비닝(binning) 이란 무엇인가?

Binning은 readout 동안 CCD 내의 인접한 픽셀의 전하를 합하는 과정이다. 이 과정은 반도체 위에 집적한 전기회로망인 CCD에서 시리얼, 패러렐 레지스터를 제어하여 양자화 되기 전에 이루어진다. Binning으로 인해, SNR(signal-to-noise rate)과 frame rate은 증가하지만, 공간적인 해상도는 저하된다.

 

이해를 쉽게 하기위해, 2*2 binning의 예를 들어보자. 일반적인 작동 상태에선, 전하는 CCD가 빛에 노출되어 있는 동안 개개의 픽셀에 축적된다. parallel readout 동안, 2개의 열에 있는 전하는 시리얼 레지스터로 이동된다. 다음으로 동시에 두 개의 픽셀이 시리얼 레지스터에서 summing well로 이동한다. well에서 합해진 전하는 증폭과 양자화를 거치기 전에, 출력 증폭기에서 전압으로 변환된다. 이러한 일련의 과정이 전체 CCD 어레이에서 readout이 끝날 때까지 반복된다. 결과적으로 매 readout 할 때 마다, summing well에는 4개의 픽셀에서 모인 전하가 축적된다.

 

 

시리얼 레지스터와 summing well은 binning을 하는 동안 여러 픽셀에서 모인 전하를 축적해야 되기 때문에 충분히 큰 용량을 사용하여 포화되는 것을 방지해야 된다. 고성능 CCD는 일반적으로 시리얼 레지스터의 전하 축적 용량이 패러렐 레지스터의 2배이다. 또한 summing well은 이 시리얼 레지스터의 2배 용량을 가진다. 따라서 binning을 사용하기 전에 CCD의 사양을 확인해야 된다. 이러한 사항을 고려하지 않고 binning을 고조도 모드에서 사용할 경우에 포화상태가 되어 측정된 데이터의 정확성이 떨어지게 된다.

 

binning의 중요한 장점은 read noise를 줄일 수 있기 때문에 높은 SNR을 보여준다는 점이다. 일반 모드에서 CCD의 read noise는 매 readout 할 때마다 더해지고, 이 read noise는 각 픽셀에 더해진다. 하지만 binning을 하면 이 read noise는 여러 픽셀의 신호가 합해지는 슈퍼픽셀에 더해지기 때문에 SNR이 향상된다. 앞서 설명한 2*2의 경우는 4x의 SNR 향상 효과를 볼 수 있는 것이다.

 

 

위 그림은 4개의 픽셀에 2*2 binning을 적용하는 예이다. 각 픽셀이 10개의 광전자를 담을 수 있고 read noise가 10 electron이라고 가정할 때, 일반 모드에서 SNR은 1:1이고 노이즈로 인해 원하는 정보는 얻을 수 없을 것이다. 하지만 2*2 binning을 적용할 경우, SNR은 4:1이 되어 미약한 신호도 검출이 가능해 진다.

 

read noise와 다르게 dark current noise는 각 픽셀의 dark current noise가 슈퍼픽셀에 그대로 더해지기 때문에 줄어들지 않는다. binning을 해도 dark current noise는 SNR에 영향을 주지 않기 때문에 CCD를 충분히 냉각하여 dark current noise를 read noise에 비해 무시할 수 있을 정도가 되게 줄이는 과정이 필요하다.

 

binning의 가장 일반적인 응용분야는 분광학이다. 분광학의 CCD 시스템에서, 슬릿을 통해 분산된 이미지가 CCD의 컬럼(이는 시리얼 레지스터와 수직이다)에 모이게 되고 이 이미지는 binning 된다. 이 경우는 공간 해상도의 손실없이 SNR을 증가할 수 있는 중요한 부분이다.

 

binning의 또 다른 이점은 frame rate을 증가할 수 있다는 점이다. readout 과정에서 가장 느린 단계는 픽셀의 양자화인데, binning은 이러한 과정을 줄여주는 역할을 하기 때문에 전체적으로 시스템의 frame rate 향상을 가져온다.

참조 : https://blog.naver.com/optvision/20132839649