하나의 픽셀에서 저노이즈·고속 판독을 선택하는 프로그래머블 센서 구조

Dartmouth 연구진이 과학 이미징 용도에 맞춰 픽셀의 판독 특성을 바꿀 수 있는 ‘프로그래머블 판독(PRO) 픽셀’을 제안했다. 시험 칩에서는 고속 판독용 회로와 저조도 저노이즈 판독 회로를 하나의 픽셀 구조에서 선택적으로 사용했다.

상단 이미지: Image Sensors World 및 연결 자료

Image Sensors World는 Dartmouth 연구진 Lazzaro 등의 논문을 소개하며, 저노이즈·고속·높은 다이내믹 레인지 등 서로 다른 이미징 요구에 맞춰 판독 방식을 재구성할 수 있는 픽셀 아키텍처를 다뤘다. 이 구조의 핵심은 촬영 조건에 따라 같은 픽셀의 전하를 서로 다른 판독 증폭기로 보내는 것이다.

PRO 픽셀은 핀드 포토다이오드(PPD), 깊은 매립 채널 CCD 라우터, 특성이 서로 다른 복수의 픽셀 내 증폭기로 구성된다. CCD 라우터에 적용하는 클록 순서를 바꾸면 생성된 전하를 목적에 맞는 증폭기로 이동시킬 수 있으며, 여러 프레임에서 나온 전하를 저장하도록 라우터를 프로그래밍하는 방식도 제안됐다. 개념 설계에서는 서로 다른 특성을 가진 네 개의 증폭기로 판독할 수 있다.

연구진은 개념을 검증하기 위해 CCD 라우터와 두 종류의 픽셀 내 증폭기를 포함한 시험 칩을 제작했다. 부동 확산 증폭기(FDA)는 빠른 판독과 높은 조도 이미징을 위한 경로로, 부동 게이트 증폭기(FGA)는 저조도 이미징을 위한 저노이즈 ‘스키퍼 인 CMOS’ 판독 경로로 사용됐다.

시험 칩은 20μm 픽셀로 구성된 36×94 배열이며, 실험 분석을 위해 9가지 픽셀 변형을 포함한다. 논문에는 두 증폭기로 전하를 선택적으로 이동시켜 얻은 초기 이미지가 제시됐고, FDA에서는 100ns와 500μs 노출 결과를, FGA에서도 같은 두 노출 조건의 결과를 비교했다.

또한 FGA를 이용한 스키퍼 인 CMOS 출력은 비파괴 샘플링 횟수를 달리해 비교됐다. 연구진은 이를 통해 비파괴 샘플 수를 늘릴수록 노이즈를 줄일 수 있는 특성을 보였다. 이 연구는 하나의 픽셀 회로를 특정 촬영 조건에 고정하지 않고, 판독 경로와 동작 방식을 이미징 목적에 맞춰 선택하는 방향을 제시한다.

핵심 내용

• PPD, 깊은 매립 채널 CCD 라우터, 복수의 픽셀 내 증폭기를 결합한 프로그래머블 판독 픽셀 구조
• CCD 라우터의 클록 순서를 바꿔 생성 전하를 서로 다른 판독 증폭기로 이동하고 여러 프레임의 전하를 저장
• 20μm 픽셀의 36×94 시험 칩과 9가지 픽셀 변형으로 구조를 실험
• FDA는 고속·고조도 판독에, FGA 기반 스키퍼 인 CMOS는 저조도·저노이즈 판독에 사용
• 비파괴 샘플링 횟수를 달리한 비교에서 노이즈 감소 특성을 확인

확인할 점

• 논문에 제시된 이미지는 초기 시험 결과이며, 자료에서는 상용 센서 수준의 종합 성능 수치를 제시하지 않는다.
• 네 개 증폭기를 활용하는 구조는 개념 설명이며, 제작된 시험 칩에는 FDA와 FGA 두 증폭기가 포함됐다.

확인한 자료

• Image Sensors World · 업계 전문 블로그 · 원문 보기

이 글은 원문을 그대로 번역한 것이 아니라, 업계 전문 블로그의 게시글을 바탕으로 sensta.me 독자를 위해 핵심 내용을 한국어로 요약·편집했습니다.