CMOS TDI, 까다로운 이미지 구현을 위한 문제 해결 방안
Teledynedalsa
TDI(Time Delay and Integration)는 항상 고급, 저조도와 고성능 애플리케이션에 주로 적용되어 왔다. 기술이 CCD에서 CMOS 이미징으로 전환되면서, TDI는 하나의 까다로운 이미지 문제를 해결하는 방법으로 발전됐다. 불과 몇 년 전에는 불가능했던 문제를 이제는 해결할 수 있다.
시간 지연(Time Delay)과 통합 이미저
불과 4년 전만해도 CMOS 센서는 TDI 이미징을 위한 준비가 되지 않았다. TDI는 저조도에서 빠르게 움직이는 물체를 이미징할 때 신호 대 잡음비(SNR)를 증가시키는데 사용되며, 라인 스캔 이미징에서 TDI는 수백 라인을 캡처한다. 각 라인은 객체가 통과함에 따라 객체의 스냅 샷을 연속적으로 캡처하고 여러 이미지를 축적하여 어둡거나 이미징이 어려운 객체의 노이즈 이미지를 매우 낮게 만들 수 있다. 결과적으로 TDI는 웹 검사에서 위성 기반 이미징에 이르기까지 모든 분야에서 사용된다(특히, 고속 그리고 조명이 약한 곳). 후면 조명과 같은 CMOS 센서 설계 혁신과 결합된 정교한 CMOS TDI 카메라는 우주 애플리케이션 분야에 새로운 가능성을 제공한다.
CMOS TDI 이미징의 초기
CCD에서의 픽셀 전반을 통한 신호 합산 수행(signal summing operation)에서는 잡음이 없지만, CMOS의 경우는 그렇지 않다. 전자는 신호를 결합하고 후자는 전압 신호를 결합한다. 이로 인해 처음에는 잡음이 많은 CMOS TDI 이미징으로 이어졌다. 라인 수에 따라 노이즈가 증가하고 표준 CCD 솔루션보다 훨씬 많은 노이즈가 발생하기 때문에 가장 정교한 CMOS 센서를 사용하더라도 마찬가지였다. 그러나 몇 가지 새로운 기술이 도입되면서 달라졌다.
High end의 재구성
CMOS는 크기, 전력, 통합 용이성, 프레임 속도 및 제조비용 측면에서 지속적으로 선두에 있지만 CCD는 노이즈 및 효율성 면에서 여전히 기준이 되었다. 이 난제는 Sony가 CCD 센서의 대량 생산을 종료할 계획을 발표한 2015년에 새로운 심각성을 낳게 했다. CCD의 인기는 떨어지고 있었다.
Stemmer Imaging은 Sony 뉴스에 대해 언급하면서 2010-2014년의 CMOS 센서 판매율이 CCD에 비해 비해 거의 3배가 되었으며 계속 증가할 것으로 예상했다. 같은 해 몇 회사가 CMOS 기반 TDI 카메라에 대해 처음으로 진지한 발표를 했다. 수년간의 개발 끝에 Teledyne Dalsa는 16k, 12단계, 125kHz TDI 카메라로 제공되는 Piranha XL을 소개했다.
CMOS로는 불가능했던 성능과 낮은 노이즈를 동등한 고성능 프레임 그래버와 함께 사용할 경우, Piranha XL은 ‘디지털 합산(digital summing)’으로 인해 더 여러 TDI 스테이지에서도 강한 신호와 보다 적은 노이즈를 스테이지 수의 제곱근만큼 달성할 수 있었다. 고속 CCD 이미저에는 많은 병렬 고속 출력 채널이 있지만 각 픽셀에는 자체 앰프가 없으므로 CMOS 앰프에 비해 CCD 앰프의 상대 대역폭이 높아 이미지 내에 노이즈가 더 높다. 결과적으로 고속 CMOS 이미저는 고속 CCD보다 노이즈가 훨씬 낮도록 설계될 수 있다.
하이브리드 ‘CCD-in-CMOS 센서’
최근에는 회사와 개인들이 CMOS 도메인 프로세스를 수정하여 charge-domain TDI 장치를 구축하는 방법에 중점을 두고 있다. IMEC, ViewWorks, e2v 등의 회사는 CMOS 프로세스에 충전 도메인 TDI 픽셀을 통합함으로써 두 세계의 최고를 결합한 센서 기술을 개발하고 있다. 다른 접근법은 CMOS 센서 내에서 CCD의 저 노이즈 아키텍처(the low-noise architecture of CCD)를 모방하는 것이었다.
CCD와 유사한 픽셀은 노이즈 없이 전하를 합산 할 수 있지만 여전히 CMOS 프로세스에서 생성된다. 이 독특한 접근 방식은, CCD 기술의 노이즈가 없는 수집 및 charge domain 전송 그리고 저전력 및 빠른 판독을 포함하는 시스템 통합 가능성이라는 두 측면에서 세계 최고를 허락했다. 열당(per column) 픽셀을 읽고 데이터를 하나의 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 다중화하는 기존의 이미저와 달리, 새 이미저는 열당 하나의 ADC를 사용하며 서로 다른 열을 병렬로 읽는다.
CMOS는 또한 열당 전용 출력 증폭기를 허용하여 더 적은 전하 전송과 더 높은 라인 속도를 가능하게 한다. 또한, CMOS 프로세스는 전체 시스템 설계를 단순화할 수 있는 더 낮은 전력 소비, 더 작은 픽셀 그리고 추가 온칩 기능(extra on-chip functionality)을 허용한다. ‘charge-domain CMOS TDI’ 라고 하는 이 방법은 개발, 미세 조정 및 완벽을 위해 상당한 투자가 필요하다. 휴대 전화와 소비자용 카메라에는 TDI나 요금 합산이 필요하지 않으므로 이 접근 방식에 대한 기술 투자 비용이 전혀 없다.
최고 성능의 애플리케이션을 위해서는 투자 가치가 있다. charge-domain CMOS TDI를 사용하는 Teledyne DALSA의 Linea HS 카메라는 비슷한 감도로 CCD TDI의 3배 라인 속도를 제공한다. 이 스위치는 또한 CMOS의 다른 고유 장점을 활용하고 있다. CMOS 제조 기술을 사용하면 개별 행을 단일 다이에 위치시키고 CMOS 칩 아키텍처로 인해 훨씬 더 가깝게 배치할 수 있어 몇 가지 이점이 있다. 센서 행이 가까울수록 멀티 라인 CMOS 라인 스캔 카메라의 노출 사이를 통과하는데 필요한 시간이 줄어든다. 즉, 노출이 너무 빠르고 근접하여 노출되어 카메라의 FOV에 영향을 줄 시간이 없기 때문에 산업 환경과 고속 기계에 공통적인 진동은 이미지 획득에 영향을 미치지 않는다.
EMCMOS: 센서의 과급 충전
CMOS 이미지 센서의 감도는 매우 높지만 매우 낮은 조명 응용 분야(마이크로 럭스)에 사용될 때 발생하는 판독 노이즈 때문에 여전히 제한이 있다. 이를 해결하기 위해, electron multiplying으로 수행되고 따라서 노이즈 레벨을 잠재적으로 감소시킬 수 있는 EMCCD(electron multiplying CCD)로 바뀌었다. electron multiplying의 주요 원리는 판독 체인의 결과로 발생하는 노이즈를 추가하기 전에 신호에 게인을 적용하는 것이다.
이러한 방식으로, 잡음은 이 이득으로 나누어져 궁극적으로 SNR을 개선시킨다. CCD 원리의 결과로서, 신호는 전자 패킷의 형태로 전송되고, 이 동안 곱셈은 판독 전에 각 픽셀에 적용된다.
모든 애플리케이션에서 CCD를 CMOS로 교체하고 있기 때문에, 동등한 EMCMOS로 실험하는 것이 의미가 있다. CMOS 애플리케이션의 경우, 신호는 전압 도메인에 있으므로 플로팅 노드를 전송하기 전과 소스 팔로워 트랜지스터에서 노이즈를 추가하기 전에 곱셈을 적용해야 함을 나타낸다. 이 기술은 이미지 센서의 읽기 노이즈를 효과적으로 제거하므로 과학 또는 감시 애플리케이션 모두에서 이미지 품질을 향상시킬 수 있다.
이를 통해 적응형 광학 및 '럭키 이미징 기술(lucky imaging)'과 같은 빠른 프레임 속도에서 극도로 높은 감도를 요구하는 고급 초 저조도(advanced ultra-low Light) 애플리케이션을 구현할 수 있다. Teledyne e2v는 이 접근 방식을 자체 백-씬닝(back-thinning) 기술 및 반사 방지(anti-reflection) 코팅과 결합하여 우주 기반의 천문학 애플리케이션에 필요한 양자 효율을 제공한다.
CMOS로써 속도 유지
속도와 해상도 측면에서 CMOS의 현재 재생 상태는 많은 양의 데이터를 의미한다. 예를 들어 Teledyne e2v의 Lince 11M 카메라는 610fps에서 4k 이미지를 생성한다. 센서는 데이터 파이프 라인의 다른 부분을 넘어서 가속화하고 있으며, 가까운 미래에 이 데이터를 다루는 것은 처리에 대한 '강력한' 접근 방식이어야 한다. 이미지 품질과 여러 단계의 TDI를 추가하면 엄청난 양의 데이터를 처리하게 된다.
Teledyne DALSA의 최근 출시된 Linea HS TDI 카메라는 최대 회선 속도 300kHz로 192개 회선에서 최대 16K 이미징을 제공한다. 이러한 종류의 고속과 감도는 평판 디스플레이 검사, 웨이퍼 검사, 인쇄 회로 기판 검사 및 고성능 문서 스캐닝과 같은 까다로운 응용 분야에 이상적이다. 나머지 다른 시스템 애플리케이션에 대해서는 이 새로운 카메라의 성능을 활용하기 위해서 통합자는 CLHS 및 CXP12로 전환하여 새로운 카메라의 기능에 의해 새로 운 표준이 만들어진다. 단일 광섬유 케이블(오류 수정 포함)을 통해 최대 8.4Gbps를 제공하는 차세대 CLHS 인터페이스는 추가 이점을 제공한다.
CXP12는 4개의 케이블이 동시에 사용될 때 최대 50Gbps와 함께 12.5Gbps를 제공한다. 또 다른 접근 방식은 3D 센서 디자인으로 보다 컴팩트한 디자인과 빠른 상호 연결을 달성하는 것이다. 카메라 아래에 메모리, CPU 및 기타 주요 구성 요소를 쌓아두면 데이터 이동거리가 매우 짧아 전송 속도가 더 빨라진다.
CMOS TDI 데이터 활용: DNA 시퀀싱
이에 대한 기술은 매년 페타 바이트(petabytes)의 게놈 정보를 생성할 것이다. DNA 분석 및 시퀀싱은 생물학적 시스템의 관찰, 식별 및 특성 분석에 사용되어 병원체 탐지, 질병 선별, 생물학적 위험 탐지, 암 진단 및 유전자 연구에 도움이 된다. DNA 시퀀서는 살아있는 유기체의 유전 정보를 보유하는 DNA의 염기 서열을 자동으로 해독한다. 연구 애플리케이션에는 시간이 걸릴 수 있지만 암 치료 또는 형사 조사와 같은 시간에 민감한 다른 애플리케이션도 있다.
유전자 정보를 철저하고 신속하게 해독하고 분석하는 것이 중요하다. DNA를 매핑하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 게놈의 '데이터'를 나타내는 DNA 가닥의 4개의 뉴클레오티드(nucleotide) 염기 각각에 형광 표지를 하는 것이다. 각각의 염기쌍은 약 0.5nm에 걸쳐서, 그들의 형광으로부터의 광은 매우 약하다. 고감도 센서가 필요하며 TDI가 완벽하다. 또한 주어진 DNA 가닥이 모두 관련된 것은 아니다. 고속 스캔은 특정 관심 영역을 대상으로 할 수 있어야 한다.
새로운 카메라 기능을 사용하더라도 수천 개의 슬라이드를 비용 효율적으로 스캔하고 원하는 것을 찾는 것은 여전히 어려운 일이다. 오늘날 생물학적 테스트는 반복적이고 노동 집약적이며 많은 양의 샘플이 필요하다. 치료 및 형광 프로토콜은 종종 몇 시간 또는 며칠이 걸리며 테스트 당 수십에서 수백 달러의 비용이 들 수 있다. 오늘날의 계측은 부피가 크고 비싸며 상당한 전력 소비가 필요하다. 이러한 문제 중 많은 부분이 CCD TDI 기술로는 사실상 해결할 수 없다.
오늘날 CMOS 사용이 증가함에 따라 이러한 테스트를 보다 안정적이고 편리하며 안전하고 빠르게 수행할 수 있는 새로운 시스템을 만들 수 있다. 혁명적 기술도 좋지만, 오래된 질서는 전복되거나 파괴되지 않는다. 예전의 CCD에서 나온 좋은 아이디어가 통합되고 함께 움직이고 진화한다. 오늘날 CMOS 기술을 사용하여 검출기를 소형으로 만드는 것을 상상할 수 있다. 범죄 현장, 의사 사무실 또는 구급차에 사용될 수 있다.
자료 제공: teledynedalsa(www.teledynedalsa.com)
