고속 CMOS 이미지 센서의 경향 및 진화 - Technology

고속 CMOS 이미지 센서의 경향 및 진화

싸이프레스는 고속 이미징 분야에서 오랜 경험을 가지고 있으며, 대부분의 초고속 카메라 제조업체 들이 가장 선호하는 공급업체라는 것을 입증해 왔다. 시장 경향은 On-Board 특징, Data Rate와 해상도가 계속 부상할 것이라는 것을 입증하고 있다. 결국 진정한 도전은 초고속 데이터 율의 이미지 센서를 LVDS 및 이미지 프로세싱과 같은 많은 On-Board 특징들로 결합하는 것이다.

글│Pieter Willems, 싸이프레스

오늘날의 CMOS는 고속 이미징 용으로 선호되는 기술이다. 고속 이미지 센서 분야에서 우리들이 분명하게 볼 수 있는 현재의 시장은 아주 빠른 속도와 칩에 특징을 통합, 그리고 일반적인 고속 이미저 등의 3가지 경향을 가지고 있다.
해상도와 프레임 비율의 제품은 엄청난 비율을 차지하고 있으며, 현재 우리는 초당 5,000 풀 프레임 이상으로 작동하는 1024 x 1024 픽셀의 이미지 센서를 발표할 수 있다. 10비트의 퀄리티를 고려한다면 이는 초당 55Gbit의 카메라 수준에 대한 전체 데이터 율을 의미하는 것이다.
높은 이미지 품질이 결합되고 아주 높은 감도를 가진 이러한 형태의 애플리케이션용으로 일반적인 센서 차원에서 이러한 엄청나게 높은 데이터 율을 달성하기 위해서는 올바른 모형도와 관련한 디자인에 중점을 두는 것 뿐만 아니라 전체 레이아웃이 잘 조화를 이루어야 한다는 것을 확인할 수 있는 것이 중요하다.
이는 전력 라인이 적절히 분배될 필요가 있으며 레이아웃에서 각 각의 Node에 대한 기생 효과, 전자 및 광학 모두가 잘 조절되어야만 한다는 것을 의미한다. 전력 예산은 전체 전력 요구범위 내에서 유지하기 위해 저전력의 모듈 설계가 필요하다. 고속 이미징에서 또 다른 경향은 고속 ADCs, Sequencers, LVDS Trans-mitters 및 칩 상의 교정 알고리즘의 통합이다. 이들 Imager들은 일반적으로 속도와 감도와 관련하여 앞서의 Imagers 에 비해 낮지만 사용의 간편성과 시스템 통합 능력으로 이러한 열세를 보완하고 있다.
현재 업계에서 부상하면서 우리가 보고 있는 제3의 형태의 Imagers는 일반적인 고속 Imagers이다. 아날로그 아웃풋 혹은 on-board 타이밍 제너레이션이 없는 구형의(간단한) 일반 Imagers는 보다 빠르고 더욱 복잡한 이미지 센서로 교체되고 있다. 이들 Imagers는 짧은 시간에 일반 고속 카메라에 내장되는 것을 가능하게 해 준다. 이 글은 가장 중요한 시장 영역과 그 영역에서의 싸이프레스의 위치를 보여주고 있다.

픽셀(Pixel)

아래 그림 1은 일명 6-Transitor 픽셀이라 불리는 싸이프레스가 만든 대부분의 고속 이미지 센서에 사용된 픽셀의 모형도를 보여주고 있다. 이러한 형태의 이미지 센서에서 중요한 것은 Pipelined 글로벌 셔터의 특징이다. 모든 픽셀이 동시에 빛의 통합을 시작하고 끝내는 글로벌 셔터(Global Shutter)는 모든 픽셀에 대해 정확히 동일하게 잘 조절된 Motion Blur를 가지기 위한 고속 애플리케이션을 위해서는 아주 중요한 것이다.
이러한 글로벌 셔터는 Imager에 의해 고정된 고속 동작 장면을 가능하게 해 준다. 일반적인 고속 캡쳐의 순서는 그림 2(작은 총알이 성냥개비를 치는 장면)에서 볼 수 있다. 연결 특징은 픽셀 어레이의 정보 판독 시 다음 프레임을 위한 픽셀에서 빛의 통합이 진행 중이라는 것을 의미한다. 이는 곧 프레임 율이 통합 시간과는 독립적이라는 것을 보장하는 것이 필요하다.

가능한 가장 높은 감도를 얻기 위해 포토 전하를 모으고 이 전하를 전압으로 전환하는 포토 다이오드는 기생 커패시턴스를 최소화하기 위해 가능한 작게 설계할 필요가 있다. 이와 함께, 픽셀의 Fill Factor는 가능한 크게 할 필요가 있다. 작은 포토 다이오드와 큰 Fill Factor의 이러한 2가지 특징들은 N-well 픽셀 patent를 실행함으로써 달성된다.
높은 감도 외에 어떠한 Noise Con-tribution도 주지 않는 픽셀 스토리지 커패시터를 가지는 것 역시 중요하다. 이러한 픽셀 아키텍처는 정보 판독 시 픽셀 신호를 저장하는 것과 관련하여 아주 좋은 결과를 낳는다. 이 구조의 주요한 단점은 픽셀에서 고정된 형태의 Noise Correc-tion이 부족하다는 것으로 이미지 센서 바깥에서 수행되어야만 한다.

항상 더 빠른(Always Faster)

이미지 센서의 속도를 위한 메트릭은 제품의 선명도와 프레임 비율로 이들은 센서의 픽셀 비율을 가져다 준다. 아주 High-End의 고속 이미징 시장에서 이러한 메트릭은 결코 높을 수 없다. 이 시장에서 고객들은 Full 프레임 비율 달성을 요구하는 한 아주 복잡한 카메라를 기꺼이 만들고자 할 것이다. 그림 3은 전형적인 아주 고속의 애플리케이션(차량 충돌 테스트)의 이미지이다.

이러한 아주 빠른 속도는 카메라 시스템에 대한 통합 과제를 부과하고 있는 패러렐 아날로그 아웃풋(최고 128 아웃풋)을 이용함으로써만 달성된다. 이러한 형태의 Imager 아키텍처는 오히려 간단하다; 픽셀 어레이의 6T 픽셀.
ADC󰡑s, sequencers나 다른 on-chip 이미지 프로세싱은 이러한 칩에 제공되지 않는다. 이러한 아주 고속의 이미지 센서가 가지는 중요한 문제는 X-Direction에서의 󰡐Ghosting󰡑 문제로 이는 Chip Wide 아날로그 버스의 상대적으로 큰 RC 율로 인해 발생된다. 10비트 Accuracy 내에 정착하기 위해 버스상에서 신호가 오래 걸림으로써 이전 픽셀 정보 부분은 현재 픽셀상에 여전히 있을 수 있다.
이미지에서 이는 X-Direction의 Ghosting을 초래한다. 이러한 형태의 Ghosting은 이미지 포스트 프로세싱 동안 교정하기에는 어렵다. 싸이프레스는 버스가 새로운 모든 신호 이전에 짧게 사전 충전되는 이러한 형태의 이미지 센서를 위한 특별한 기술을 개발했으며, 이는 이전 픽셀에 대한 모든 정보가 파괴되었다는 것을 말한다. 싸이프레스의 이 기술은 짧은 Precharge Pulses의 생성을 필요로 한다. Pulses는 그라운드에 아날로그 버스를 짧게 하는데 사용된다.
대다수 이러한 Imagers는 고객들의 요구에 따라 주문형 제품으로 만들어 지며, 오늘날의 일반적인 제품처럼 이러한 형태의 아주 고속 Imagers에 대한 필요성은 별로 없다. 여러 해 동안 싸이프레스는 업계에서 가장 큰 고속 카메라 일부 제조업체들을 위해 이러한 초고속 Imagers을 만들어 왔다. 속도와 감도는 지난 몇 년 간 개선되었으며 이제 가장 빠른 제품은 초당 5.5Gpix의 데이터 처리량을 가지고 있는 제품이다. 그림 4는 일반적인 초고속 이미지 센서 아키텍처를 보여주고 있다.

항상 더 많은(Always More)

이전 섹션의 아주 복잡한(그리고 아주 큰) 카메라 시스템에 반하여, 고속 이미지 센서 구현을 위한 더 작고 간편한 것에 대한 시장의 수요 증가도 있다. 고속 Imagers는 스캐닝, 비전 시스템 및 홀로그래픽 데이터 스토리지와 같은 몇몇 소비자 중심적인 애플리케이션에서 사용되기 시작하고 있다. 그림 5는 일반적인 홀로그래픽 데이터 스토리지와 싸이프레스가 개발한 Imager가 사용된 것을 보여주고 있다.
이들 애플리케이션들은 이미지 센서를 보드 위에 두기 위한 많은 시스템 기능들을 필요로 한다. 이것이 바로 ADC󰡑s, 타이밍 발전기, 이미지 프로세싱 및 추가적인 Output Stages가 칩 상에서 구현되어야 하는 이유이다. 이러한 Imagers를 위한 특징을 구현하는 수준도 감도와 속도만큼이나 동일하게 중요하다.
대부분의 이러한 Imagers는 여전히 주문형 고속 카메라 설계를 단순화 하도록 도와주는 세세한 특징과 함께 하는 주문 요청으로 만들어 진다. 그림 6은 이러한 형태의 고속 Imager의 일반적 아키텍처를 보여주고 있다. 이들 Imagers는 보통 단 하나의 클록 인풋, 적은 파워 써플라이 및 일부 동기화 핀을 가지고 있다.

일반 고속 이미지 센서

시장에서 우리가 볼 수 있는 3번째 종류의 고속 이미지 센서는 일반 목적의 고속 이미지 센서 들이다. 이 일반 목적의 고속 이미지 센서는 머신 비전 카메라에서부터 충돌 테스트 검사는 물론 교통 모니터링, 과학의 동작 캡쳐에 이르기까지 다양하다.
첫 번째 일반 고속 이미지 센서는 패러렐 아날로그 아웃풋으로만 구성되며 보드 상의 로직은 없다. 그러나 최근 우리는 Imager가 많은 다른 애플리케이션(Mul-tiple Slope, Subsampling, Binning, Flipping, Mirroring, Gain, Offset…)에서 사용될 수 있다는 점을 확인하면서 칩 그 자체에서 구현되고 있는 많은 특징들을 보고 있다.
현재 싸이프레스는 VGA@250fps (LUPA300)에서 1.3MPxl at 1000fps (개발 중)에 이르기까지의 다양한 고속 Global Shutter 이미지 센서 제품들을 공급하고 있다. 이러한 모든 이미지 센서들은 Pipelined Snapshot 셔터 기능과 멀티플 슬로프 기능을 가지고 있다. On-Board의 특징은 센서마다 다르다. 이와 관련한 보다 자세한 내용은 싸이프레스의 웹사이트를 참조할 수 있다.(www. cypress.com)

결론

이 글은 오늘날의 서로 다른 시장에서 필요로 하는 다른 형태의 고속 이미지 센서를 개괄하여 보여주고 있다. 차이점은 업계에서 우리가 보는 다음 3가지 분야 사이에서 이루어졌다.

1. 초고속 이미징 : 아주 높은 프레임 율과 데이터 처리량을 가진 순수한 아날로그 이미지 센서 → 복잡한 카메라 설계 → 주로 주문형 설계
2. On-Board 특징을 가진 고속 이미징 : 이러한 이미지 센서는 많은 특수한 On-Board 특징을 가지며 이러한 특징들은 보다 소비자 중심적인 애플리케이션용으로 사용된 고속 카메라에서의 Imagers 설계에 도움을 준다. 이러한 특징들은 또한 고객의 요구에 따라 만들어지며, 그로 인해 이들 On-Board 특징을 가진 고속 이미징 제품들은 주로 주문형 설계이다.
3. 일반 고속 이미지 센서 : 이러한 이미지 센서는 보편적인 목적의 이미지 센서를 만드는 것 이상 으로 가장 일반적인 특징들을 가진 이미지 센서를 결합한 것이다. 이러한 이미지 센서는 싸이프레스의 제품 목록에서 찾을 수 있으며 이와 관련한 보다 자세한 내용들은 싸이프레스의 웹사이트에서 참조할 수 있다.(www.cypress.com)