평균 암전류에 7.5°C마다 2의 인자를 곱한다. 또한 -40°C의 작동 온도에서 290e/s (0.05fA)의 평균 암전류를 나타낸다. 290e/s는 이미지에서 온 모든 픽셀에 대한 어둠의 단순한 평균이며, 더 깊은 냉각은 어두운 억제의 개선을 보여주지 않는다. 이것은 사실 초과될 수 없는 암전류 한계치를 설정하는 따뜻한 검출기 창의 뒷배경 때문이다.
그림 4는 CDS 모드(상관 이중 샘플링, Correlated Double Sampling)에서 C-RED 2 카메라의 총 노이즈(판독 노이즈 + 어두움)를 프레임 속도의 함수로 보여준다. 600eps의 풀 프레임 판독 속도에서 총 30e의 소음이 발생한다. SWIR InGaAs 카메라용 C-RED 2의 경쟁사는 이러한 유형의 성능을 결합해 속도와 노이즈를 결합한 적이 없다. 프레임 속도가 증가하면 전체 노이즈와 암호도 감소한다.
그림 5는 온도에 따른 판독 소음 변화를 보여주며 판독 소음이 온도에 따라 감소함을 보여준다. -40°C 이하로 온도를 낮추는 것은 판독 소음을 줄이는 데 유용하지 않다.
비파괴 판독 모드(NDR, non destructive readout mode)
비파괴 판독값을 수행해 카메라의 판독 소음을 줄일 수 있다. 각 픽셀의 강도는 선형 피팅(linear fitting) 또는 파울러 샘플링(Fowler sampling)에 의해 계산된다. 영향은 선택한 이미지에 대한 계산을 수행하기 위한 프레임 속도 감소이다. IR 검출기를 이용한 상향식 방법(Sampling-up-the-ramp 또는 line fitting)는 1991년 Fowler와 Gatley가 처음 소개했다. 저자들은 신호의 다중 판독에 의한 적외선 검출기의 잡음 감소를 발표했다. 당시 저자들은 라인 장착 방법에 대해 N의 제곱근만큼 판독 노이즈의 개선을 보고했다. 여기서 N은 다중 판독값의 수이다. 실제 노이즈 방정식(noise equations)은 우주 망원경 과학 연구소(Space Telescope Science Institute)에서 2007년 M. Roberto에 의해 상세히 연구됐다.
이 보고서에서 Roberto는 2가지 유형의 램프 신호 샘플링을 구분했다. ‘램프까지’ 샘플링은 카메라의 프레임 주파수에서 샘플링된 신호 램프의 선형 적합성이다. 집적 신호는 램프의 기울기에 판독 횟수 N을 곱한 값으로 표시된다. 램프를 샘플링하는 두 번째 방법은 파울러 샘플링을 사용하는 것이다. 파울러 판독은 처음과 마지막 신호를 여러 번 읽교 결과를 평균화함으로써 이뤄다. 저자는 파
울러 샘플링의 판독 노이즈 감소량이 N의 제곱근인 반면, 라인 장착 샘플링의 경우 노이즈 감소는 덜 유리하고 
와 같다는 것을 입증했다.
더욱 정확하게, 상향식 방법(또는 라인 피팅)은 판독 노이즈는 
σronN
만약 σronN가 N개의 판독값의 라인 피팅 이후의 판독 노이즈인 경우, σronN은 단일 판독의 판독 잡음이다. N> 7일 때, 이 등식은 라인 맞춤 방법이 CDS 판독값보다 적은 노이즈라는 것을 보여준다.
노이즈가 Poisson에 제한될 때, 저자는 노이즈가 다음과 같이 주어질 수 있음을 보여준다.
여기서, F는 N 판독값 이후의 통합 시간에서 배경 플럭스 혹은 Tint(N)이다. 앞의 두 방정식의 합을 제곱하면 모든 경우에서 이론적 노이즈를 추정할 수 있다.
N이 높을수록 판독 노이즈는 낮지만, 포아송(Poisson) 제한 노이즈는 집적 시간에 따라 증가하며, 라인 장착 방법에 대한 전체 노이즈는 단일 판독 노이즈와 어두운 플럭스에 따라 최적인 N을 나타낸다.
그림 7은 비파괴 판독에 대한 판독 잡음을 600fps 판독값에서 CDS 전체 프레임과 비교한다. 수치는 이러한 조건에서 비파괴가 CDS 판독값보다 잡음이 더 적은 수치로 나타난다. 이론 치에 매우 근접한 6보다 높다. 이 그림에 표시된 이론적인 곡선은 우리가 측정한 것에 비해 잡음이 적음을 보여 주며, 이 단순한 모델에 약간의 추가 잡음이 있음을 보여준다.
윈도잉 판독 모드를 사용할 때, 프레임 판독값이 더 높고 어두운 잡음은 더 낮다. 이는 그림 7에 명확히 나와 있다. 320x256 픽셀의 창에서는, 1779/40=44fps의 같은 프레임 속도에 대해 N=40 판독값을 사용해 18e의 판독 소음을 얻을 수 있다.
주목해야 할 점은 라인 장착의 계산이 카메라 FPGA를 사용해 내부적으로 수행된다는 것이다. 따라서 NDR 모드를 사용하는 것은 라인 장착으로 얻은 통합 신호에 직접 접근하는 사용자에게 투명하다. 이는 또한 시간 판독 잡음을 단순한 CDS 판독값인 것처럼 계산할 수 있게 한다.
600fps의 전체 화면 모드에서의 윈도잉 모드와 프레임 속도 CDS 판독값
표 2는 전체 프레임 판독값이 602fps일 때 윈도잉 모드에서 C-RED 프레임 속도를 보여준다. 4x32 픽셀 창에 대해 32066fps의 높은 프레임 속도를 얻을 수 있다.
3. 결론
C-RED 2는 Sofradir의 SNAKE SWIR 감지기를 바탕으로 노이즈, 어둡기, 판독 속도 측면에서 전례 없는 성능을 갖춘 InGaAs 640x512 고속 카메라이다. CDS 모드에서 600FPS 판독 속도에서 30e의 총 노이즈 (판독 + 어두운 노이즈)가 발생했다. -40°C에서 냉각된 C-RED 2 카메라는 ~ 300 e/s (0.05fA)의 암전류를 얻을 수 있다. 15fps (40개의 판독값)에서 전체 프레임의 비파괴 판독에서 20e의 잡음이 발생한다. 비파괴 판독값이 44fps(40 판독값)인 320x256 창에서 18e의 노이즈가 발생한다.
비파괴 판독의 사용은 카메라에 내장됐으며 사용자에게 투명할 뿐 아니라 평면/편향 이미지 보정 기능을 제공한다.
C-RED 2의 600fps 버전은 현재 First Light Imaging에서 상용화됐다. 400fps 버전의 C-RED 2를 600fps 버전으로 업그레이드하는 것은 원격으로 수행할 수 있다.
자료 제공 : First Light(www.firstlight.com)
