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HDR 하위 룩스 이미징에 도입되는 IT 방식 EMCCD 기술
이나리 기자 | 승인 2017.12.12 14:08

[EPNC=이나리 기자] 조명은 시장이나 애플리케이션에 관계없이 좋은 이미지 캡쳐에 있어서 중요한 구성 요소다. 스튜디오에서 작업하는 전문 사진 작가나 머신 비전과 같은 산업용 이미징 애플리케이션 디자이너들은 균일한 조명 또는 고대비(High Contrast) 장면 촬영 시 사용하는 조명을 완전히 제어할 수 있어야 한다. 이를 위해 조명은 장면의 전체적인 캡쳐를 최적화 하기 위해 필요에 따라 조정, 추가, 수정될 수 있다. 

그러나 야외 촬영과 같이 장면의 조명을 제어할 수 없는 경우 상황은 복잡해진다. 밝고 화창한 날에는 보다 수월하지만 장면의 조명을 제어할 수 없는 야간에는 제대로 캡처하는 것이 훨씬 어렵기 때문이다. 카메라의 감지 기능이 충분하지 않으면 어두운 그림자 부분은 어두운 채로 영상에 남게 된다. 따라서 캡쳐 대상(또는 사람)이 장면의 어두운 부분에 숨어 있는지 확인할 수가 없다. 


유사한 상황은 의료 또는 과학 현미경에도 존재한다. 세포의 구조에 화학 물질이 붙어서 자외선 하에서 조명되면 다른 파장에서 형광 빛을 내게 된다. 이 형광 빛은 매우 약할 수 있으므로 이런 조건에서 이미지를 다시 캡처하려면 가장 낮은 수준의 빛에도 매우 민감하게 반응해 ‘그림자 속’을 볼 수 있는 카메라가 필요하다. 

어두운 골목의 그림자나 형광 현미경 검사의 현미경 조사와 같은 어려운 이미징 조건에서 작업하려면 두 가지 이미지 센서 매개 변수가 필수적이다. 첫 번째 매개 변수는 카메라가 감지할 수 있는 최저 수준의 빛을 결정하는 감도다. 감도는 실제로 판독 노이즈, 반응성, 양자 효율, 이미지 캡처의 노출 시간과 같은 여러 이미징 매개 변수의 조합인 동시에 카메라에서 확인할 수 있는 가장 낮은 조명 수준을 결정한다.

30fps 이미지 캡처의 경우 표준 이미지 센서는 해질녘이나 보름달 빛에 대응해 단일 룩스 수준까지 포착하는 감도를 가질 수 있다. 그러나 위에 언급한 상황과 같이 상황이 좋지 않을 경우에 그림자를 심도 있게 확인하기 위해서는 이미지 캡처를 하위 룩스까지 확장해야 한다. 
두 번째 매개 변수는 센서가 한번에 감지할 수 있는 수준의 광 수준인 동적 범위(Dynamic Range)다. 야간의 어두운 골목 등 제어되지 않는 조명 조건에서 캡처하려면 감도와 동적 범위가 모두 충족돼야 한다. 감도를 통해 그림자 속을 확인해야 하는데 동적 범위를 통해 인공적 이미지를 추가하거나 세부적인 부분을 잃지 않고 장면의 가장 밝은 부분까지 확장할 수 있다. 

IT(Interline Transfer) 방식의 EMCCD 소자는 IT CCD, EM(Electron Multiplication) CCD와 같은 두 가지 기술을 각각 최상의 기능을 유지하도록 결합해 저조도 영상 애플리케이션의 요구사항을 충족시킨다. IT 방식의 CCD는 인위적 동작의 도움 없이도 움직이는 물체를 캡처할 수 있는 높은 균일성과 글로벌 셔터(또는 전자 셔터) 이미징을 통해 고성능 기술 기반을 제공한다. 
이 기술은 또한 매우 높은 해상도까지 확장이 가능하므로 다양한 메가 픽셀의 소자로까지 확장할 수 있는 제품을 개발할 수 있다.

EMCCD는 매우 낮은 조명에서 나오는 신호를 증폭시켜 이 소자의 고유한 바닥 잡음(Noise floor) 이상으로 증가시킨다. 이를 통해 이미지 센서의 유효 바닥 잡음을 하위 전자 레벨로 유도해 매우 낮은 신호 또는 매우 낮은 광 레벨을 감지한다. 이 두 가지 기술을 결합한 IT-EMCCD 소자는 단일 카메라가 장면의 한 부분이 매우 어둡고(하위 룩스 조명 레벨에서 측정) 특정 영역이 동시에 밝게 빛나는 장면을 영상화하도록 유연성을 제공한다. 

[그림 1] 표준 CMOS및 IT EMCCD 이미지 캡처. 33ms 노출 시 f2렌즈를 사용하여 0.01lux로 캡처 된 이미지 

[그림 1]의 이미지는 이 기술의 성능을 보여준다. 두 이미지는 같은 노출 조건에서 0.01룩스의 조명으로 촬영됐는데 이는 맑은 저녁 반달에서 나오는 조명에 해당되는 수준이다. 표준 CMOS 이미지 센서를 사용해 캡쳐된 이미지의 경우 이미지 신호의 디테일은 낮은 신호(또는 낮은 광량) 레벨에서 자주 발생되는 이미지 센서의 배경 노이즈로 인해 왜곡된다. 그러나 이와는 반대로 IT EMCCD 이미지의 경우는 매우 낮은 조명 조건에서도 훨씬 더 세부적인 장면을 보존한다. 

[그림 2]는 하위 룩스에서의 동적 범위의 중요성을 보여준다. 제시된 장면은 빛이 왼쪽에서만 밝게 비춰지므로 이미지에서 조명은 왼쪽에서 오른쪽을 향해 감소한다. 표준 CCD는 이미지의 가장 밝은 부분을 잘 캡처하지만 장면의 오른쪽에 있는 그림자 ‘순환 확대(Circular Enlargement)로 표시’에 상당한 양의 노이즈가 있는 것을 발견할 수 있다. 이 그림자는 표준 EMCCD 이미지 센서를 사용할 경우 문제 없이 이미지화되지만 왼쪽의 밝은 조명은 이미지의 무결성 상태를 파괴하는 EM 레지스터의 초과 연쇄 반응을 시작한다. 

IT EMCCD는 이미지의 밝은 부분에 표준 CCD출력을 적용하고 어두운 부분에 EMCCD 출력을 적용해 두 가지 기술을 최대한 활용, 결합한다. 이를 통해 소자에서 사용할 수 있는 동적 범위는 하나의 기술에서 얻을 수 있는 것 이상으로 확장되므로 장면의 전체 정보를 하나의 이미지로 통합할 수 있게 된다. 

[그림 2] 표준 CCD, 표준 EM CCD, IT-EMCCD 방식의 이미지 캡쳐 비교

이 확장된 동적 범위는 개별 픽셀의 전하를 픽셀 별 표준 CCD 출력 또는 EM 출력으로 전송해주는 기술을 장면 내 전환 가능한 이득(Gain)을 통해 IT EMCCD 소자에서 사용할 수 있다. 이미지 센서 어레이가 판독되면 [그림 3] 각 픽셀의 전하가 그 크기를 비파괴 방식으로 측정할 수 있는 감지 노드를 통과한다. 

측정된 정보는 카메라의 제어 전자가 판독해 각각의 개별 픽셀에 대한 신호 레벨의 초기 측정 값을 제공하고, 픽셀을 밝거나 어둡게 ‘태깅(Tagging)’한다. 이 정보는 신호 레벨에 따라 2개의 출력 중 하나에 전하 패킷을 라우팅하는 센서 스위치를 구동하도록 사용될 수 있다.

[그림 3] 장면 내 전환 가능한 이득(Gain)

높은 전하 레벨(이미지의 밝은 부분)은 전압 변환을 위해 표준 CCD 출력으로 전송되며 이미지의 어두운 부분에서 오는 낮은 전하 레벨의 픽셀은 전압으로 변환하기 전에 추가 증폭을 받기 위해 EMCCD 출력으로 전송된다. 이런 두 가지 데이터는 결합, 병합돼 EMCCD 출력 레지스터의 오버 플로우와 관련된 이미지 허상을 피하면서 장면의 가장 밝은 부분과 어두운 그림자를 모두 캡처하는 최종 이미지를 생성한다. 

결론적으로 말해 IT EMCCD 기술은 단일 이미징 기술과 비교할 수 없는 뛰어난 기능을 제공한다. EM 레지스터는 탁월한 저조도 이미징을 가능하게 해주므로 1 룩스 이하의 낮은 밝기에서 조명된 장면에서의 정보도 캡처한다. IT CCD 설계는 고해상도 또는 컬러 이미징으로 쉽게 확장할 수 있는 아키텍처에서 높은 이미지 균일성을 제공한다. 또한 장면 내 전환 가능한 이득(Gain)을 통해 이 소자는 최대 92dB 또는 4000대 1의 넓은 선형 동적 범위를 제공할 수 있게 된다. 

따라서 이 기술을 기반으로 하는 소자들은 감시, 지능형 교통 시스템을 비롯해 매우 낮은 신호의 이미지 캡처가 필요한 모든 애플리케이션에 적합하다.  저조도에서 밝은 빛까지 다루며 이미지를 확장해서 캡처하는 안과, 형광 투시기 또는 과학 현미경 등 조명이 부족한 모든 애플리케이션에도 매우 이상적이다. 

현재 온세미컨덕터의 IT EMCCD 제품군은 1080 또는 2메가픽셀에서 최대 8 메가픽셀까지의 해상도와 최대 30fps의 사진 또는 비디오 캡처 기능을 제공하는 4가지 개별 소자들로 구성된다. 이 소자들은 다양한 광 감도를 제공할 뿐 아니라 카메라 통합을 위한 옵션이 있으므로 고객사들은 특정 애플리케이션에 가장 적합한 이미지 센서를 쉽게 선택할 수 있다. 

또한 이 포트폴리오는 2개의 서로 다른 픽셀 크기를 제공한다. 이중에서도 그림 4와 같이 큰 픽셀은 주어진 광학 포맷에 대한 해상도를 감소시키면서 증가된 광 감도를 제공한다. 

[그림 4] KAE-08151 (5.5 µm 픽셀) 및 KAE-04471 (7.4 µm 픽셀) 이미지 캡처. 81.5ms 노출 시 f1.4렌즈로 0.1룩스에서 캡쳐 된 이미지 

이 제품 포트폴리오에서 사용할 수 있는 추가 옵션은 이미지의 선명도(변조 전달 함수)를 감소시키지 않으면서도 근적외선 파장의 검출을 향상시키는 픽셀 설계다. 850mm와 같은 NIR 파장에 대해 이미지 센서의 감도를 배가시키는 이 고급 설계는 NIR 빛을 감지하는 애플리케이션에서 중요하다. 예를 들어 [그림 5]의 두 이미지는 850mm의 조명을 사용해 야간에 촬영된 것으로 차량의 번호판과 정면을 보여준다. 미국과 세계 대부분의 자동차 번호판은 근적외선을 반사하도록 설계됐으므로 이 영역에서 작동하는 이미지 센서의 성능을 나타내는 좋은 케이스가 된다.

KAE-02152 이미지에서 번호판의 추가 밝기는 이 새로운 픽셀 설계에서 가능한 강화된 근적외선 NIR감도로부터 직접 얻는 게 가능하다. 이런 두 개의 1080p 소자들은 서로 완벽하게 호환이 가능하기 때문에 카메라 제조업체는 이 해상도 노드에 대한 두 옵션을 모두 지원하는 단일 설계를 쉽게 개발할 수 있다. 
 

[그림 5] KAE-02150 및 KAE-02152 이미지 캡처. f1.4렌즈 및 39ms 노출을 사용해 850mm조명으로 반달 조명에서 캡쳐 된 이미지.

IT EMCCD 소자는 열전 냉각기(Thermoelectric Cooler)를 패키지에 직접 통합하는 구성에도 사용할 수 있다. 작동 온도를 -10°C 이하로 낮추는 이런 유형의 냉각기는 센서에 의해 생성되는 허위 배경 신호를 감소시키기 때문에 매우 낮은 조명 조건에서 작동하는 소자의 성능에 중요한 요소가 된다. 이 통합 패키지 설계는 냉각 카메라 개발에 필요한 작업을 간소화해 냉각 카메라 설계 전문 지식이 거의 없는 카메라 제조사의 이미징 성능을 향상시켜줄 뿐 아니라 시장 출시 시간을 단축시켜 주므로 소비자들이 지불할 카메라 비용을 낮춰준다. 

이 IT EMCCD 포트폴리오에는 1080p ~ 8 메가픽셀의 해상도와 큰 픽셀 옵션, 근적외선 민감도, 통합 냉각 등 거의 30가지의 주문 가능한 부품이 모두 제공된다. 특정 이미징 요구 사항은 애플리케이션 마다 크게 상이하지만 다양한 제품 포트폴리오는 가장 적합한 이미지 센서를 식별해 특정 애플리케이션의 요구사항을 잘 충족시켜준다.

IT EMCCD 기술은 저조도 이미징을 위한 새로운 발걸음을 시작한 것으로 하위 룩스 조명에서 이미지를 처리하는 데 필요한 높은 감도는 물론 이미징을 밝은 빛까지 확장하는데 필요한 높은 수준의 동적 범위와 유연성을 제공한다. 이러한 새로운 이미지 센서 기술은 가장 까다로운 저조명 이미징 애플리케이션에서도 새로운 옵션과 솔루션으로 고객사들 사이에서 인기리에 선택된다. 

[그림 6] 냉각 패키지 구성

글: 마이클 데루카(Michael DeLuca) 온세미컨덕터 이미지 센서 그룹 
산업용, 보안 부서 고투마켓 매니저

자료제공: 온세미컨덕터

#EMCCD#이미징#온세미컨덕터

이나리 기자  narilee@epnc.co.kr

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