CCD 기초

Sensitivity(감도)의 정의는?  
  
기록매체의 성능 중 하나인 감도를 의미하며 값이 작을수록 "감도가 좋다"고 한다. 보통 Gain이 0인  
상태에서 센서를 포화(saturation)시키지 않고 센서 신호의 최고 값을 얻기 위해 필요한 광량으로 표시  
하며, 조도 단위인 lux 또는 foot-candle을 사용한다. 보통 카메라 특성에 따라 측정 때 사용된 렌즈의  
F-number 및 노출시간 등과 함께 사용되기도 하는데, 예를 들면 "0.4 lux at 10ms exposure time  
& F/1.0 of Nikon 50mm lens"로 표시가 가능하다.  


  
Dark Current Noise란?  
  
이상적으로 생각할 경우 광센서는 입사광이 전혀 없을 때 신호가 0이 되어야 하지만 실직적으로는  
센서의 내부에서 발생되는 열전자(Thermal Electrons 또는 Dard Current Electrons)에 의하여 일정한  
신호 값(암 전류, Dark Current 또는 Dark Charge)을 가지게 되는데 이를 잡음(Dark Current Noise  
또는 Dark Charge Noise)라 하며 검출할 수 있는 최소의 신호크기에 해당한다. 이 노이즈는 다이나믹  
영역(Dynamic Range)를 감소시키는 요인으로서 S/W적으로도 제거가 불가능한 센서의 고유한 값  
(고유특성)이며, 간혹 Backgroud Noise와 동일시 하는 경우도 있는데 사실은 완전히 다른 개념이다.  
CCD를 예로 들 경우, 이 신호의 크기는 1/60초 동안에 센서의 구조상 전자가 모아지는 영역  
(CCD Potential Well)에 모아진 열전자들의 양을 의미하며, Volts로 변환된 값이나 전자(Noise  
Equivalent Electrons)의 갯수(예:30 Electrons)로 표기되기도 한다.  
이 노이즈는 센서를 냉각시키거나 MPP, Binning 기술 등으로 줄일 수 있다.  


  
(Full) Well Capacity란?  
  
광센서의 경우 Blooming 없이 단일 양자우물(Single Potential Well)에 전자를 담을 수 있는 능력을  
의미하며, 단위로는 전자 갯수를 사용한다. CCD카메라의 경우 화소가 클수록 이 능력도 크기 때문에  
일반적으로 큰 화소를 채용하는 Slow Scan CCD가 Fast Scan CCD보다 큰 (Full) Well Capacity를  
갖는다.


  
Background Noise란?  
  
이 노이즈는 광센서로 어떤 대상체를 측정할 경우 대상체가 아닌 그 주변의 배경(Background)으로부터  
입력되는 광량에 의해 센서에서 발생되는 신호를 의미하며, 항상 Dark Current Noise에 비하여 큰 값을  
가지며 또한 그 값을 포함한다. 특정한 측정조건에서 대상체를 놓고 포집(Capture)한 센서의 신호에서  
같은 측정조건에서 대상체를 제외한 배경의 신호를 빼줌으로서 대상체로부터 발생된 순수한 신호를  
얻을 수 있다.  


  
SNR(Signal to Noise Ratio, 신호대 잡음비)이란?  
  
신호대 잡음(Dark Current Noise)의 비례값으로 광센서의 성능을 나타내는 용어이며, 단위로는 dB을
사용하는데 필히 센서의 감도(Sensitivity)와 함께 언급되어야 한다.  
계산공식은 "SNR(dB) = 20 x log(Signal/Noise)"이며 결과적으로 그 값이 커야 좋은 센서라고 말할 수  
있다. 최고 신호값이 1V인 아날로그 CCD카메라를 예로 들 경우, 1V의 영상신호를 얻기 위한 최소광량이  
0.5 lux이고 노이즈값이 0.001V이 경우, SNR(dB) = 20 x log(1/0.001) = 20 x log1000 = 60dB이 되므로  
실제표기는, " SNR(dB) = 60dB at 0.5 lux for full video signal(1V)"라고 해야 정확한 표기가 된다.  


  
Gain(이득 혹은 이득율)과 Sensitivity(감도), SNR과의 관계는?  
  
일반적으로 광센서가 감응하지 못하는 미약한 광량도 센서의 Gain을 높여주면 감응이 가능해져  
감도가 향상되는 것과 같은 효과를 가져와 유용하게 사용되기도 하지만, 이때 노이즈도 함께  
높아지므로 실직적으로 SNR은 더 나빠지는 결과를 초래하게 된다.  



DR(Dynamic Range)란?  
  
다이나믹 영역은 광센서로 측정 가능한 영역을 센서의 최소의 신호 값과 최대의 신호 값과의 비로  
나타낸 것으로 센서의 고유특성이며, 크기가 클수록 넓은 입력신호영역을 측정할 수 있는 좋은  
측정도구에 해당한다.
CCD카메라의 경우, 광량 또는 Dark Current Noise와 관계가 있는데 예로 들면 다음과 같다.  
CCD 센서의 Dark Current Noise에 해당하는 전자수가 5개, 그리고 Full Well Capacity에 해당하는  
전자수가 327,680개라고 할 경우 다이나믹 영역은 "327,680/5 = 65.536 또는 16 Bits"가 되며 이를 dB로  
나타낼 경우 다이나믹 영역(dB) = 20 x log65536 = 96.3 dB가 된다.  


  
광센서의 다이나믹 영역과 A/D 보드의 디지털 분해능과의 관계는?  
  
광센서의 다이나믹 영역은 센서 자체로서 측정 가능한 영역을 의미하며, A/D 보드의 디지털 분해능은  
보드에 입력되는 아날로그 신호를 몇단계의 디지털 신호로 변환할 수 있는지를 나타낸다.  
사용되는 단위가 Bits로서 같기 때문에 간혹 규격을 검토할 때 위의 두 파라미터를 혼돈하거나 혹은 같은
의미로 간주하는 경우가 있는데 이는 큰 잘못이며 정확하게 시스템의 규격을 표시하려면 사용되는  
센서 자체의 다이나믹 영역과 A/D 보드의 디지털 분해능을 함께 언급해야 한다. 아래의 예에서 보듯이  
보다 더 중요한 것은 센서의 다이나믹 영역이며, 이는 입력되는 광량에 비례하는 최초의 전기적 신호를  
발생시켜 주는 센서의 중요성을 일깨워주기도 한다.  
  
센서의
다이나믹 영역
(X Bits)  A/D 보드의
디지털 분해능
(Y Bits)  시스템 전체의
다이나믹 영역(Bits) 시스템의
성능활용도
X X < Y  Y Good
X Y(=X) X or Y  Best
X X > Y  Y Bad




출처:http://www.syncron.co.kr