CCD와 CMOS 이미지센서의 차이점

CCD 및 CMOS 센서는 디지털 카메라, 캠코더, 카메라 폰, 천체 사진, 방사선 촬영 및 웹캠에서 광범위한 응용 분야를 찾는 현대 사용에서 널리 사용되는 감광 센서 유형으로 두드러집니다. 둘 다 널리 사용되지만 구조, 성능 및 기술 측면에서 차이점을 나타냅니다.

 

CCD는 "Charge-Coupled Device", CMOS는 "Complementary Metal-Oxide-Semiconductor"의 약자입니다. 둘 다 디지털 카메라 및 기타 이미징 장치에 사용되는 이미지 센서 유형입니다.

 

1. CCD와 CMOS란?

CCD(Charge-Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)는 카메라와 이미징 장치에서 볼 수 있는 두 가지 유형의 이미지 센서입니다. CCD는 LSI 제조 공정을 사용하고, CMOS는 CMOS LSI 제조 공정을 기반으로 하는 등 제조 공정이 다릅니다.

 

CCD의 경우 픽셀 전하 패킷을 시프트 레지스터로 순차적으로 이동해야 하는 반면 CMOS는 각 픽셀의 신호를 직접 읽습니다. CCD는 빛에서 생성된 전하를 한 픽셀에서 다른 픽셀로 전달하여 출력 노드에서 전압으로 변환합니다. 반면에 CMOS 이미저는 각 픽셀에 여러 트랜지스터를 사용하여 각 픽셀 내의 전하를 전압으로 변환합니다.

 

1) CCD 및 CMOS 센서 기술

CCD 생산 기술은 잘 정립되어 있으며 PN 구조 또는 이산화규소 절연층을 사용하여 노이즈를 차단합니다. 이러한 성숙도는 CMOS에 비해 특정 이점을 가진 CCD의 이미징 품질에 기여합니다. CCD에서 픽셀의 각 행은 신호 처리를 위한 "증폭기"를 공유하는 반면 CMOS에는 각 픽셀에 대해 별도의 증폭기가 있습니다.

 

또한 CMOS는 복잡한 회로를 통합하기 위한 공간을 할당하기 때문에 CCD의 감광성 영역은 일반적으로 동일한 크기의 CMOS보다 큽니다. 결과적으로 CCD는 CMOS에 비해 더 나은 이미지 품질을 제공하는 경향이 있습니다.

 

 

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2) CCD(전하 결합 소자)

CCD(Charge-Coupled Device)는 커플링을 활용하여 신호를 전송하는 감지 소자로, 광 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있는 반도체 부품 역할을 합니다.

 

 

 

CCD의 구조에는 마이크로 렌즈와 컬러 필터가 포함되며, 표면에 감광성 구성 요소가 전하를 저장할 수 있는 매트릭스로 배열되어 있음으로써 구별됩니다. 빛이 표면과 상호 작용할 때 이러한 구성 요소에서 발생하는 전하 반응은 집합적으로 전체 CCD에 걸쳐 완전한 그림을 형성합니다.

 

 

 

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마이크로 렌즈는 CCD의 첫 번째 층을 구성합니다. 집광 효율을 높이려면 단일 픽셀의 수광 영역을 확장해야 합니다. 그러나 집광 속도를 높이는 방법은 잠재적으로 이미지 품질을 손상시킬 수 있습니다. 안경 한 쌍을 추가하는 것과 같은 "마이크로 렌즈" 기능 층을 도입하여 센서의 개방이 아닌 마이크로 렌즈의 표면적에 의해 감광 영역을 결정합니다.

 

컬러 필터는 RGGB와 RGBW의 두 가지 기본 색상 분리 방법을 사용하여 CCD의 두 번째 레이어를 형성합니다. RGGB 방법은 적색 점 1개, 녹색 점 2개, 청색 점 1개를 포함하며, 이는 녹색에 대한 인간 망막의 높은 민감성을 반영합니다.

 

한편, RGBW 기술은 원래 RGB 3원색에 흰색 픽셀을 추가하여 4색 픽셀 디자인을 만듭니다. 이렇게 하면 이미지 품질이 저하될 수 있지만 저조도 조건에서 더 나은 성능을 발휘합니다. 특히 화웨이(Huawei)와 아너(Honor)의 RYYB 계약과 같은 최근의 발전은 혁신적인 대안을 제시하고 있다.

 

RGGB 

 

RGBW 

 

CCD의 세 번째 층을 구성하는 감광층은 주로 컬러 필터를 통과하는 빛을 전기 신호로 변환하는 역할을 합니다. 그런 다음 이 신호는 ISP(Image Signal Processor)로 전송되어 이미지를 재구성합니다. 

 

 

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3) CMOS(상보적 금속 산화물 반도체)

CMOS는 다양한 응용 분야를 가진 반도체 기술의 일종입니다. 원래 컴퓨터 마더보드에 BIOS 설정을 저장하는 데 사용되던 CMOS는 발전하여 현재 디지털 이미징 영역에서 두드러진 기능을 하고 있습니다.

 

CMOS 제조 공정은 이미징 장치의 감광성 요소를 변환하는 데 중요한 역할을 합니다. 그것은 순수한 논리 연산에서의 전통적인 역할에서 외부 빛을 받아 전기 에너지로 변환하는 것으로 전환됩니다. 결과 이미지 신호는 칩 내의 아날로그-디지털 변환기(A/D)를 통해 변환되어 수치 데이터를 생성합니다.

 

 

 

시장에 나와 있는 CMOS 센서는 전면 조사(FSI), 후면 조사(BSI) 및 적층(스택)의 세 가지 구조로 분류됩니다. 일반적인 CMOS 구성에서 구성 요소에는 마이크로 렌즈, 컬러 필터, 금속 케이블, 광 다이오드 및 기판이 포함됩니다.

 

전면 조명(FSI) 기술에서는 빛이 전면의 금속 케이블 사이로 들어가 광 다이오드에 초점을 맞춥니다. 그러나 이러한 접근 방식은 금속 케이블 층에 의한 빛 반사를 초래할 수 있으며, 이로 인해 광 다이오드에 의한 빛 흡수가 감소하고 인접 픽셀과의 누화로 인해 잠재적인 색상 왜곡이 발생할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

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반면에 이면조사(BSI) 기술은 빛이 금속 배선 층을 통과할 필요 없이 픽셀을 구성합니다. 이 설계는 빛이 최소한의 방해와 간섭으로 광 다이오드에 도달할 수 있도록 하여 입사광을 매우 효율적으로 활용할 수 있습니다.

 

 

 

SONY의 Exmor RS 제품에 처음 적용된 스택(Stack) 구조는 픽셀과 회로 영역을 분리합니다. 이를 통해 높은 이미지 품질을 위한 픽셀 부분과 성능 향상을 위한 회로 부분을 독립적으로 최적화할 수 있습니다. 스택 구조는 이면조사형의 장점을 계승하는 동시에 생산 한계와 결함을 극복합니다.

 

 

 

 

 

처리 회로가 발전함에 따라 CMOS 센서가 장착된 카메라는 하드웨어 HDR 및 슬로우 모션 촬영과 같은 추가 기능을 제공할 수 있습니다. 픽셀 및 회로 영역의 독립적인 최적화를 통해 기능이나 성능의 저하 없이 더 작은 카메라 크기를 사용할 수 있습니다. 또한 픽셀 영역(CMOS 크기)을 늘릴 수 있는 유연성으로 인해 더 많거나 더 큰 픽셀을 심을 수 있어 이미지 품질 향상에 기여합니다.

 

 

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2. CCD와 CMOS의 차이점

CCD와 CMOS 센서의 주요 차이점은 각 픽셀을 처리하는 방식에 있습니다. CCD에서 빛으로 생성된 전하는 한 픽셀에서 다른 픽셀로 이동한 다음 출력 노드에서 전압으로 변환됩니다. 반면에 CMOS 이미저는 각 픽셀에 여러 트랜지스터를 사용하여 각 픽셀 내의 전하를 전압으로 변환하며, 와이어를 사용하여 전하를 증폭 및 이동시키는 보다 전통적인 접근 방식을 사용합니다.

 

 

 

CCD 픽셀에 의해 생성된 전하는 처음에 수직 레지스터에 저장된 다음 행별로 수평 레지스터로 전송되어야 합니다. 마지막으로 각 픽셀의 전하를 개별적으로 측정하고 출력 신호를 증폭합니다. 대조적으로, CMOS 센서는 각 픽셀에서 전압을 생성할 수 있으므로 금속 라인을 통해 출력을 위해 증폭기로 더 빠르게 전송할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

CCD는 빛에서 생성된 전하를 한 픽셀에서 다른 픽셀로 이동시켜 출력 노드에서 전압으로 변환합니다. 대조적으로, CMOS 이미저는 각 픽셀에 여러 트랜지스터를 사용하여 각 픽셀 내의 전하를 전압으로 변환하며, 와이어를 사용하여 전하를 증폭하고 이동시키는 보다 전통적인 접근 방식을 사용합니다.

 

 

 

 

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1) 이미지 품질

 

CCD 전하 커플러 생산 기술은 오랜 성숙한 역사를 가지고 있습니다. PN 접합 또는 이산화규소(SiO2) 절연층을 사용하여 노이즈를 효과적으로 분리하여 CMOS 광전 센서에 비해 이미징 품질에서 특정 이점을 제공합니다. CMOS 광전 센서는 높은 집적 수준으로 인해 광전 감지 소자와 회로를 밀접하게 배치했습니다.

 

이러한 근접성은 상당한 광학적, 전기적, 자기적 간섭을 일으켜 이미지 품질에 부정적인 영향을 미치는 상당한 노이즈를 발생시킵니다. 이러한 간섭은 역사적으로 CMOS 광전 센서의 유용성을 제한해 왔습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 CMOS 회로 노이즈 감소 기술의 지속적인 발전이 목격되어 고밀도 및 고품질 CMOS 이미지 센서 생산에 유리한 조건이 조성되었습니다.

 

2) ISO 감도

CMOS 감도는 4개의 트랜지스터, 감광성 다이오드, 증폭기 및 디지털-아날로그 변환 회로로 구성된 각 CMOS 픽셀의 복잡성으로 인해 CCD보다 낮습니다.

 

3) 해상도

CMOS 픽셀의 복잡성으로 인해 CCD 센서의 픽셀 크기를 달성하는 것이 어렵기 때문에 동일한 크기의 CCD 센서에 대한 해상도가 향상됩니다.

 

4) 잡음

CMOS 센서는 각 감광성 다이오드에 대해 여러 증폭기가 필요하기 때문에 CCD 센서에 비해 잡음 수준이 더 높은 경향이 있습니다.

 

5) 전력 소비

CMOS는 능동 이미지 획득으로 작동하여 감광성 다이오드에서 생성된 전하를 직접 증폭 및 출력합니다. 대조적으로, CCD는 수동 획득에 의존하므로 전하가 외부의 전송 채널로 이동해야 합니다. CMOS의 전력 소비는 CCD에 비해 현저히 낮습니다(1/8 - 1/10).

 

6) 비용

CMOS 센서는 반도체 회로에 공통 CMOS 프로세스를 사용하여 주변 회로를 센서에 쉽게 통합하여 비용을 절감합니다. 데이터 전송을 위해 전하 전송에 의존하는 CCD는 수율 문제에 직면해 있어 CCD 센서는 CMOS 센서보다 제조 비용이 더 비쌉니다.

 

7) 백업 카메라/후방 카메라

주차 및 후방 모니터링을 지원하기 위해 차량에 일반적으로 사용되는 백업 카메라의 맥락에서 CCD 및 CMOS 기술을 비교할 때 몇 가지 요소가 작용합니다.

 

8) 색상 

기준	CCD	CMOS
색상 정확도	뛰어난 색상 정확도로 알려져 있으며 정확한 재현을 제공합니다. 색상 충실도가 중요한 응용 분야에 적합합니다.	색상 정확도에서 상당한 진전을 이루었습니다. 최신 CMOS 센서는 CCD에 필적하는 높은 색상 정확도를 달성합니다.
색상 채도	포화되고 생생한 색상을 생성할 수 있습니다. 높은 채도로 다양한 색상을 캡처하는 것으로 알려져 있습니다.	생생한 색상을 제공할 수 있습니다. 색상 재현을 개선하여 생생하고 채도가 높은 이미지를 가능하게 합니다.
Low Light Color Performance	저조도 조건에서 강합니다. 색상 성능은 까다로운 조명 상황에서도 일관되게 유지됩니다.	저조도 색상 정확도에서 문제에 직면했지만 개선이 이루어졌습니다. 최신 CMOS 센서는 만족스러운 저조도 색상 성능을 제공합니다.
컬러 노이즈	컬러 이미지에서 낮은 노이즈를 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 잘 정립된 기술은 색상 아티팩트를 최소화합니다.	약간 더 높은 색상 노이즈가 나타날 수 있습니다. 고급 CMOS 센서는 뛰어난 색상 선명도를 제공합니다.
Dynamic Range 및 Color 그라디언트	종종 넓은 다이나믹 레인지를 가지고 있으며, 밝은 영역과 어두운 영역 모두에서 미묘한 색상 그라디언트와 세부 사항을 캡처합니다.	다이나믹 레인지 기능이 향상되어 다양한 색상과 미묘한 그라디언트를 캡처합니다.

 

 

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9) APS-C

CCD와 APS-C는 하나는 센서 기술을 참조하고 다른 하나는 센서 크기 표준을 참조하기 때문에 직접 비교할 수 없습니다. CCD 또는 CMOS를 포함한 다양한 기술을 사용할 수 있는 APS-C 센서는 최신 디지털 카메라에서 흔히 볼 수 있으며 이미지 품질과 카메라 크기 간의 균형이 좋습니다.

 

10) FPV 카메라

- CCD FPV 카메라

 

CCD 카메라는 정확한 색상과 낮은 노이즈로 고품질 이미지를 제공하는 데 탁월하여 이미지 선명도가 중요한 경우 선호되는 선택입니다. 많은 CCD 카메라에는 글로벌 셔터 기능이 있어 전체 이미지를 동시에 캡처합니다. 이는 드론 레이싱과 같이 빠르게 진행되는 활동에서 유리하여 롤링 셔터 효과를 방지합니다.

 

CCD 카메라는 저조도 조건에서 강력한 성능을 발휘하여 까다로운 조명 상황에서도 최소한의 노이즈로 선명한 이미지를 제공합니다. CCD 카메라는 일부 CMOS 카메라에 비해 대기 시간이 짧을 수 있습니다. 이는 최적의 성능을 위해 실시간 피드백이 중요한 FPV 애플리케이션에서 중요합니다.

 

- CMOS FPV 카메라

 

CMOS 카메라는 상당한 발전을 거쳐 CCD 카메라에 비해 이미지 품질의 격차를 좁혔습니다. CMOS 센서는 일반적으로 더 작고 가볍기 때문에 CMOS FPV 카메라는 레이싱 드론과 같이 컴팩트한 크기와 가벼운 무게가 중요한 애플리케이션에 선호되는 선택입니다.

 

CMOS 카메라는 넓은 다이나믹 레인지를 제공하여 밝은 영역과 어두운 영역 모두에서 세부 사항을 캡처할 수 있습니다. 이는 전반적인 이미지 품질 향상에 기여합니다. CMOS 기술은 일반적으로 비용 효율성이 더 높기 때문에 성능 저하 없이 CMOS 기반 FPV 카메라를 더 저렴하게 만들 수 있습니다.

 

11) 장단점

항목	CCD	CMOS
명칭	전하 커플링 소자	상보적 금속-산화물-반도체
정의	이미지 캡처를 위해 픽셀 간에 전하를 전달하는 센서 기술입니다.	금속 산화물 반도체 부품을 사용하여 이미지를 캡처하는 센서 기술입니다.
픽셀 신호	픽셀 간의 전하 전달.	각 픽셀에서 직접 읽은 전압 신호.
이미지 품질	장점 : 색상 정확도가 좋고 노이즈가 적은 높은 이미지 품질.	장점: 최신 CMOS는 우수한 이미지 품질을 제공할 수 있습니다.
	단점 : 경우에 따라 동적 범위가 제한됩니다.	단점 : 아려움이 있었지만 개선을 통해 많은 문제가 해결되었습니다.
해상도	일반적으로 CMOS에 비해 해상도가 낮습니다.	더 높은 해상도를 지원합니다.
처리 속도	판독 속도가 느립니다.	더 빠른 판독 속도; 비디오 녹화와 같은 고속 애플리케이션에 적합합니다.
소음	일반적으로 소음 수준이 낮습니다.	저조도 상황에서 소음을 나타낼 수 있지만 개선이 이루어졌습니다.
빛에 대한 민감성	저조도 조건에서 강력한 성능을 발휘합니다.	많은 CMOS 센서는 우수한 저조도 성능을 제공합니다.
에너지 소비	일반적으로 더 많은 전력을 소비합니다.	전력 소비가 낮아 에너지 효율성에 기여합니다.
발열	더 많은 열을 생성할 수 있습니다.	덜 가열되는 경향이 있지만 전력 효율성은 특정 설계에 따라 다릅니다.
비용	역사적으로 제조 비용이 더 비쌉니다.	일반적으로 더 비용 효율적입니다. 주변 회로의 더 쉬운 통합.
셔터	종종 글로벌 셔터가 있습니다.	글로벌 셔터를 가질 수 있지만 보편적이지는 않습니다. 일부 CMOS 센서는 롤링 셔터를 사용합니다.
제조의 어려움	제조 복잡성이 더 높을 수 있습니다.	일반적으로 제조가 덜 까다로워 비용 효율성에 기여합니다.