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해상도, MTF, 픽셀 스케일링

이 페이지의 범위

이 페이지는 COMPASS의 공간 해상도 공식 기준 문서입니다 — 픽셀 개구와 광학계의 변조 전달 함수(MTF), 나이퀴스트 주파수까지의 샘플링과 에일리어싱, 피치 스케일링이 FWC·SNR·회절·해상도로 전파되는 방식. 인터랙티브 시각화는 시뮬레이터 섹션에 있습니다.

센서의 QE만으로는 영상이 얼마나 선명한지 말할 수 없습니다. 같은 QE라도 개구 형상, 필 팩터, 피치가 다르면 시각적으로 다른 영상이 나옵니다. 변조 전달 함수(MTF)는 이를 정량화합니다 — 공간 주파수 f의 사인파 콘트라스트가 이미징 체인을 거치며 얼마나 살아남는지를 측정합니다.

공간 샘플링과 나이퀴스트 주파수

피치 p의 픽셀 그리드는 광학 영상을 두 축 모두에서 간격 p로 샘플링합니다. 샘플링 정리에 의해 에일리어싱 없이 표현 가능한 최대 공간 주파수는

fNyquist=12p

(cycles/μm 또는 환산 시 lp/mm). fNyquist 위 성분은 통과 대역으로 에일리어싱되어 접혀 들어오며 사후에 제거할 수 없습니다. 광학 저역 필터(OLPF)가 이를 완화하지만, 최근 센서는 OLPF를 제거하고 중간 정도의 에일리어싱을 허용하는 디모자이크 파이프라인을 사용합니다.

픽셀 개구 MTF

한 변의 길이 a인 정사각형 픽셀 개구는 공간 저역 필터로 작동합니다. MTF는 rect 함수의 푸리에 변환 크기:

MTFpixel(fx,fy)=|sinc(πafx)sinc(πafy)|

완전 충진 정사각 픽셀(a=p)의 한 축 MTF는 |sinc(πpf)|이며, 나이퀴스트에서 약 0.637. 필 팩터가 작아지면(a<p) 같은 f에서 sinc 값이 커지지만(개구가 작을수록 주파수 응답이 넓음), 광 감지 면적이 줄어 QE가 떨어집니다. 이는 픽셀 설계의 핵심 트레이드오프 중 하나입니다.

광학 회절 MTF

f-넘버 F#의 회절 한계 원형 렌즈가 파장 λ에서 갖는 컷오프 주파수:

fc=1λF#

회절 MTF는 동공 자기상관 함수("chat" 함수)로 주어집니다:

MTFoptics(f)=2π[arccos(ffc)ffc1(ffc)2],0ffc.

fc 위에서는 광학 MTF가 정확히 0 — 해당 주파수의 정보는 센서에 도달하지 않습니다. 첫 zero의 에어리 디스크 직경은 2.44λF#로, 픽셀 피치와 비교할 자연스러운 길이 척도입니다.

시스템 MTF

픽셀과 광학계는 근사적으로 분리 가능하므로 시스템 MTF는 곱입니다:

MTFsystem(f)=MTFpixel(f)MTFoptics(f)MTFdefocus(f)

디포커스, 모션 블러, CFA 디모자이크 등이 추가 인자로 곱해집니다. 센서의 대표값으로 보고되는 것은 보통 MTFsystem(fNyquist) — 에일리어싱이 시작되는 주파수에서 콘트라스트가 얼마나 남는지를 요약하는 단일 수치. 약 0.5 이상이면 선명, 0.2 이하면 부드러워 보입니다.

피치 스케일링 트레이드오프

픽셀 피치는 가장 영향이 큰 단일 설계 파라미터입니다. 피치 p를 독립 변수로 한 스케일링 법칙:

지표스케일링기원
풀웰 용량FWCp2포토다이오드 면적
픽셀당 광자 수집p2개구 면적
최대 SNRSNRmaxpFWC
나이퀴스트 주파수fNyquist1/p샘플링율
회절 한계 비율(p/(λF#))2에어리 면적 대 픽셀 면적

해석은 명확합니다: 픽셀을 2× 축소하면 공간 샘플링 밀도는 4배가 되지만 SNR은 1 스톱 잃고, 회절 한계 영역에 빠르게 진입합니다. 대략 p0.6 μm 미만에서는 f/2.0 녹색광의 에어리 디스크가 픽셀 면적을 초과하여, 에너지가 인접 픽셀로 퍼지는 회절 크로스토크가 발생하고 픽셀별 QE가 떨어집니다.

센서 설계자가 사용할 수 있는 보상책:

  • 마이크로렌즈로 유효 필 팩터를 1에 가깝게
  • BSI 구조로 배선을 광 경로 밖으로
  • **딥 트렌치 분리(DTI)**로 횡방향 확산 크로스토크 감소
  • 픽셀 비닝으로 공간 해상도를 SNR과 사후 교환

어느 것도 근본적 물리 스케일링을 무효화하지 않으며, 실용적 하한선만 낮춥니다.

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인접 페이지차이점
이미지 센서 광학광학 스택과 DTI, 마이크로렌즈, BARL이 물리적으로 해상도에 미치는 영향을 설명합니다. 이 페이지는 그 효과를 공간 주파수 응답으로 다룹니다.
픽셀 광학 효과각도·편광 응답, CRA, 분광 크로스토크를 다룹니다. 여기서 측정하는 "공간 크로스토크"는 기하학적이며, 광학 크로스토크를 재유도하지 않습니다.
양자 효율QE는 파장별 스칼라, MTF는 공간 주파수별 함수입니다. 두 가지는 같은 픽셀의 직교적 측면을 기술합니다.

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