[테크] 라인 간 전송 EMCCD 기술을 통한 초저조도 이미징 구현

|글| Michael DeLuca / Go to Market Manager, Industrial and Security Division, Image Sensor Group, ON Semiconductor

모든 영상 센서에 광민감도가 중요한 사양이긴 하지만 몇몇 애플리케이션은 영상 센서 이용 범위를 넘어선 초저조도 환경에서도 작동이 가능한 장비를 필요로 한다. 현미경으로 확인되는 수준의 형광 마커나 안전 카메라로 포착되는 망막의 이미지 혹은 맑고 달이 없는 밤에 운영되는 관측 이미지 검출 여부와 관계없이 초저조도 촬영(0.1lux에 이르는 조명에서도 30fps 영상 캡쳐가 가능한)이 가능한 기술은 성공의 핵심 요소이다.

그 동안 전자 증폭 전하 결합 소자(EMCCD) 기술은 초저조도 수준의 장면을 촬영하는데 성공적으로 활용되어 왔다. EMCCD 기술은 저조도 환경의 한 개 픽셀 내에서 검출되는 전하를 아주 적은 양으로 소모하므로 센서의 증폭기에 도달하기 전에 이를 수 배로 증가시켜 초기에 해결이 불가능했던 저신호 수준을 증폭기 노이즈 플로어가 검출할 수 있는 수준으로 높여준다.

그러나 이는 저조도(단일 광자 검출 수준만큼 낮은) 영상 캡쳐에 탁월한 반면 EMCCD 레지스터에 입력되는 신호가 너무 높은 경우 전자 증폭 케스케이드가 넘쳐서 터무니 없는 결합물이 생성될 가능성이 있으므로 밝은 부분을 포함한 장면들에 EMCCD 기술을 이용한 센서 사용을 제한한다. 게다가, 기존에 EMCCD 설계에 사용되던 풀 프레임 트랜스퍼 기술이 EMCCD 기술을 비디오 애플리케이션에 적용하면 기대할 수 있는 수준의 영상의 부분적인 품질을 제한하며 이러한 장비에 가능한 해상도를 대략 백 만 픽셀 이하로 제한해버린다.

라인 간 전송 EMCCD 기술은 이러한 제약적인 부분들을 영상 균일성과 해상도 스케일링 및 라인 간 전송 CCD의 글로벌 일렉트로닉 셔터 출력을 갖춘 전자 증폭 출력 레지스터의 저조도 광민감도를 통합하여 직접적으로 해결해준다. 이 조합은 초저조도에서부터 밝은 광까지 다양한 조도화에서 지속적인 캡쳐가 가능하므로 수백 만 픽셀 해상도의 범위를 지원하는 영상 센서 개발이 가능해진다.

EMCCD 기술 성능의 장점은 내부-장면 전환 가능한 증폭 기능인데 이는 필요한 장면의 부분만을 선별적으로 결합해 밝은 조명 환경에서 EMCCD 출력 레지스터의 오버 플로우를 미연에 방지해주는 역할을 한다. 이 출력 설계는 그림 1에서 설명되는데 각 픽셀에 전달되는 신호의 초기 값을 측정하기 위해 모든 픽셀의 전하가 카메라 제어 전자 설비로 판독되는 비파괴 감지 노드를 통과한다. 이 수치는 카메라가 선택하는 한계치를 기준으로 두 가지 출력 값 중 한 가지 출력 값에 전하 패킷을 전달하는 센서 내부의 스위치를 구동하는데 사용된다.

고전하 픽셀(영상의 밝은 부분에 해당하는)은 전압 전환을 위한 기준 CCD 출력에 전달되며 저전하 픽셀(영상의 어두운 부분에 해당하는)은 전압 전환 이전의 추가 증폭 작용을 위한 EMCCD 출력에 전달된다. 그 후 이들 두 데이터 집합은 최종 영상 조합을 위해 병합된다. 고전하 픽셀의 전하는 EMCCD 레지스터에 입력되지 않기 때문에 이 출력 구조는 초저조도에서부터 밝은 광까지 다양한 조도화에서 검출되도록 되어 있으며 EMCCD 출력 레지스터의 오버 플로우와 관련해 영상에 결합물이 생성되지 않도록 방지한다.

그림 2를 통해 EMCCD 기술의 동력에 대해 살펴보기로 한다. 밝은 광부터 어두운 그림자 부분 까지 다양한 조도를 포함해 가장 어두운 부분은 오로지 달빛 또는 별빛 정도의 조명이 적용된 단일 장면의 영상 캡쳐를 보여준다.

기존 영상 센서 (그림 2의 좌측 그림)는 영상의 밝은 부분을 영상화하지만 영상의 가장 어두운 부분에 대한 가독성이 높지는 않다. 기존 EMCCD (그림 2의 중앙 그림)은 영상의 가장 어두운 부분을 구성하고 있으나 저조도 부분을 위해 증폭 값이 높아지게 되면 밝은 부분에 결합물이 발생하게 되어 영상의 완전성이 저하된다. 라인 간 전송 EMCCD 기술 (그림 2의 우측 그림)은 영상 내 다양한 조도에 해당하는 부분을 문제없이 영상화 하고 있다. 어두운 부분은 달빛 혹은 별빛 정도로 조도를 확연히 낮추어 가독성을 높였다.

연구실에서부터 제품 생산에 활용에 이르기까지 다양해지는 라인 간 전송 EMCCD 기술이 최근 성장가도를 달리고 있는 제품에 활용되고 있다. 온세미컨덕터의 KAE-02150 영상 센서는 라인 간 전송 EMCCD 기술을 탑재해 30fps 환경에서 작동되어 1080p의 저조도 영상 캡쳐 해상도를 지원할 수 있으므로 보안, 감시, 비디오 프레임률을 이용한 고감도 영상 캡쳐를 필요로 하는 상황 별 인지 애플리케이션에 적합하다.

더 높은 해상도 지원을 위해 8백만 픽셀(2856 x 2856)의 KAE-08151 영상 센서는 여러 기종의 전문가용 현미경 및 의학용 장비의 기본 광학 형식에 맞추어 대각선 22mm의 사각 영상비로 설계되었다. 라인 간 전송 EMCCD 기술을 이용한 발전을 통해 이 소자들은 저조도 환경 조건의 고성능 영상 장비의 신세계를 펼치는 데에 앞장서게 된다.