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김정훈 2013. 11. 1. 00:50

 

 

이번엔 이미지 센서에 대해서 간단히 설명 드리겠습니다. 이미지 센서는 외부의 화상을 전기적 신호로 바꾸어 저장하는 것을 말합니다. 기존의 필름을 대신하여 이미지 센서가 외부의 화상을 저장하는 방식입니다.

우선 CCD형 이미지 센서와 CMOS형 이미지 센서에 대해서 간단히 비교하고, 이미지 센서의 역사를 간단히 살펴볼 것입니다. 그리고 이미지 센서의 동작을 간단히 알아보고, 이미지 센서에서 발생하는 몇 가지 에러에 대해서 알아보겠습니다.

 

 

우선 이미지 센서는 CCD형과 CMOS형으로 구분할 수 있습니다. CCD Charge Coupled Device의 약자로 전하결합소자를 이용한 것입니다. 또한 CIS CMOS Image Sensor의 약자로 상보성 금속산화물반도체를 이용한 것입니다.

 CCD는 전자 형태로 신호를 직접 전송하는 방식이고, CIS는 전압 형태로 신호가 전달됩니다. 전압의 형태로 신호가 전달되면, 전압 신호를 전달하는 과정에서 발생하거나 외부에서 유입된 잡음이 전압 신호와 섞여 들어갈 가능성이 크게 되죠. 따라서 전자 신호를 이용하는 CCD CIS보다 잡음에 강한 것 입니다..

 한 화소의 면적 중에 수광부가 차지하는 비율을 fill factor(개구율)이라고 하는데, 수광부의 면적이 클수록 동일한 입사광에 대해서 많은 빛을 받을 수 있기 때문에 수광부의 면적이 증가하면 생성되는 전자의 수도 많아지게 됩니다. , 신호로 사용되는 전자의 수가 많아져서 감도는 좋아지고, 잡음에 비해 신호의 크기가 커져 잡음에도 강하게 되는 것입니다. CIS는 전자를 전압으로 변형해줘야 하는 회로를 화소내에 가지고 있기 때문에 CCD에 비해 fill factor가 낮습니다. 이것은 CCD CIS보다 화질면에서 뛰어남을 설명해주기도 합니다.

 CCD CIS보다 높은 fill factor 특성을 가지고 있고, 전자를 신호로 하여 잡음에 강한면을 가지고 있지만, 현재 주로 사용되는 CMOS공정을 사용할 수 없고, 주변회로부분을 On Chip화 할 수 없기 때문에 제조비용이 높고, 집적도가 낮습니다. 또한 CCD는 다수의 전압을 이용하여 소비전력이 높습니다. 반면, CIS는 단일의 전압으로 회로를 구동시키고, CMOS를 사용하여 소비전력을 낮출 수 있습니다.

 

 

사실 이미지 센서는 MOS형 이미지 센서가 먼저 개발되었습니다. 1967 RCA사의 웨이머와 페어차일드사의 위클러 등이 MOS소자를 이용하여 최초의 이미지 센서를 개발하였습니다. 그 후 1970년 벨 연구소의 보일과 스미스가 CCD를 발명하게 됩니다. 1973 interline 방식의 CCD가 개발되었고, 1982 overflow drain 구조의 CCD가 개발되면서 CCD가 상용화하기 시작합니다. CMOS Image Sensor는 공정의 불균형에 의한 고정패턴 잡음과 전압에 의한 잡음으로 상용화 하지 못하였습니다. 따라서 CIS형태의 이미지 센서가 먼저 개발되었지만, CCD가 먼저 상용화에 성공하였고, 2000년대 초까지 이미지 센서의 시장을 장악했습니다. 1993년 JPL에서 CMOS APS를 개발하면서, CMOS Image Sensor의 감도는 높아질 수 있었고, CMOS 공정기술의 발달은 공정의 불균일을 해소해 줌에 의해 고정패턴 잡음을 줄였습니다. 이로 인해 90년대 후반 또는 2000년대 초반부터 휴대폰과 같은 휴대용 모바일 기기에 적용되면서 CMOS Image Sensor의 시장은 급속도로 커지게 되었습니다. 최근 공정기술의 발달과 다양한 시도로 인해 CMOS Image Sensor CCD급의 화질을 따라가고 있습니다.

 2009 10, CCD를 개발한 보일과 스미스는 노벨 물리학상을 받았습니다.

 

 

위 그림은 CMOS 이미지 센서와 이미지 센서내의 컬러 필터를 보여줍니다. 본 자료화면은 케논의 홈페이지에 나와있는 것들입니다.

 CMOS 이미지 센서는 왼쪽과 같은 모양으로 되어 있고, 오른쪽의 그림은 CMOS 이미지 센서내에서 컬러화면을 구현하기 위한 컬러필터를 보여줍니다 

 

 

이미지 센서의 기본 동작을 설명 드리겠습니다.

각 화소에는 하나의 포토다이오드와 여러 개의 트랜지스터로 구성되어있습니다. (주로 3~5개 정도의 트랜지스터를 사용합니다.) 외부의 빛이 마이크로 렌즈를 통해 포토다이오드에 입사되면, 포토다이오드에서는 광전 변화 과정이 일어납니다. , 빛에 노출된 포토다이오드는 전자들을 가지게 되는 것이죠. Transmission gate에 문이 열리게 되면, 포토다이오드에 있던 전자들 이동하게 됩니다. 이것이 신호가 되어 움직이게 되는 것이죠.

 

 

Transmission gate에 의해 움직인 신호는 몇 개의 transistor에 의해 순차적으로 움직이게 됩니다. 신호들은 최종적으로 화소 밖으로 나오게 되고, 역시 순차적으로 ADC(Analog to Digital Converter)로 이동하게 됩니다.

 

 

ADC로 모인 신호들은 ADC에서 디지털 신호로 변화게 됩니다. 이 각각의 변화된 신호들은 각각의 위치에 다시 모이게 됩니다. 이러한 과정을 통해서 외부의 화상이 디지털로 바뀌는 것입니다. 센서 내부의 시스템은 각 칼라의 농도를 조절하여 외부의 화상과 가장 가까운 화면으로 조절하게 됨으로써 디지털 이미지를 형성하게 됩니다.

 

 

 이미지 센서의 동작을 간단하게 알아보았는데, 이번에는 화질의 감도를 높일 수 있는 방법에 대해서 간단히 살펴보겠습니다. 왼쪽의 그림은 빛이 많을 때와 적을 때를 보여줍니다. 왼쪽의 그림처럼 빛의 양이 많으면, 포토다이오드는 전자가 많이 생겨나지만, 어두운 곳의 경우는 외부에서 입사되는 빛의 양이 적기 때문에 전자가 많이 생겨나지 못합니다. 따라서 어두운 곳에서는 촬영이 쉽지 않습니다. 외부의 빛이 적을 때는 가능한 한 많은 빛을 받아서 신호에 사용할 수 있는 전자들을 많이 생성해야 합니다. 동일한 크기의 화소에서 마이크로 렌즈의 크기가 커지면, 외부에서 들어오는 빛의 많은 양을 포토다이오드로 입사시키기 때문에 비교적 많은 신호전자들을 생성하게 됩니다. , 마이크로 렌즈의 면적을 넓이는 것도 이미지 센서의 감도향상에 큰 영향을 한다는 것을 알 수 있죠. 이 이외에 감도를 높이는 많은 방법들이 있지만, 추후에 논의 하기로 하겠습니다.

 

 

 다음은 이미지 센서에서 발생할 수 있는 다양한 에러 중 몇 가지를 살펴 보겠습니다.

 스미어 현상은 주로 CCD에서 발생하는 것입니다. CCD는 전자의 전송이 수직방향으로 주로 이루어지기 때문에 과도한 빛에 의해서 많은 전자들이 발생할 경우 이 전자들이 넘쳐흘러 수직방향으로 영향을 주기 때문에 발생하게 되는 현상입니다.

 블루밍은 사전적으로 꽃등이 피는 것을 말합니다. 아래 그림에서와 같이 밝은 빛 부분이 번진 것을 볼 수 있는데 이와 같은 현상을 블루밍 현상이라고 합니다. 이 역시 많은 신호전자들이 주변의 화소에 영향을 미치기 때문에 발생하는 것입니다.

 

 

다음은 암전류입니다. 암전류는 빛이 없이도 발생하는 것으로, 빛에 의해 발생하는 것이 아니라 온도의 변화와 같은 빛 이외의 현상들이 센서내부에서 전자를 형성하여 포토다이오드나 트랜지스터에 영향을 주는 잡음을 말합니다. 주로 온도에 의해 많이 발생합니다.

 혼색현상은 화소 내의 배선이나 빛의 입사각이 기울어졌을 때 발생하는 현상입니다. 마이크로 렌즈에 입사된 빛이 주변의 배선에 반사되어, 원하는 화소의 포토다이오드에 입사되지 않고, 옆의 포토다이오드에 입사되거나, 포토다이오드 옆에 입사되어 생성된 전자들이 확산에 의해 옆의 포토다이오드에 주입된 경우를 말합니다. CMOS Image Sensor에서는 이 현상이 화질에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 최근에 빛을 포토다이오드로 안내해주는 광통로 방식을 적용하기도 합니다.

 

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이상 이미지 센서에 대해서 간단히 설명드렸습니다.

많은 도움이 되셨으면 좋겠네요..

참고로 케논의 홈페이지에 동영상으로 된 자료가 있습니다. 설명도 잘 해 놓았구요..

처음 공부하시는 분들께 많은 도움이 되실거라고 생각이 되네요...

출처 : 21th vision
글쓴이 : Vincent 원글보기
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김정훈 2013. 5. 12. 02:41
  온도 센서 도체에 있어서 전기저항은 온도의 변화에 따라 변화한다.  이러한 특성을 이용,   단위온도 변화에 대한 저항 변동율을 안다면 변동되는 저항치 만으로 해당 온도를 측정할 수 있게 된다.  여기서 단위온도에 대한 저항 변동율은 온도계수라 하며, 온도 증가시 저항치가 증가하면 정의 온도계수 저항치가 ...
출처 : Mebius
글쓴이 : 역린 원글보기
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김정훈 2010. 4. 1. 01:42

1. X-선의 발견

 

 X-선은 1985년 독일의 물리학자 Roentgen(뢴트겐)에 의해서 발견되었다. X-선의 본질은

빛(光)을 위시해서 라디오파, ã-ray등과 함께 파장이 각기 다른 전자기파에 속한다.

X-선은 뢴트겐에 의해 발견된 후 물질의 내부를 밝히는데 있어 단순한 X-선의 투과력에

의한 10-1 cm 정도의 해상력(resolution)에 국한하는 'Radiography' 뿐만 아니라 원자구

조 수준의 Å(10-10 m) 정도의 물질의 내부구조를 밝히는데 이용될 수 있다는 소위 "Xray

diffraction(XRD)" 현상이 확립된 것은 독일의 Laue에 의한 X-선 회절실험이 성공한

이후이며 이것은 또한 X-선의 파동성과 결정내의 원자의 규칙적인 배열을 동시에 입증한

계기가 되기도 하였다.

 

 한편 Laue에 의한 X-선 회절실험결과를 같은 해 영국의 Bragg는 훌륭하게 이를 다시 다

른 각도에서 해석하였고 Laue가 사용했던 수식보다 더욱 간단한 수식으로 회절에 필요한

조건을 Bragg's Law로 나타내었으며 이 X-선 회절 현상을 이용하여 각종물질의 결정구조

를 밝히는 일에 성공하였다.

 

 

2.X-선의 발생 및 성질

 

 X-선은 고속의 전자가 무거운 원소의 원자에 충돌할 때 발생한다. 가열된 음극 filament로

부터 나온 열전자는 양극표적을 향해서 가속된다. 이때 전자의 종속도 는 전자가 얻은 운동

에너지가 전기장에 의해서 전자에 한 일 eV와 같다고 놓음으로써 계산할 수 있다.

이 전자의 운동에너지는 충돌 시 대부분 열로 전환되어지며 단지 1 % 미만의 에너지만이

X-선을 발생시키는데 이용된다. 양극의 역할을 하는 Target Material(표적)로는 보통 Cr,

Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W등이 사용된다. 표적에 도달한 고속의 전자는 원자핵의 coulomb장

에 의해서 강하게 굴곡되어 저지당한다. 이 때 전자의 운동에너지 중 일부가 전자기파의

형으로 방사하는데 이것이 X-선이다. 이 X-선은 보통 연속적인 파장을 가지고 있기 때문

에 연속 X-선 혹은 제동 X-선(bremsstrahlung)이라 한다. 한편 운동에너지의 일부는 표적

원자의 궤도전자를 쫓아내든지 아니면 높은 준위로 들뜨게 함으로써 에너지를 잃는다. 이

때도 높은 궤도로부터 낮은 궤도로 전자가 떨어지면서 X-선이 방사되는데, 이 X-선은 궤

도간의 에너지차에 의해 주어지는 특정한 파장을 가진다. 그러므로 이 X-ray를 특성 X-선

이라 부른다.

 

 만일 하나의 전자가 coulomb힘에 의해서 완전히 저지되어 그의 운동에너지 E가 하나의 x

광자로 변한다면 그 X-선은 최대의 에너지를 가질 것이다. 보통 연속 X-선과 특성 X-선은

그림에서와 같이 함께 나타난다. 특성 X-선은 전자 궤도간의 에너지 차에 관계되는 것으로,

그 파장은 표적으로 사용된 원소에 특유하며 X-선관에 걸어준 전압과는 관계없다.

                                       

 

                                      

 

 

 

 특성 X-선의 스펙트럼은 파장이 짧은 쪽으로부터 K, L, M등의 계열이 있다. 특성 X-선의

발생기구는 다음과 같다.

 

 

                                         

 

 고속전자가 원자에 충돌하면, 핵에 가까운 내측각의 전자가 튕겨나가 빈자리를 만들고, 이

궤도에 외측의 각을 차지하고 있던 전자가 떨어져 채워진다. 에너지가 높은 궤도에서 낯은

궤도로 천이한 전자는 이 에너지 차이를 전자기파로 방사하고, 이것이 특성 X-선이 된다.

외측 각의 전자가 K각으로 천이할 때에 방사되는 X-선이 K계열의 스펙트럼을 만든다. 같

은 방법으로, L계열, M계열로 계속되고, 이 순서로 파장이 길어진다. K각의 빈자리가 L각

으로부터의 전자에 의해 채워져 생기는 X-선을 Ká선, M각의 전자에 의해 재워져 생기는

X-선을 Kâ선이라고 말한다. Kâ선은 Ká선보다 파장이 조금 짧다. 또, L각은 LⅠ, LⅡ, LⅢ,

M각은 MⅠ, MⅡ, MⅢ, MⅣ, MⅤ 이라고 하는 미세 에너지 준위를 갖고 있다. Ká선은

Ká1, Ká2의 이중선으로 구성되어 있으나, Ká1은 LⅢ각에서의 천이, Ká2는 LⅡ각에서의 천

이에 의해 생긴다.

 

 

3.X-선 회절실험의 특징

 

1. 시료에 대한 제한이 적고, 시료를 파괴함이 없이 측정가능하고 측정시간 은 수

십분 정도이다. 시료는 금속, 합금, 무기화합물, 암석광물, 유기화합 물, 폴리머, 생체재료 등

무엇이든 가능하고, 결정질 및 비정질재료 모두 측정가능하고, 분말시료든지

판상, 액체, 리본, thin film시편에 대해서도 측정 가능하다.

 

2. 물질의 정성분석 가능 :물질의 결정구조와 화합형태가 다르면 회절패턴의 형태가 변화한

다. 따라서 표준물질의 데이터 파일과 대조해서(JCPDS card이용) 물질을 구별할 수 있다.

 

3. 격자상수를 정밀하게 구함 : 결정의 면간격 d (Å)를 정확히 측정하는 일이 가능하고 구

조를 미리 알고 있으면 격자상수를 정밀하게 구할 수 있다.

 

4. 미소결정의 크기를 구할 수 있다.회절선의 폭을 측정해서 평균 입자크기가 50-200 Å인

미소 결정의 크기를 구할 수 있다.

 

5. 결정성의 좋고 나쁨을 조사할 수 있다. 비결정성 재료는 무정형의 회절패턴을 나타낸다.

 

6. 결정의 배향성을 조사할 수 있다.

 

7. 결정내부의 변형을 측정할 수 있다.

 

8. 혼합물과 화합물을 쉽게 구별 : 혼합물의 회절패턴은 시료를 구성하고 있는 각 화합물의

회절패턴을 중첩시킨 것으로 나타난다. 예를 들어, BaCo3와 TiO2의 혼합물의 회절패턴과

그것을 가열해서 얻어지는 BaTiO3의 회절패턴과는 완전히 달라서, 각 성 분을 쉽게 구별

할 수 있다.

 

9. 고용에 의한 격자의 팽챙 및 수축정도를 알아낼 수 있다. 격자상수를 정밀하게 측정함으

로써 알아낼 수 있으며, 고온에서 측정하면 열팽창 값을 구할 수 있다.

 

10. 회절선의 강도를 측정해서 각 성분의 정량분석을 할 수 있다. 미량으로 들어 있는 물질

의 검출은 곤란하며, 비정질의 경우는 더욱 어렵 다. 또 시료가 배향되어 있는 경우에는 오

차가 크다.

 

11. 결정구조 해석이 용이 : 개략적인 구조를 알고 있는 경우는 이 회절 패턴을 정밀하게 측

정해서 결정구조를 해석하는 일이 가능하다.

 

12. 실험조작 용이 : 실험조작이 용이해서 초보자라도 간단하게 회절패턴을 얻을 수 있다.

출처 : 공돌이 놀이터
글쓴이 : 김득한 원글보기
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