CMOS 이미지 센서 - 픽셀 설계 기본 사항

이번에는 CISQ의 가장 중요한 부분인 픽셀에 대해 이야기해 봅시다!거의 모든 CIS 성능 지표는 궁극적으로 픽셀 디자인의 품질에 의해 결정된다고 할 수 있습니다.판독 회로의 설계가 이미지 센서의 성능 하한을 결정하고 픽셀 설계가 이미지 센서의 성능 상한을 결정합니다!
다음과 같은 많은 유형의 픽셀이 있습니다.
1. 가장 일반적으로 사용되는 가시광선은 3T, 4T, 5T 픽셀입니다.글로벌 셔터(GS, Global Shutter), 하이 다이내믹 레인지(HDR, HighDynamic Range) 등과 같은 더 많은 기능을 추가하려면 더 많은 트랜지스터를 추가해야 합니다.
2. X-ray는 Photon Counting의 CTIA 기반 픽셀에 사용됩니다.
3. 이벤트 센서용 DVS 픽셀;
4. 3D 이미징에 사용되는 SPAD 픽셀은 dToF(direct time-of-flight)로 자주 사용되며 iToF(indirect time-of-flight)의 복조 픽셀로 자주 사용됩니다.5. 또 다른 예는 적외선 직접 주입, CTIA 등, 볼로미터 저항 측정의 픽셀을 사용하는 것입니다.
6. 또한 TDI 픽셀, CCD 2/3/4-phase 픽셀 등이 있습니다.

큰 범주에는 수십 가지 유형의 픽셀이 있습니다.사람이 디자인한 픽셀을 모두 나열하면 수백, 수천 종류가 있을 수 있습니다.따라서 이 픽셀을 모두 입력하는 것은 불가능합니다.전 세계 CMOS 이미지 센서 Q(>95%)의 대다수는 가시광선의 2D 이미징을 기반으로 하므로 여기서는 3/4/5T 픽셀에만 초점을 맞춥니다.다른 회사에서 일할 기회가 있거나 전체 맞춤형 디자인을 할 기회가 있다면 더 흥미로운 것들과 연락하십시오

우선, 셔터라는 개념을 이해해 봅시다.셔터는 빛이 픽셀에 들어가는 방법과 양을 결정하며 이미지 품질도 결정합니다.셔터는 기계식 셔터(Mechanical Shutter)와 전자식 셔터(Electronic Shutter)로 나눌 수 있으며, 전자식 셔터는 롤링 셔터(Roling Shutter)와 글로벌 셔터(Global Shutter)로 나눌 수 있습니다.

기계식 셔터는 두 개의 셔터 블레이드로 구성됩니다.노출 전에 첫 번째 블레이드는 센서 전체를 덮은 다음 일반적으로 위에서 아래로 블레이드를 제거하고 노출이 시작된 후 두 번째 블레이드를 위에서 아래로 이동합니다., 전체 센서를 차단하고 노출이 종료됩니다.이 두 블레이드의 이동 속도는 매우 매우 빠르며 거의 35kmh에 이릅니다.따라서 35mm 풀프레임 카메라의 경우 블레이드를 통해 센서가 약 1/400초 안에 노출을 시작하거나 종료할 수 있으므로 모든 기계식 셔터가 "대략적인" 글로벌 셔터라고 할 수 있습니다.그렇다면 기계식 셔터는 어떻게 더 빠른 노출 시간을 달성할까요?이것은 상대적으로 "간단"합니다. 즉, 첫 번째 블레이드가 완전히 열리지 않을 때 두 번째 블레이드는 이미 차단하기 위해 아래로 이동하기 시작했습니다. 물론 이것에 대한 제한이 있습니다. 가장 빠른 것은 약 1/8000s입니다.더 빠른 속도를 원한다면 전자 셔터가 필요합니다.

아래 그림과 같이 전자식 셔터에서 롤링 셔터와 글로벌 셔터의 차이를 확인할 수 있습니다.롤링 셔터의 경우 각 픽셀 행의 노출 시간은 적어도 한 픽셀 행의 읽기 시간으로 구분됩니다.예를 들어 한 행을 읽는 데 10us가 걸리고 1000행의 픽셀이 있으면 첫 번째 행의 픽셀과 마지막 행의 픽셀 노출이 시작됩니다. 종료 시간은 약 10ms 떨어져 있으므로 스포츠 물리학을 촬영할 때 , 이미지가 크게 왜곡됩니다.이에 따라 글로벌 셔터는 모든 픽셀의 노출 시작 및 종료 시간이 동일함을 의미합니다.