컬러 라인 카메라 기술 최신동향
컬러 라인 카메라에 대한 사소하지 않은 궁금증들이 있다. 컬러 라인 카메라란 무엇일까? 흑백과 컬러 기술의 차이점은 무엇일까? 카메라의 컬러 기술에는 어떤 종류가 있을까? CCD와 CMOS간의 컬러 기술에는 어떤 차이점이 있는 것일까? 이런 질문을 해결하기 위해 NED가 나섰다. NED의 도움을 받아 컬러 라인 카메라 기술의 세계로 들어가보자.
자료제공 | NED(www.ned-sensor.co.jp), 이민구 매니저
| 목 차 |
1. 컬러 라인 카메라의 종류
2. NED의 컬러 라인 카메라
3. 3-CMOS와 3-Line 카메라의 차이
4. 3-CMOS와 Bayer Filter
5. 3-CMOS와 3-CCD 기술의 차이
6. NED의 컬러 카메라 구성
1. 컬러 라인 카메라의 종류
컬러 라인 카메라에는 ▲프리즘 방식 3-CMOS·3-CCD 컬러 카메라 ▲3-Line(3-CCD) 카메라 ▲베이어 필터 컬러 카메라 ▲모노라인 컬러 카메라 등이 있다.
① 프리즘 방식 3-CMOS(3-CCD) 컬러 카메라는 Dichroic prism(색선별 프리즘)을 채용한 3-CMOS 카메라를 말한다. 이 방식을 자세히 설명하면, 색선별 막을 이용하여 카메라의 입사광을 적·녹·청색의 3원색으로 분해하는 프리즘 방식을 사용한다. 청색-적색-녹색 순서로 색이 검출되며, 각 채널마다 보정 필터를 사용할 수도 있다.
② 3-Line(3-CCD) 컬러 카메라는 3개의 리니어 센서를 평행으로 배열한 카메라를 일컫는다.
③ 베이어 필터 컬러 카메라는 1장의 CCD(혹은 CMOS) 센서를 채용한 단판식 카메라이며, 이름 그대로 베이어 필터를 사용한 것이 특징이다.
④ 모노라인 컬러 카메라는 이름에서 알 수 있듯 1개의 리니어 센서를 통해 1라인에 RGB Color를 표현하는 카메라를 말한다. 3개의 센서를 사용하는 3-Line 혹은 3-CCD 센서나 프리즘 방식 센서와는 센서 수가 다르다.
2. NED의 컬러 라인 카메라
NED가 출시하고 있는 컬러 라인 카메라에는 ▲프리즘 분광식 3-CMOS 컬러 카메라 ▲3-Line(3-CCD) 컬러 카메라 ▲모노라인 컬러 카메라가 있다.
현재 컬러 라인 센서 카메라 기술의 주류는 3-Line(3 리니어 센서)과 3판식(프리즘) 두 종류로 나뉜다. NED는 현재 첨단을 달리는 모든 컬러 라인 카메라를 보유하고 있는 셈이다.
1) 프리즘 분광식 3-CMOS 컬러 카메라
프리즘 분광식 3-CMOS 컬러 카메라는 색선별 프리즘을 채용한 카메라를 말한다. 다이크로익 프리즘 기술로 각 센서마다 서로 다른 색을 분해할 수 있다. 따라서 고해상도에서 색 재현성이 뛰어난 영상을 얻을 수 있다.
그림 1에서 적·녹·청색의 각 모노라인 CMOS 센서는 피사체의 동일한 장소를 촬영한다. 이를 통해 얻을 수 있는 영상은 색차(번짐)가 없다는 것이 특징이다. 피사체의 이동속도에 영향을 받지 않는다는 점도 장점이다.
하지만 프리즘 블록이 고가이며, 각 RGB 센서와 프리즘을 맞추는 정밀한 작업이 필요하다는 점이 단점으로 꼽힌다.
2) 3-Line(3-CCD) 컬러 카메라
3-Line 컬러 카메라는 프리즘 분광식 카메라와 함께 컬러 라인 카메라의 주류로 떠오른 카메라다. 이 카메라는 3개의 리니어 센서를 평행으로 배열해 적·녹·청색의 3-Line을 구성했다.
3-Line(3-CCD) 방식이 앞서 설명한 프리즘 분광식 카메라와 다른 점이 있다면, 각 라인이 다른 장소의 이미지를 받아들인다는 것이다. 즉, 한 이미지를 다른 각도에서 촬영하는 것이 아니라 라인을 따라 이동하는 하나의 피사체를 서로 다른 장소에서 촬영하게 되는 것.
이 때문에 색차를 수정하기 위한 라인보정 작업이 필요하다는 단점이 있다. 또한 이 방법으로 촬영하기 위해서는 피사체가 일정한 속도로 움직여야 한다.
3) 모노라인 컬러 카메라
모노라인 컬러 카메라는 앞서 설명한 두 개의 카메라와 색 구현 방식이 다르다. 앞의 두 방식이 3개의 센서를 사용했다면 모노라인 컬러 카메라는 1개의 센서를 사용한다. 다시 말해 1개의 센서로 한 라인에서 RGB를 표현한다.
모노라인 컬러 카메라는 1개의 센서로 3화소 컬러 이미지를 구성하는 방식을 취하며, 이 덕분에 저렴한 가격으로 컬러 카메라를 구성할 수 있다. 피사체의 이동속도에 영향을 받지 않는다는 것도 장점이다. 다만 색차가 존재하며 MTF가 낮다는 점이 단점으로 작용한다.
모노라인 컬러 카메라의 사용 예는 NED의 CLISBee 카메라에서 찾을 수 있다. CLISBee 모노라인 컬러 카메라는 8K 화소수의 모노라인 흑백 카메라를 컬러 카메라로 변경한 모델이다. 기존 모노라인 카메라가 가지고 있던 빠른 스캔 속도를 그대로 물려받음은 물론, 노이즈에 대한 영향도 덜 받는다.
3. 3-CMOS와 3-Line 카메라의 차이
앞서 설명하였듯, 3-CMOS 기술과 3-Line 기술이 컬러 라인 카메라 기술을 선도하는 양대 산맥으로 떠오르고 있다. 두 기술은 각자 분야에서 뛰어난 활용성을 자랑한다. 그만큼 두 기술의 차이점도 명확하다.
1) 경사진 방향으로 촬영 여부
라인 센서 카메라를 설치할 때에는 특히나 정밀도가 중요한 부분을 차지한다. 3개의 리니어 센서를 사용한 카메라의 경우에는 카메라가 비스듬하게 장착되면 RGB 딜레이 보정 처리가 복잡해진다. 그 결과 전처리 과정의 부담이 높아지게 된다.
반면 1축 입사방식을 사용한 프리즘 분광식 3-CMOS 카메라는 하나의 이미지를 받아들여 세 개의 센서가 각각 분해하는 방식이다. 즉, 각기 다른 지점에서 촬영하는 3-Line카메라와 달리 세 개의 경사지게 설치되는 것에도 문제가 없으며 화상처리에 부담이 덜하다.
2) 곡면·원통형·요철이 있는 피사체 검사
3-Line 카메라는 적·녹·청의 각 라인이 서로 다른 지점에서 이미지를 획득한다. 그렇기 때문에 각 라인마다 딜레이를 보정하는 등 세부 조작이 필요하다.
하지만 3-CMOS 카메라는 1개의 광축으로 피사체의 정보를 파악하는 방식이다. 따라서 RGB 각 라인 딜레이 보정 등의 복잡한 처리가 필요 없다. 뿐만 아니라 물결 형태 등 요철이 심한 피사체도 비교적 손쉽게 검사할 수 있다.
4. 3-CMOS와 Bayer Filter
프리즘 분광식 3-CMOS 카메라와 베이어 필터 컬러 카메라 사이에도 차이점이 있다.
1) 프리즘 분광식 3-CMOS 카메라
프리즘 분광식 3-CMOS 카메라의 중심부는 다이크로익 프리즘과 적·녹·청으로 이루어진 총 3장의 CMOS 센서로 구성되어 있다. 이 카메라의 이미지 획득 방식을 간단히 설명하면, 렌즈를 통과해 입사된 빛이 프리즘 블록에 의해 RGB로 분리되어 각각의 CMOS 센서에 투사된다. 이때 RGB는 각 1장의 CMOS를 사용하여 색을 재현하기 때문에 해상도가 높고 인간의 눈과 흡사한 색을 표현할 수 있다.
2) 베이어 필터 카메라
베이어 필터 카메라란 각 화소에 베이어 배열로 RGB 각 색의 필터가 붙어 있는 CMOS 센서를 사용한 컬러 카메라를 말한다. 한 대의 카메라에 한 장의 센서를 사용한다는 점에서 모노라인 컬러 카메라와 비슷하다.
각 화소에는 1개의 색 데이터만 존재하며, CMOS로부터 출력된 RGB 각 화소별 주변 화소의 출력을 이용하여 보간 연산(Interpolation)을 해 컬러 이미지를 만든다.
5. 3-CMOS와 3-CCD 기술의 차이
3-CMOS와 3-CCD 기술은 감도와 SN, 블루밍 여부, 스미어 여부, 동작주파수, 동작 전압, 소비전력 등 여러 면에서 차이점을 보인다. 이를 구분하기 위해 간단하게 표를 제시한다(표1참조).
6. NED의 컬러 카메라 구성
