Dual Line scan 아키텍처는 샷 노이즈(Shot noise) 증가 없이 이미지 센서의 responsivity를 2배로 향상시킵니다.

머신 비전 성능의 요구 사항은 향상되고 있습니다. 시간 당 웨이퍼수에서 웨이퍼 출력량이 동일함에도 불구하고, 지난 10년 동안 반도체 웨이퍼 검사와 같은 애플리케이션에서 웨이퍼 영역의 크기는 200mm에서 300mm 라인으로 약 2.25배 증가하는 동안 피처 크기는 각 차원 당 3.3배 감소했습니다. (전체 10.8배 정도) 제품의 속도, 해상도, 성능 등은 약 25배 정도 향상되었습니다. 통합 시간이 불과 마이크로세컨드이고 예산 및 안전 문제가 사용할 수 있는 조명을 제한하는 Line scan 이미징에서보다 더 강한 이러한 요구 사항들은 아무데도 없었습니다.

노력, 신중한 픽셀 디자인, 프로세스 개발 등을 통해 센서 디자이너들은 증폭된 노이즈를 감소함에도 불구하고 더 높은 속도를 위해 대역폭을 꾸준히 향상하여 제공하였습니다. 또한, 그들은 기본 CCE(Charge conversion efficiency) 개선 및 픽셀 구조의 개선으로 감도를 향상하였습니다. (예 : CMOS 장치를 위한 in-pixel amplifier) 하지만, 이미지들이 아주 적은 광자로 형성되는 종래의 디자인은 근본적인 한계로 접근하였습니다. 고속 저조도 상황에서 photon shot noise는 이미지 품질의 제한이 되고 있습니다.

Photon shot noise는 이미지 센서로 들어오는 개별 광자 수의 임의적인 변화로 포아송 분포에 따른 통계적 현상입니다. CDS에 의해 보정될 수 있는 reset noise 또는 결정론적으로 빼거나 더하여 보정할 수 있는 다양한 형태의 fixed pattern noise와는 달리, photon shot noise는 전자적 또는 안고리즘적으로 보정할 수 없습니다. 빛의 양자 유형에서 발생하는 photon shot noise는 신호 자체에서 분리될 수 없습니다. 그리고 수집된 전하와 함께 sublinear 방식으로 조정되기 때문에 사용 가능한 빛의 감소만큼 점점 더 주요한 노이즈 소스가 됩니다. (예 : 광자의 수를 이등분하면 1-1/v2 또는 ~30%의 shot noise를 줄일 수 있습니다.) 저조도 애플리케이션에서 photon shot noise는 결국 센서 및 카메라의 노이즈 층을 제한합니다.

Teledyne DALSA의 우수한 dual line scan CCD는 이와 같은 경향을 꺾어 버렸습니다. v2만큼만 shot noise를 증가하면서 감도를 2배로 증가하여 제공하는 이러한 디자인은 저조도 상황에서 더나은 S/N 비율을 제공합니다. TDI 배열과 마찬가지로, 2개의 포토다이오드 픽셀 라인이 병렬로 구성되어 있습니다. 각 픽셀은 1개의 스캔한 라인에 의해 전하가 통과하거나 지연되도록 할 수 있는 지연 게이트에 연결됩니다. 2개의 배열에서의 신호 전자는 단일 출력으로 칩에서 결합됩니다. 지연을 선택할 수 있기 때문에 이 센서는 야방향 스캔을 할 수 있습니다. 이 디자인은 또한 노출 제어와 높은 blue response와 같은 강력한 기존 Line scan기능을 유지합니다.

이 디자인의 주요 단점은 2배의 픽셀 영역에서의 암 신호(dark signal) 증가입니다. 하지만, 대부분의 Line scan 애플리케이션과 같은 고속 애플리케이션에서는 암신호(dark signal)을 무시할 수 있을만큼 통합 시간이 너무 짧습니다. 이 디자인의 고속 저조도 효과의 증거는 Teledyne DALSA의 Spyder3 Line scan 카메라에서 찾을 수 있습니다. Dual Line scan 및 향상된 CCE로 이 카메라들은 기존 모델들보다 3배의 responsivity 및 2배의 Line rate를 제공합니다. Spyer3는 또한 100m의 케이블 길이를 제공하고 전체 시스템 비용을 절감할 수 있는 gigabit Ethernet 인터페이스를 제공합니다.

속도, 감도, 낮은 노이즈 등 머신 비전의 요구 사항을 점점 더 증가할 것이고, 이러한 목표를 달성하기는 더욱 어려워 질 것 입니다. Teledyne DALSA의 Dual line scan 디자인는 낮은 조명 조건에서의 고속 솔루션을 제공하기 위한 혁신적인 솔루션입니다.

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