CV: Image Sensors - CCD vs. CMOS

https://www.gatan.com/techniques/imaging

 

CCD와 CMOS는 대표적인 광센서이며, 

TFT의 경우 그 자체는 광센서는 아니지만 Flat Panel Detector에서 a-Si Photodiode와 결합하여 Passive Pixel Sensor(PPS) 구조의 광센서를 구성

2025.09.13 - [Programming/DIP] - Thin Film Transistor Array (TFT)

Thin Film Transistor Array (TFT)

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CCD (Charged Coupled Device)

빛을 전기적 신호로 바꿔주는 소자.

 

높은 전력소모(전하 이동을 위해 필요한 고전압때문) 및 촬영속도(순차적 read-out), 복잡한 제조공정(표준 반도체 공정과 차이) 등에서 CMOS 대비 불리한 편으로 CMOS로 대체되고 있는 추세임.

CCD 센서는 모든 픽셀에서 동시에 전하를 생성한 후, 이를 순차적으로 이동시켜 출력됨.

• 전하가 한 줄씩 이동하면서
• 최종적으로 센서의 가장자리에서 증폭되고 디지털 신호로 변환(A/D converter)되는 방식.
• 모든 pixels가 동일 amplifier와 capacitor, A/D converter 를 공유.

이 동작 방식은 "글로벌 셔터(Global Shutter)" 특성 - 모든 픽셀이 동시에 노출을 시작하고 종료하는 방식으로, 빠르게 움직이는 피사체도 왜곡 없이 정확하게 촬영할 수 있음 - 을 가지기 때문에 전체 이미지를 동시에 캡처하여 움직임 왜곡이 적음.

CCD의 경우,

• 100% fill factor(dead space를 없앨 수 있음)가 가능하고
• read-out noise가 CMOS 대비 낮은 편 (AD Converter가 하나임.)
• 이 때문에 역사적으로 CCD보다 high quality image(w/ low noise)를 보다 저렴하게 구현 가능했음
  (최근엔 CMOS기술 발달로 꼭 그렇다고 애기하기 어려움)

쉽게 말한다면 촬영속도가 느려도 되면서 affordable price로 high quality image를 얻는 분야는 CCD가 유리함.

또한 실리콘 웨이퍼를 이용해 제조(웨이퍼보다 커질 수 없음)되므로 field of view의 제한이 큼 (이는 CMOS역시 마찬가지임)

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참고: 촬영속도가 느린 이유

CCD의 글로벌 셔터(Global Shutter)는 모든 픽셀이 동시에 노출을 시작하고 종료하기 때문에 움직임 왜곡이 적다는 장점을 가짐.
그러나 이는 단일 순간 장면을 촬영할 때의 이점일 뿐이며, 연속적으로 빠른 촬영 성능과는 직접적인 관련이 없음.

 

• CCD의 촬영속도가 CMOS 대비 느린 편으로 데이터 처리 방식 때문임.
• CCD 센서는 모든 픽셀에서 동시에 전하를 생성한 후, 이를 순차적으로 이동시켜 출력하는 방식을 사용함.
• 이는 전하가 한 줄씩 이동하면서 최종적으로 센서의 가장자리에서 증폭되고 디지털 신호로 변환되는 구조임.
• 때문에 모든 픽셀이 하나의 증폭기와 아날로그-디지털 변환기를 공유하며 전체 이미지 데이터를 순차적으로 처리해야 하므로 읽기 속도가 느려짐.

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주요 distortion: Bloomimg and Smearing

http://teci.tistory.com/4

 

• 헤드라이트에 보이는 주황색 원 : Blooming 현상.
• 헤드라이트 아래에 줄모양 : Smearing 현상.

Blooming :

• CCD의 각 픽셀마다 존재하는 photodiode는 대부분 수직 방향으로 모두 연결되어 있는데,
• 한 픽셀이 너무 많은 빛을 받으면 해당 photodiode에 전자가 과도하게 쌓여 주변 픽셀로 넘쳐 버림.

Smearing :

• blooming 현상이 일어난 전자는 수평 방향보다는
• 주로 서로 연결되어 있는 수직 방향(vertical transfer과정 중)으로 넘치게 되어 수직 방향의 밝은 선으로 나타남.

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CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)

2024년 현재 visible photon 의 검출 분야에서
CCD를 넘어서서 가장 많이 쓰이는 기술.

2024.10.09 - [Programming/DIP] - [CV] Image Sensor 크기 (CMOS기준)

[CV] Image Sensor 크기 (CMOS기준)

 

CMOS 센서는

1. 빛을 받아 각 pixel 에서 전하를 생성(photodiode)한 후,
2. 이를 증폭)하여 디지털 신호로 변환하는 과정을 거침.
3. 이 과정이 각 픽셀에서 개별적으로 이루어짐.
4. 때문에 빠른 읽기 속도가 가능.
5. 또한 실리콘 웨이퍼에서 제조되는 집접형 반도체이며 낮은 전력 소비가 특징
   (pixel별로 amplifier와 capacitor가 존재).

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-cmos-image-sensors/

 

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CCD대비 단점과 장점

단점

• 각 pixel마다 회로가 포함되어 있어 dead space가 존재 (CCD 수준으로 개선됨)
• pixel 간 noise·sensitivity 편차가 발생 (CCD 수준으로 개선됨)
• pixel별 readout-noise가 상대적으로 큼 (CCD 수준으로 개선됨)
• line 단위 read-out 구조 사용
• 실리콘 웨이퍼 기반 제조로 크기 한계 존재 → field of view가 제한됨

장점

• 전력 소모 적고 단가가 낮음
• 반응 속도 및 고속 처리(high frame rates)가 우수함
• pixel 내부에 회로가 내장되어 고집적화 용이 : 하나의 chip으로 패키징이 일반적
• 반도체 IC 공정과 동일한 제조 공정 사용 : 반도체 기술 발전을 그대로 공유 가능
• 공정·microlens 기술 발전으로 CCD와의 성능 격차 대부분 해소됨
• 대량 생산이 쉽고 고해상도 센서 제작에 유리:  많은 pixel을 가진 센서를 낮은 비용으로 제작 가능

 

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참고: CMOS에서 Read-out

기술적으로는 CMOS 이미지 센서에서 각 픽셀별로 독립적인 read-out이 가능.

• CMOS의 주요 특징 중 하나는 각 픽셀마다 자체 증폭기와 변환 회로가 있어 개별적으로 처리가 가능하다는 점임.

다만, 실제 구현에서는 효율성을 위해 일반적으로 한 라인(행) 단위로 read-out이 이루어지는 경우가 대다수임.

• 이는 데이터 처리 속도와 전력 소비 간의 균형을 맞추기 위한 설계적 선택임.
• 모든 픽셀을 완전히 개별적으로 처리하면 회로가 복잡해지고 전력 소모 증가로 이어지는 단점을 가짐.
• 단, 이같은 라인 단위 read-out 방식은 CMOS의 rolling shutter 효과와도 관련이 있음.

하지만 최신 CMOS 기술에서는 global shutter를 구현하여 CCD와 같이 모든 픽셀을 동시에 노출시키는 방식도 가능해진 상태임

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주요 distortions: Rolling Shutter, Fixed-Pattern Noise, Blooming

Rolling Shutter

CMOS는 CCD와 달리 line 별로 읽어들이는데 해당 read out 속도보다 더 빠르게 움직이는 피사체 또는 카메라 움직임이 있을 경우, 다른 시점의 촬영정보로 인해 피사체가 비틀어지거나 늘어지게 보이게 됨: global shutter를 사용하는 CMOS와의 차이점.

Fixed-Pattern Noise, FPN

pixel간의 response가 달라서 발생하는 줄무늬 또는 격자 패턴의 노이즈임.

Blooming

CCD보다는 덜 하지만, CMOS 역시 한 pixel이 수용가능한 전하량 이상이 발생할 경우 인접 pixel로의 유출이 되기 때문에 Blooming이 발생가능함.

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참고자료:

2024.09.01 - [Programming/DIP] - [CV] 공간해상도로 본 광센서와 디스플레이 디바이스 발전사

[CV] 공간해상도로 본 광센서와 디스플레이 디바이스 발전사

https://youtu.be/nsPvcX-_4KU?si=BcFin5sl4SuyY5S2

 

Photodiode

[물리학1] 다이오드(5) 광 다이오드(Photo Diode, PD)

 

CCD vs CMOS

https://youtu.be/FKJFIzDfUNE?si=2RdEzFRjhnmQSvrW

 

https://youtu.be/FKJFIzDfUNE?si=2RdEzFRjhnmQSvr

 

http://spiff.rit.edu/classes/ast613/lectures/ccds_kids/ccds_kids.html

CCDs, CMOS, and KIDS

 

Microscopy관점에서

https://youtu.be/8WpCov8iYCU?si=HMRx_7EJDWJsXI1i

 

https://youtu.be/hzhhGHxP-Jc?si=mStKgzLuRuxltZw6