Sony, 새로운 글로벌 셔터 CMOS 픽셀 기술을 도입한 PregiusTM 테크놀로지

Sony는 PregiusTM 기술을 먼저 선보인 Sony IMX174 CMOS 센서에 적용한 Sony Pregius Global Shutter CMOS를 소개했다. PregiusTM 기술을 접목시킨 후 Quantum efficiency(QE)와 Temporal dark noise, Saturation capacity, Dynamic range 부분에서 이전보다 좋은 성능을 가지게 됐음을 머신비전유럽연합(EMVA)의 표준을 근거로 발표하였다.

Sony의 첫 번째 Pregius 센서
IMX174 global shutter CMOS의 간략한 소개

지난해 Sony는 Global shutter CMOS 이미징 카테고리를 재정의하고 빠른 Frame rate와 CCD와 같은 이미지 성능을 가진 PregiusTM이라는 기술을 갖춘 새로운 Global shutter CMOS 이미징 디바이스를 소개했다.

이 자료는 EMVA1288 측정 기준을 기반으로 IMX174의 이미징 성능을 확인할 수 있으며, ICX274 CCD 센서와 비교하여 확인할 수 있게 했다.

EMVA1288 표준이란?

IMX174의 이미징 성능을 설명하기 전에, EMVA1288 표준이 무엇인지 이해하는 것이 선행되어야 한다. EMVA1288 표준은 카메라의 이미징 성능 측정 방법에 의미를 두고 통합하여 개발하기 위해 머신 비전 유럽 연합에 의해 규정되었다. EMVA1288 표준은 사용자가 서로 다른 센서와 카메라를 비교할 수 있는 방법을 제공할 뿐만 아니라 그들이 Sony PregiusTM 같은 새로운 센서 기술을 평가하고 기술을 활용할 수 있도록 한다.

EMVA1288 표준이 측정방법에 사용하는 지표
EMVA1288 표준이 카메라의 이미지 성능 측정 방법에서 조금 더 특화되어있는 이유는 Lux측정이 아닌 Read noise와 Full well depth와 같은 지표를 사용하기 때문이다. 여기서 Lux는 무엇이고 Read noise와 Full well depth는 무엇인지 짚어보도록 하겠다.

Lux 대신, EMVA1288표준은 카메라의 성능을 설명하기 위해 Read noise와 Full well depth와 같은 지표를 사용한다. 각 측정은 다른 벤더의 다른 카메라 간의 객관적인 성능 비교를 제공하고, EMVA1288 표준이 정의한 표준화된 방법을 사용한 것이 특징이다. 위와 같은 특징을 적용하여 표 1에 2.3 Megapixel CMOS IMX174와 또 다른 2 Megapixel CCD인 ICX274를 비교해 나타냈다.

수치를 통해 보는 IMX174의 개선된 사양

IMX174의 Quantum efficiency(QE)측정
Quantum efficiency(QE)는 광자를 전자로 변환하기 위한 센서 능력의 측정 방법이다. 높은 Quantum efficiency를 가진 센서는 더 나은 변화 효율로 인해 낮은 광량의 애플리케이션에서 더 적합하다. 지정된 센서의 Quantum efficiency는 Photodiode설계에 의해 영향을 받고, 빛의 스펙트럼에 따라 달라진다.

그러나, IMX174와 ICX274는 다른 픽셀 사이즈와 Saturation capacity를 가지고 있기 때문에, Quantum efficiency 만으로 동일한 결과를 얻을 수 없다. 표 2는 IMX174와 ICX274의 QE를 비교한 수치이다.

Temporal dark noise수치가 낮아진 IMX174
Temporal dark noise(read noise)는 센서와 카메라 회로에 의해 생성되고, 전기적인 설계의 영향을 받는다. Temporal dark noise는 카메라 Gain이 증가할 때 증폭되어 결과적으로 이미지 품질을 저하시킨다. 낮은 Temporal dark noise는 이미지 품질을 유지하면서 더 많은 Signal gain을 허용한다.

역사적으로, CCD 센서는 CMOS 센서와 비교했을 때 훨씬 낮은 Dark noise를 갖는다. 그러나 IMX174의 PregiusTM는 더 정확한 신호 측정 기술을 디자인하고, 6.83e⁻의 낮은 Temporal dark noise를 달성하도록 센서를 활성화한다. 표 3은 IMX174와 ICX274의 Temporal dark noise를 비교한 수치이다.

Saturation capacity와 Dynamic range를 향상시킨 IMX174의
개성있는 디자인
더 큰 픽셀 크기를 갖는 센서는 더 많이 광자에 노출되고, 더 많은 전하를 생성하여 더 높은 Saturation capacity에 이르게 된다. IMX174 센서는 ICX274 보다 1.75배 더 큰 픽셀 크기를 가지고 있다. 그러나 IMX174는 개성있는 디자인으로 인해 4배 더 큰 Saturation capacity를 갖는다.

이것이 이미지의 측면에서 의미하는 바로는 아날로그-디지털 변환기가 획득한 이미지에서 더 높은 Dynamic range로 인해 더 많은 그레이 레벨의 전자를 변환할 수 있다는 것이다. 표 4는 IMX174와 ICX274의 Saturation capacity와 Dynamic range를 비교한 수치이다.

높은 Dynamic range가 이미지에 주는 영향
높은 Dynamic range에서 번호판 인식과 같은 어둡고 밝은 두 영역에서 자세하게 인식해야 하는 것이 중요한 애플리케이션은 크게 도움이 될 것이다. 밝은 차량 헤드라이트는 일반적으로 노출시간을 줄여서 카메라를 구동하기 때문에 번호판 인식에 너무 어둡게 된다. 높은 Dynamic range를 가진 카메라는 어두운 영역에서 번호판 인식에 대한 자세한 정보를 얻을 수 있을 것이다.

카메라 이미지 밝기에 대한 이해를 돕기 위한 설명
일반적으로 고감도 카메라는 동일한 노출 시간에 저감도 카메라에 비해 더 밝은 이미지를 산출해 낸다고 한다. 이 비교 방법은 Saturation capacity의 차이와 두 개의 카메라 사이의 Temporal dark noise를 고려하지 않은 방법이다. 이 작업이 어떻게 동작하는지 이해하기 위해 픽셀이 들어오는 빛에 노출되었을 때 상황을 양동이에 비유하여 설명할 수 있다(그림 2 참조). 

센서 픽셀은 빗물을 받는 양동이로 볼 수 있다(Photons). 더 큰 양동이는 더 많은 양을 모을 것이다(Saturation capacity). 모아진 빗물의 양은 이미지 Intensity에 비례한다. 빈 양동이는 Black 이미지를 나타내고 가득 찬 양동이가 White 이미지를 나타낸다. 만약 빗물의 비율이 일정한 경우 (노출과 조명이 일정), 더 높은 이미지 Intensity에서 작은 양동이는 큰 양동이 보다 훨씬 빨리 가득 찰 것이다.

IMX174와 다른 글로벌셔터 CMOS의 통합비교
IMX174에 의해 입증된 바와 같이 PregiusTM 기술은 인상 깊은 이미지 성능을 제공하고, 동급의 다른 글로벌 셔터 CMOS 센서보다 우수하다. 다른 글로벌 셔터 CMOS 센서와 비교한 자료는 표 5에서 확인할 수 있다.

카메라 이미지 밝기 비교방법으로서의 Sensitivity
이미지 밝기에 근거하여 카메라의 감도를 평가할 때, 작은 Saturation capacity를 가진 카메라는 큰 Saturation capacity를 가진 카메라에 비해 일반적으로 더 밝게 나타난다. 이것은 큰 Saturation capacity로 얻을 수 있는 이점인 높은 Dynamic range를 고려하지 않은 것이다.

단지 물체가 존재하는지 여부만을 감지하는 어플리케이션의 경우 높은 Dynamic range 이미지를 필요로 하지 않기 때문에 Sensitivity만을 검사하는 것이 적절한 비교 방법 이다. Sensitivity를 향상시키기 위해서는 낮은 Temporal dark noise를 갖는 카메라를 선택해야 하고, 이미지 품질을 떨어뜨리지 않고 이미지의 밝기를 증가시키기 위해 카메라 Gain을 사용할 수 있다.

아날로그와 디지털의 충돌을 극복한
Pregius 테크놀로지

Correlated Double Sampling(CDS)라고 불리는 기법은 CCD와 CMOS 카메라의 Temporal dark noise를 감소시키기 위해 사용되는 일반적인 방법이다. CMOS 센서에서, 이 기법은 최대한 Noise를 감소시키기 위해 아날로그와 디지털 레벨 모두에서 사용할 수 있다. Sony의 롤링셔터 Exmor CMOS 센서는 아날로그와 디지털 CDS 둘 다 수행된다. Global shutter CMOS 센서 픽셀 옆 추가 저장 장치는 아날로그 CDS를 지원하기 위해 필요하다. 이 추가 저장 장치는 Photodiode의 노출영역을 줄이면서 Saturation capacity를 줄인다.

Sony는 먼저 선보인 Sony IMX174 CMOS 센서에 PregiusTM라 불리는 새로운 글로벌 셔터 CMOS 픽셀 기술을 도입하여 이러한 문제를 극복하고 있다. 아날로그 메모리 저장장치를 픽셀 디자인의 일부분으로 통합하는 기술이다. 통합 후, 전하는 Photodiode에서 아날로그 메모리와 적용된 CDS로 이동하여 Temporal dark noise를 감소한다. Sony는 추가 아날로그 메모리가 픽셀의 Saturation capacity를 감소하지 않도록 하기 위해 그들의 CCD 픽셀 디자인에 대한 전문 지식을 활용하고 있다(그림 3 참조).

자료제공 | Point Grey Research Inc(www.ptgrey.com)

Sony, 글로벌 셔터 기능을 가진 IMX174LLJ / IMX174LQJ

IMX174LLJ/ IMX174LQJ는 글로벌 셔터 기능과 높은 프레임 속도를 보유하며 성능을 강화하였다. 또한 ROI모드와 트리거 모드 등 특수 공업용 분야에서 요구되는 다양한 모드를 포함한 기능을 가지고 있다.

[특징]
•글로벌 셔터기능
  IMX174LLJ/ IMX174LQJ의 글로벌 셔터 기능은 고속으로 움직이는 피사체의 형상을 정확하게 포착한다. 기존의 롤링셔터방식의 CMOS 이미지 센서는 초점면의 왜곡을 피할 수가 없었지만 PregiusTM 기술을 도입한 IMX174LLJ/ IMX174LQJ는 초점면 왜곡의 발생을 제거 하였다.

•높은 프레임 속도
IMX174LLJ/ IMX174LQJ는 높은 프레임 속도를 바탕으로 고속으로 움직이는 피사체 시퀀스캡처가 가능하다. 

•ROI 모드지원
ROI 모드는 전체 이미지 각도보다는 부분적인 영역에서 움직이는 피사체를 포착해야 할 필요가 있을 시 사용할 수 있다. IMX174LLJ / LQJ ROI모드를 보유하고 있으며 최대 16개의 영역내부에 효과적인 픽셀이 적용되며 뷰 앵글 이미지 밖의 불완전한 픽셀도 출력된다.

•트리거 모드지원
 IMX174LLJ / LQJ 트리거 모드를 내장하고 있으며 외부펄스를 시간축적으로 컨트롤 할 수 있다. 셔터를 누르는 동안 각각의 상태를 나타내는 펄스 출력기능을 가지고 있으며 주변회로와 공동작용이 가능하다.