LSSTCam 한눈에 보기: 세계 최대 카메라의 구조와 성능

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Jan 26, 2026

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구조

세계 최대 디지털 카메라:

LSSTCam은 약 3.2 기가픽셀(60k x 60k)의 해상도를 가지며, 크기는 소형 승용차 정도, 무게는 약 3,000 kg

포컬 플레인 구성:

직경 약 64 cm의 평판 형태로, 4,000×4,000 픽셀 크기의 CCD 189개로 구성됩니다. 이들은 21개의 “raft” 모듈(각 3×3 CCD 배열)에 배치되고, 네 개의 코너 raft에는 추가로 가이드·파면 센싱용 CCD 3개씩이 포함

픽셀 및 시야 해상도:

각 픽셀의 물리적 크기는 10 µm이며(평탄도 오차 ≤ 10 µm), 시야 상 픽셀 피치는 0.2″/pixel에 해당합니다. 이를 통해 약 0.2초각 해상도를 유지하면서 직경 3.5°(약 9.6 평방도)의 넓은 시야를 제공

필터 교환 및 노출:

u, g, r, i, z, y의 6개 광학 필터를 교환할 수 있는 시스템과 전자 셔터를 내장했으며, 기본 노출 시간은 15 초(최단 1 초)입니다. 노출 사이에는 약 20 초 간격으로 연속 촬영하며, 전체 데이터를 2 초 이내에 읽을 수 있음.

읽기 구조 및 감도:

CCD 하나당 16개 출력 앰프를 통해 총 3,024개의 비디오 채널 병렬 읽기가 가능하며, 수광 효율(필링 팩터) > 90%를 실현합니다. 센서는 fully-depleted, back-illuminated 구조로, 동작 온도 약 −100 °C로 냉각되어 열 잡음을 최소화

결과물

https://youtu.be/DTuq-vBsDJE

평탄도 및 배치 정밀도

센서 패키징 공차 관리

센서 패키징 후 평탄도 +/- 5um 이내 제어.

4면 비간섭 패키지(Four-side buttable package) 설계하여, 센서 간 틈을 sub-mm 수준 유지

패키지와 PCB 사이에는 에폭시 언더필(underfill)을 적용

센서 높이 미스매치를 조정할 수 있는 가변 3점 지지(three-point mount) 설계를 도입하여 –100 °C 냉각시에도 평탄도를 유지

Raft 모듈과 SiC 그리드 기반 정밀 배치

저팽창, 고강성의 SiC 그리드 위에 kinematic 3점 지지 장착

Raft 단위로는 +/-6.5um 전체 64cm 직경 focal plane에서는 +/-10um이내 설계.

중력에 의한 편향은 <1um 억제

엄격한 조립 후 Metrology

100도 운영 환경 하에 전기/광학 성능 평가 및 평탄도 및 배치 정밀도 확인

측정 결과에 따라 센서 패키지의 3점 조절과 raft 모듈의 3점 지지를 조절하여 정해진 공차 내로 오차 보정

실시간 광학 보정

모서리 Raft에 배치된 wavefront 센서가 광학적 surface 변화를 감지하여 미러 제어시스템에 피드백.

Flat field correction

Flat projector에서 뿜어낸 빛을 대형 calibration screen에 반사하여 균일하게 조명.

해가 지거나 해가 뜨는 직후의 하늘에서 얻은 이미지(태양광이 대기 중에 산란되어 하늘 전체에 균일하게 퍼져있어 이를 이용함)

매 관측 전야 전에 6개의 필터별 LED Flat을 획득.

SNR = 1000을 목표로 15초~150초 범위의 노출을 하여 픽셀간 감도, 먼지/오염 보정하는 flat set 생성

연 4회 tunable laser를 이용해 각 필터 대역을 1nm단위로 스캔하여 필터 대역폭 변화와 파장 민감도 함수를 모니터링

두 flat 데이터를 고려하여 background flat과 reference flux flat 사용

기타 보정을 마친 후 전처리된 이미지를 전자 e- 단위로 변환 후 flat-field 적용.

Residual Charge Images in e2v CCDs

밝은 광원에 노출된 후 발생하는 잔류 전하

밝은 별과 인공위성으로 인해 해당 문제가 발생할 수 있으며, 해당 문제는 trail 위치를 명확히 예상하기 어려움에 있음.

증상

그림 1. LSSTCam의 e2v CCD에서 관찰된 잔류 전하 이미지의 예시.

두 개의 이미지는 동일한 2000 × 512 픽셀 CCD 증폭기 세그먼트에서 얻은 것이다. 왼쪽은 직경 80픽셀의 원형 밝은 점을 4배 이상 포화 상태로 노출한 이미지이고, 오른쪽은 해당 밝은 노출 직후 처음 촬영한 평균 이미지(이 경우 15초 다크 이미지)이다. 세그먼트의 직렬 레지스터(serial register)가 위치한 쪽에는 명확성을 위해 라벨이 붙어 있다. 왼쪽 이미지에는 병렬(parallel) 판독 전송 방향과 직렬(serial) 전송 방향이 화살표로 표시되어 있다. 주요 잔상 이미지 특징들은 번호로 라벨링되어 있다.

1: 밝은 점 이미지.

시스템 내 초점이 맞지 않은 반사로 인해 더 큰 후광(halo)이 생겼지만, 이 반사광은 너무 약하여 후속 이미지에서 잔류 전하를 생성하지는 않는다.

2: 동일 이미지 내에서 점 뒤에 읽혀진 밝은 자취(trail).

이 자취는 병렬 판독 과정에서 픽셀이 점 위치를 지나면서 해당 픽셀로 전하가 역류함에 따라 발생한다.

3: 후속 이미지에서 점 위치에 나타난 잔상 이미지.

밝은 점이 촬영될 때 CCD 산화막 표면에 전하가 포획되었고, 이 전하가 이후 적분 과정 중 다시 픽셀로 누출되어 이러한 잔상 이미지를 생성한다.

4: 밝은 이미지 이후의 후속 이미지에서 나타나는 잔류 전하 자취.

이 자취는 병렬 전송 중 CCD 표면에 전하가 포획됨으로써 발생한다.

원인

명확한 원인은 밝혀지지 않았고, 아래의 조치로 완화해서 사용 중.

센서 내부 전압 설정(Parallel clocking voltages)

전압 스윙을 9.3V -> 8V로 낮추면 residual charges를 효과적으로 줄임
Fullwell capacity와 DR가 줄어듦.

전하 이동 타이밍 조절(Parallel Clock overlap time)

trail은 줄어들지만, 밝은 점 잔상은 남음.

주요 이슈

Cryostat 진공 누설

설치 시 돔 크레인 고장/운송 리스크

냉각계(-100C) 일시 장애

Raft 내부 파티클 오염 & 채널 쇼트(픽셀 손실)

CCD 6개 비가동

밝은 별 스캔에서 비정상 scatterd pattern 시인

필터 교환 / 더블 셔터 기구 신뢰성 문제

3GPixel 이미지를 1분 내 전송(하루 밤 20TB 생성)

파라미터	e2v 센서	ITL 센서
픽셀 어레이	4 000 × 4 000 픽셀	4 000 × 4 000 픽셀
픽셀 크기	10 µm × 10 µm	10 µm × 10 µm
픽셀 스케일	0.2″/픽셀	0.2″/픽셀
풀 웰 용량 (PTC turnoff)	103 000 e⁻	129 000 e⁻
풀 웰 용량 (평균)	130 000 ± 10 000 e⁻	130 000 ± 10 000 e⁻
리드 노이즈 (RMS)	5.40 e⁻	6.21 e⁻
이득 (Gain)	1.51 e⁻/ADU	1.68 e⁻/ADU
다크 전류	0.023 e⁻/픽셀/초	0.021 e⁻/픽셀/초
CTE (Serial, Parallel)	7.3×10⁻⁶, 1.1×10⁻⁵	1.5×10⁻⁴, 1.2×10⁻⁶
앰플리파이어 수	16 채널	16 채널
동작 온도	−100 °C	−100 °C
센서 유형	Fully‑depleted, Back‑illuminated CCD	Fully‑depleted, Back‑illuminated CCD