냉각 CCD 입문 4


2. 냉각 카메라의 구조

2.1 CCD란?
*Charge Couple Device(전하 결합 소자)
*고체 촬상 디바이스=반도체 칩을 고체화시켰다란 의미.
*각 화소에 저장된 빛정보를 각 화소마다 신호를 결합하여 전송하는 구조를 가지는 이미지센서.
*구조<그림 2.1>
.재질: 가시광 촬상에는 실리콘(Si)을 주로 사용.
.맨 위쪽에 산화실리콘의 절연층과 그 아래에 각 화소마다 알루미늄 전극이 설치됨. 전극마다 각각의 배선 연결. 가정용 캠코드의 경우 6.4X4.8mm의 수광면에 40만개의 전극과 배선으로 연결되었을 정도로 복잡함.
.전극의 전압을 조정하여 받은 광량만큼 전자량으로 대치시켜 저장할 수있다.
.반도체 내부에는 자유전자가 없으나, 수광부에 빛이 닿으면 광자에너지에 의해 광전효과가 발생--->자유전자 발생.
.노출을 종료하면 반도체내의 전극 바로 아래에 축적된 전하가 모여진다. = 전위의 우물(potential well)  
.<그림2.1>에서 3개조의 전극(A,B,C)에 위상이 다른 펄스 전압을 걸면. 옆 전위의 우물에 깊이 차가 발생하고, 각화소마다 모여진 전자의 결합을 한덩어리의 전하로 깊은 우물 쪽으로 이동시킬 수가 있다. 이것을 반복하면서 옆전하들과 결합하면서 순차 동일 방향으로 전송됨.
.전송된 각 전하를 전기신호로서 출력하는 방법은 CCD의 구조에 따라 몇가지 방식으로 나눔.  

2.2 각종 전하 전송 방식
*CCD는 빛 정보로서 저장된 전하를 아날로그 신호로 전송하는 구조임.--->고속시 전송시도 전 화소의 데이터를 동시에 받을 수는 없음.--->신호감지 출구에서 멀리 있는 화소의 전하량은 전송중에 다른 이미지 정보가 들어가서 실제의 이미지가 다를 수 있음--->프레임 전송 방식의 연구가 필요.

2.2.1 프레임 전송 방식<그림 2.2>
*한 조의 CCD는 감광부, 다른 한조는 마스크된 축적부로 구성.
*노출이 종료되면 화면 수직 방향 전하의 배열은, 마스크된 같은 배열의 CCD에 한꺼번에 고속 전송됨.--->수평 전송부에서는 순차 전송. 이 때 감광부와 축적부는 다음 빛을 감지하여 축적.
*수광부의 면적을 크게할 수 있음--->개구율이 높다.
*고감도를 얻을 수 있음.
*게이트 전극(폴리실리콘 재질)을 통하여 빛이 들어오므로 단파장측의 감도가 불리.

2.2.2 인터라인 전송 방식<그림 2.3>
*각 화소마다 포토 다이오드 설치. 감광부+전송부 구조.
*수광 전하는 수직 전송부를 통하여 이동. 그 뒤는 프레임전송 방식과 동일.
*수직 전송부에서 포토 다이오드의 전하를 받는 방식을 변경할 수 있어 편리하고 전하들이 혼재될 염려가 없음.
*텔레비젼의 영상신호를 얻는 방식.
*수광면적이 줄어들므로 개구율 저하--->감도 저하.--->최근에는 각 화소에 렌즈를 넣어 집광력을 올림.

2.2.3 프레임 인터라인 전송 방식
*CCD 약점; 불루밍~밝은 빛을 받으면 그 화소에서 넘쳐난 전하들이 수직 방향의 다른 화소에 이동하여 화면의 종방향으로 띠 모양의 흐림이 생김.
*불루밍 현상 제거 목적으로 윗 방식 개발.
*노출 시간을 짧게 할 수 있음. 통상 1프레임1/30초이나 이 방식은 고속 셔트 가능(1/20000초까지 실용화)

2.2.4 XY어드레스 방식<그림 2.4>
*2차원의 수광면을 XY 직각 좌표로 배열하여 각각의 화소를 완전히 독립시킴. 전 좌표에 화소로부터 신호선을 연결.
*XY 좌표만 지정하면 전하신호를 알 수있음.
*MOS 트랜지스트가 사용되므로 ‘MOS형 고체 촬상 디바이스’라고도 불림.
*수광면 전체화상뿐만 아니라 부분적인 임의 범위도 화상화 시킬수 있음.
*불루밍이 현저히 감소
*노이즈가 많으므로 냉각 CCD 카메라에는 부적합