CMOS 이미지 센서는 다양한 애플리케이션에서 활용되는 주요 촬영 기술입니다. 그러나 그 성능을 제한하는 요인 중 하나가 바로 “노이즈”입니다. 본 기사에서는 CMOS 이미지 센서에서 발생하는 주요 노이즈(시간적 랜덤 노이즈, 고정 패턴 노이즈, 읽기 노이즈)에 대해 자세히 설명하고, 각각의 발생 메커니즘과 저감 방법을 소개합니다.
시간적 랜덤 노이즈(Temporal Random Noise)
개요
시간적 랜덤 노이즈는 프레임 간 랜덤하게 변동하는 노이즈로, 일정한 광 조건에서도 화소 출력이 변화하는 원인이 됩니다. 이 노이즈는 주로 다음과 같은 요인으로 발생합니다:
- 포톤 샷 노이즈
- 다크 커런트 샷 노이즈
- 열 잡음(열 여기 전자로 인한 노이즈)
- 1/f 노이즈(저주파 노이즈)
주요 노이즈 요소
포톤 샷 노이즈
광자가 랜덤하게 도달함으로 인해 발생하는 통계적 변동입니다. 조명 조건에 비례하여 증가하며, 기본적으로 제거가 불가능한 물리적 한계 노이즈입니다.
다크 커런트 샷 노이즈
빛이 없어도 열에너지에 의해 전자가 생성되는 현상입니다. 온도가 상승할수록 급격히 증가합니다.
열 잡음
증폭 회로 및 읽기 회로 내에서 저항의 열 진동으로 인해 발생하는 노이즈입니다. 고주파 성분을 포함합니다.
저감 방법
- 냉각 기술: 특히 다크 커런트 샷 노이즈에 효과적이며, 센서 온도를 낮춤으로써 크게 감소시킬 수 있습니다.
- 상관 이중 샘플링(CDS): 리셋 노이즈와 함께 열 잡음을 효과적으로 제거합니다.
- 다중 샘플링: 시간 평균화를 통해 노이즈를 억제합니다.
고정 패턴 노이즈(Fixed Pattern Noise, FPN)
개요
고정 패턴 노이즈는 특정 화소나 열(Column)에서 일정하게 나타나는 출력 편차입니다. 프레임 간 변동하지 않기 때문에 눈에 띄기 쉬우며, 이미지 전체에 줄무늬(Banding)나 얼룩(Blotch) 형태로 나타날 수 있습니다.
발생 원인
- 화소 간 불균일성
- CMOS 제조 공정에서의 화소 간 트랜지스터 특성 차이 (임계 전압 및 이득(Gain) 차이)
- 열(Column) 읽기 회로의 미스매치(Mismatch)
- 다크 커런트의 불균일성
저감 방법
- 오프셋 보정: 오프라인 또는 실시간 보정을 통해 각 화소나 열(Column)의 오프셋을 보정합니다.
- 디지털 신호 처리: 이미지 처리 기법을 활용하여 FPN을 감소시킵니다 (예: 블랙 레벨 보정).
- 제조 공정 최적화: 트랜지스터 특성의 균일화 및 다크 커런트 저감 기술을 적용합니다.
읽기 노이즈(Read Noise)
개요
읽기 노이즈는 CMOS 센서의 신호 읽기 과정에서 발생하는 노이즈입니다. 이는 센서 성능의 한계를 결정하는 중요한 요소이며, 특히 저조도 환경에서 S/N 비(Signal-to-Noise Ratio)에 큰 영향을 미칩니다.
발생 원인
- 소스 폴로워(Source Follower) 앰프의 노이즈: 각 화소의 출력을 증폭하는 소스 폴로워에서 발생하는 열 잡음 및 1/f 노이즈
- 열 병렬 회로(Column Parallel Circuit) 노이즈: 스위칭 커패시터(SC) 회로 및 ADC의 양자화 오류 포함
- 버퍼 회로 노이즈: 센서 출력 단계에서 증폭 과정 중 추가되는 노이즈
저감 방법
- 고이득 앰프 사용: 신호를 증폭하여 노이즈의 상대적 영향을 줄임
- 고정밀 ADC: 양자화 오류를 줄여 데이터의 정밀도를 향상
- 아날로그 CDS(상관 이중 샘플링): 리셋 노이즈 및 저주파 노이즈를 감소시키는 회로 설계 적용
요약
CMOS 이미지 센서의 노이즈는 성능 향상을 저해하는 중요한 요인입니다. 그러나 다음과 같은 방법을 활용하면 효과적으로 저감할 수 있습니다:
- 냉각 및 샘플링 기술 도입
- 신호 처리 최적화
- 회로 설계 개선
이를 통해 시간적 랜덤 노이즈, 고정 패턴 노이즈, 읽기 노이즈를 효과적으로 감소시켜 CMOS 이미지 센서의 성능을 극대화할 수 있습니다.が可能になります。
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