이미지센서

Image sensor
연성회로기판CCD 이미지 센서
AMI(American Microsystems, Inc.) 1킬로비트 DRAM 칩(유리창이 달린 센터 칩) Cromemco Cyclops에 의해 이미지 센서로 사용되는 반도체

이미지 센서 또는 이미저이미지를 형성하는 데 사용되는 정보를 감지하고 전달하는 센서입니다.광파의 가변 감쇄(물체를 통과하거나 반사할 때)를 정보를 전달하는 작은 전류 버스트인 신호로 변환하여 이를 수행합니다.파동은 빛일 수도 있고 다른 전자기 방사선일 수도 있습니다.이미지 센서는 디지털 카메라, 카메라 모듈, 카메라 폰, 광학 마우스 장치,[1][2][3] 의료 영상 장비, 열화상 장치, 레이더, 음파 탐지기 등의 야간 시각 장비를 포함하는 아날로그디지털 방식의 전자 영상 장치에 모두 사용됩니다.기술이 변화함에 따라 전자 및 디지털 이미징이 화학 및 아날로그 이미징을 대체하는 경향이 있습니다.

전자 이미지 센서의 두 가지 주요 유형은 전하 결합 장치(CCD)와 능동 픽셀 센서(CMOS 센서)입니다.CCD와 CMOS 센서 모두 MOS(Metal-Oxide-Semiconductor) 기술을 기반으로 하며, CCD는 MOS 커패시터를 기반으로 하고 CMOS 센서는 MOSFET(MOS 전계 효과 트랜지스터) 증폭기를 기반으로 합니다.보이지 않는 방사선을 위한 아날로그 센서는 다양한 종류의 진공관을 포함하는 경향이 있는 반면, 디지털 센서는 평판 검출기를 포함합니다.

CCD 대 CMOS 센서

웹캠 디지털 카메라의 포토센서 어레이 모서리의 현미경 사진
Nikon Coolpix L26 MP의 마더보드에 있는 이미지 센서(왼쪽 위

디지털 이미지 센서의 두 가지 주요 유형은 전하 결합 장치(CCD)와 액티브 픽셀 센서(CMOS 센서)이며, 상호 보완적 MOS(CMOS) 또는 N-타입 MOS(NMOS 또는 Live MOS) 기술로 제작됩니다.CCD와 CMOS 센서 모두 MOS 기술을 기반으로 하며,[4] MOS 커패시터는 CCD의 구성 블록이고,[5] MOSFET 증폭기는 CMOS 센서의 구성 블록입니다.[6][7]

소형 소비자 제품에 통합된 카메라는 일반적으로 CMOS 센서를 사용하는데, CMOS 센서는 일반적으로 CCD보다 저렴하고 배터리 구동 장치의 전력 소비가 낮습니다.[8] CCD 센서는 고급 방송 품질 비디오 카메라에 사용되며, CMOS 센서는 전반적인 비용이 주요 관심사인 스틸 사진 및 소비재 분야에서 우위를 차지합니다.두 센서 모두 빛을 포착하여 전기 신호로 변환하는 동일한 작업을 수행합니다.[citation needed]

CCD 이미지 센서의 각 셀은 아날로그 장치입니다.빛이 칩에 닿으면 각 포토 센서에서 작은 전하로 유지됩니다.(하나 이상의) 출력 증폭기에 가장 가까운 픽셀 라인의 전하가 증폭되어 출력되고, 각 픽셀 라인은 전하를 증폭기에 한 라인 더 가깝게 이동시켜 증폭기에 가장 가까운 빈 라인을 채웁니다.그런 다음 픽셀의 모든 라인이 전하를 증폭하여 출력할 때까지 이 과정을 반복합니다.[9]

CMOS 이미지 센서는 CCD의 소수의 증폭기에 비해 각 픽셀에 대한 증폭기를 가지고 있습니다.이로 인해 CCD보다 광자를 포착할 수 있는 면적이 적지만, 각 포토 다이오드 앞에 마이크로 렌즈를 사용하여 증폭기에 부딪혀 감지되지 않았을 포토 다이오드에 빛을 집중시킴으로써 이 문제를 해결했습니다.[9]일부 CMOS 이미징 센서는 백사이드 조명을 사용하여 포토다이오드에 부딪히는 광자의 수를 증가시키기도 합니다.[10]CMOS 센서는 잠재적으로 CCD 센서보다 더 적은 구성 요소로 구현될 수 있고, 더 적은 전력을 사용할 수 있으며, 또는 더 빠른 판독을 제공할 수 있습니다.[11]또한 정전기 방전에 덜 취약합니다.

또 다른 디자인인 하이브리드 CCD/CMOS 아키텍처("sCMOS"라는 이름으로 판매)는 CCD 이미징 기판에 범프 본딩된 CMOS 판독 집적 회로(ROIC)로 구성되어 있습니다. 이 기술은 적외선 응시 어레이를 위해 개발되었으며 실리콘 기반 검출기 기술에 적용되었습니다.[12]또 다른 접근법은 현대 CMOS 기술에서 사용 가능한 매우 미세한 치수를 활용하여 CMOS 기술에서 CCD와 같은 구조를 완전히 구현하는 것입니다. 이러한 구조는 개별 폴리실리콘 게이트를 매우 작은 간격으로 분리함으로써 달성될 수 있습니다. 하지만 여전히 연구 하이브리드 센서의 산물은 잠재적으로 두 C의 장점을 모두 활용할 수 있습니다.CD 및 CMOS 영상기.[13]

성능

동적 범위, 신호 대 잡음비, 저조도 감도 등 이미지 센서의 성능을 평가하는 데 사용할 수 있는 많은 파라미터가 있습니다.유사한 유형의 센서의 경우 크기가 커질수록 신호 대 잡음비와 동적 범위가 개선됩니다.그 이유는 주어진 통합(노출) 시간 안에 더 많은 광자가 더 큰 면적의 픽셀에 닿기 때문입니다.

노출시간관리

이미지 센서의 노출 시간은 일반적으로 필름 카메라에서와 같은 종래의 기계식 셔터 또는 전자식 셔터에 의해 제어됩니다.전자 셔터는 전체 이미지 센서 영역의 광전자 축적이 동시에 시작 및 중지되는 "글로벌" 또는 이미지 프레임을 가로질러 (일반적으로 가로 형식에서 위에서 아래로) "롤링"하는 프로세스에서 각 행의 노출 간격이 해당 행의 판독값에 즉시 선행하는 "롤링"일 수 있습니다.글로벌 전자 셔터는 일반적으로 수 밀리초 후에 판독 프로세스가 도달할 때까지 전하를 유지하는 "저장" 회로가 필요하기 때문에 덜 일반적입니다.[14]

색분리

센서의 바이어 패턴
Foveon의 색 감지를 위한 수직필터링 기법

색상 이미지 센서에는 몇 가지 주요 유형이 있으며 색상 분리 메커니즘의 유형에 따라 다릅니다.

  • 일체형 컬러 센서[15] 단색의 CCD 또는 CMOS 이미지 센서 위에 제작된 컬러 필터 배열을 사용합니다.가장 일반적인 컬러 필터 배열 패턴인 Bayer 패턴은 각각의 적색 및 청색 픽셀에 대해 두 개의 녹색 픽셀의 체커보드 배열을 사용하지만, 시안, 마젠타, 옐로우 및 화이트 픽셀을 사용하는 패턴을 포함한 많은 다른 컬러 필터 패턴이 개발되었습니다.[16]일체형 컬러 센서는 처음에 포토레지스트 윈도우를 통해 착색 염료를 단색 CCD 센서 위에 코팅된 고분자 수용층 위에 전사함으로써 제조되었습니다.[17]각 픽셀은 단일 색상(예: 녹색)만 제공하므로 픽셀의 "누락" 색상 값(예: 빨간색 및 파란색)은 인접 픽셀을 사용하여 보간됩니다.[18]이러한 처리를 디모이싱(demosaicing) 또는 디베일링(de-baying)이라고도 합니다.
  • 포본 X3 센서는 적층형 픽셀 센서 어레이를 사용하여 실리콘 고유의 파장 의존적 흡수 특성을 통해 빛을 분리하여 모든 위치에서 3가지 컬러 채널을 모두 감지합니다.이 방법은 사진을 위한 컬러 필름의 작동 방식과 유사합니다.
  • 3CCD, 3개의 이산 이미지 센서를 사용하고 이색 프리즘에 의해 이 분리됩니다.이색성 요소는 색 분리를 더욱 날카롭게 하여 색 품질을 향상시킵니다.각 센서는 통과 대역 내에서 동일하게 민감하기 때문에 최대 해상도에서 3-CCD 센서는 더 나은 색 품질과 더 나은 저조도 성능을 제공합니다. 3-CCD 센서는 텔레비전 방송, 비디오 편집크로마키 시각 효과에서 선호되는 4:4:4 신호를 제공합니다.

특수 센서

극저온 광시야각 이미저인[19] ESO의 HOKE-I가 촬영한 오리온 성운의 적외선 사진

특수 센서는 열 촬영, 다중 스펙트럼 이미지 생성, 비디오 후두경, 감마 카메라, X선용 센서 어레이 및 기타 천문학용 고감도 어레이와 같은 다양한 응용 분야에 사용됩니다.[20]

일반적으로 디지털 카메라는 플랫 센서를 사용하지만, Sony는 플랫 센서에서 발생하는 Petzval 필드 곡률을 감소/제거하기 위해 2014년에 커브드 센서를 시제품으로 제작했습니다.곡선형 센서를 사용하면 렌즈의 직경이 짧고 작으며 조리개가 크고 사진의 가장자리에서 빛이 떨어지는 것을 줄일 수 있습니다.[21]

역사

가시광선을 위한 초기의 아날로그 센서는 비디오 카메라 튜브였습니다.1930년대까지 거슬러 올라가며, 1980년대까지 여러 종류가 개발되었습니다.1990년대 초까지, 그것들은 현대 고체 CCD 이미지 센서로 대체되었습니다.[22]

Mohammed M의 MOSFET 발명에서 비롯된 MOS 기술은 현대 고체 이미지 센서의 기초입니다.[23][24] 1959년연구소아탈라와 다원 칸.[25]MOS 기술에 대한 이후의 연구는 전하-결합 소자(CCD)를 포함한 고체 반도체 이미지 센서의 개발로 이어졌고, 나중에는 능동-화소 센서(CMOS 센서)도 개발되었습니다.[23][24]

수동 픽셀 센서(PPS)는 능동 픽셀 센서(APS)의 전신이었습니다.[7]PPS는 증폭 없이 판독되는 수동 픽셀로 구성되며 각 픽셀은 포토 다이오드와 MOSFET 스위치로 구성됩니다.[26]p-n 접합, 집적 커패시터 및 MOSFET을 포함하는 픽셀을 선택 트랜지스터로 포함하는 포토다이오드 어레이의 한 종류입니다.포토다이오드 배열은 G에 의해 제안되었습니다.1968년의 웨클러.[6]이것이 PPS의 기초가 되었습니다.[7]이러한 초기 포토다이오드 어레이는 복잡하고 실용적이지 못했기 때문에 선택 트랜지스터는 온칩 멀티플렉서 회로와 함께 각 픽셀 내에서 제작되어야 했습니다.포토 다이오드 읽기 버스 용량이 증가하여 포토 다이오드 어레이의 노이즈도 성능에 제한이 되었습니다.CDS(Correlated Double Sampling)도 외부 메모리가 없는 포토다이오드 배열에서는 사용할 수 없었습니다.[6]그러나 1914년 칼 R 부총영사.Archibald M에 대한 영사 보고서에서 국무부에 보고된 Loop. Low's Televisa 시스템은 "전송 화면의 셀레늄이 반자성 물질로 대체될 수 있다고 명시되어 있습니다."[27]

삼성전자는 2022년 6월 2억 화소 이미지 센서를 개발했다고 발표했습니다.200MP 아이소셀 HP3의 픽셀은 0.56마이크로미터이며 삼성은 이전 센서의 픽셀이 0.64마이크로미터였다고 보고했습니다. 이는 2019년 이후 12% 감소한 수치입니다.새로운 센서는 2 x 1.4인치 칩에 2억 화소를 포함하고 있습니다.[28]

전하결합소자

전하 결합 장치(CCD)는 윌러드 S에 의해 발명되었습니다. 보일조지 E. 1969년 벨 연구소의 스미스.[29]MOS 기술을 연구하던 중, 그들은 전하가 자기 거품의 비유이며, 그것이 작은 MOS 커패시터에 저장될 수 있다는 것을 깨달았습니다.일련의 MOS 커패시터를 연속으로 제작하는 것은 매우 간단했기 때문에 적절한 전압을 연결하여 전하가 한 개에서 다음 개로 이동할 수 있도록 했습니다.[23]CCD는 나중에 텔레비전 방송을 위한 최초의 디지털 비디오 카메라에 사용된 반도체 회로입니다.[30]

초기 CCD 센서는 셔터 지연으로 어려움을 겪었습니다.이는 고정 포토 다이오드(PPD)의 발명으로 크게 해결되었습니다.[7]1980년 NEC에서 테라니시 노부카즈, 시라키 히로미츠, 이시하라 야스오에 의해 발명되었습니다.[7][31]이것은 낮은 시차, 낮은 잡음, 높은 양자 효율과 낮은 암전류를 가진 광검출기 구조였습니다.[7]1987년, PPD는 대부분의 CCD 장치에 통합되기 시작했고, 소비자 전자 비디오 카메라디지털 스틸 카메라의 고정 장치가 되었습니다.그 이후로 PPD는 거의 모든 CCD 센서와 CMOS 센서에 사용되었습니다.[7]

액티브 픽셀 센서

NMOS 액티브 픽셀 센서(APS)는 1980년대 중반에 일본의 올림푸스에 의해 발명되었습니다.이것은 MOSFET 스케일링이 더 작은 마이크론에 도달한 후 서브 마이크론 레벨에 도달하는 MOS 반도체 장치 제작의 발전에 의해 가능해졌습니다.[6][32]최초의 NMOS APS는 1985년에 나카무라 쓰토무의 올림푸스 팀에 의해 제작되었습니다.[33]CMOS 활성화 픽셀 센서(CMOS 센서)는 나중에 1993년 NASA 제트 추진 연구소의 과학자 그룹에 의해 개선되었습니다.[7]2007년까지 CMOS 센서의 판매량은 CCD 센서를 앞질렀습니다.[34]2010년대에 이르러 CMOS 센서는 모든 새로운 응용 분야에서 CCD 센서를 대체하게 되었습니다.

기타이미지센서

1975년 최초의 상업용 디지털 카메라Cromemco Cyclops는 32×32 MOS 이미지 센서를 사용했습니다.DRAM 메모리 칩을 개조한 것입니다.[35]

MOS 이미지 센서는 광학 마우스 기술에 널리 사용됩니다.리처드 F가 발명한 최초의 광학 마우스. 1980년 제록스Lyon5 µm NMOS 집적회로 센서 칩을 사용했습니다.1999년 첫 상용 광학 마우스인 인텔리마우스 이후 대부분의 광학 마우스 장치는 CMOS 센서를 사용합니다.[38]

2018년 2월, 다트머스 대학교의 연구원들은 퀀타 이미지 센서를 위한 QIS라고 부르는 새로운 이미지 센싱 기술을 발표했습니다.픽셀 대신 QIS 칩에는 연구자들이 "조트"라고 부르는 것이 있습니다.각각의 조트는 광자라고 불리는 하나의 빛의 입자를 감지할 수 있습니다.[39]

참고 항목

참고문헌

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외부 링크